CN104197921A - 一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺及其制备方法，所述陀螺包括一个长方体硅基底、一个半球壳式中央谐振子、一个支撑半球壳式中央谐振子的支撑柱、八个通过离子掺杂形成的电极，其中八个电极环绕中央谐振子均匀分布配置，包含四个驱动电极和四个检测电极，并通过金属引线连接至引脚处；通过在对应引脚处施加正负电压，驱动电极和检测电极可以实现静电驱动与检测。所述中央半球壳谐振子采用图形转移的压印方式制成。本发明采用MEMS工艺加工，结构简单、体积小、精度较高，极具发展前景。

Description

一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微机电技术领域的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺及其制备方法。
背景技术
陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。基于MEMS技术的微陀螺仪采用批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。
佐治亚理工大学的Johari等人在其论文“Capacitive bulk acoustic wave silicon diskgyroscopes”中，提出了一种圆盘式体声波陀螺，虽然具有较好的性能，但是其制作工艺较为复杂，工艺误差不容易控制。在MEMS微陀螺中，半球谐振微陀螺具有体积小、功耗低、可靠性高、结构简单等诸多优点，具备较高的研究价值，应用前景很大。
然而，由于我国目前的微加工技术水平不高，这在一定程度上限制了我国微型半球谐振陀螺的发展与应用。因此，研究出一种适合当前加工技术水平的微型半球谐振陀螺的意义不言而喻。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺及其制备方法，采用MEMS工艺加工，结构简单、体积小、精度较高，极具发展前景。
根据本发明的一个方面，提供一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺，包括：
一个长方体硅基底；
一个半球壳式中央谐振子；
一个支撑半球壳式中央谐振子的支撑柱；
八个通过离子掺杂形成的电极，包含四个驱动电极和四个检测电极，并通过金属引线连接至引脚处。
其中，驱动电极与半球壳式中央谐振子均非接触，检测电极与半球壳式中央谐振子均非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置依次间隔分布；
四个所述驱动电极在中央谐振子外围的长方体硅基底上依次间隔分配布置，用于激励中央谐振子产生驱动模态振型，当四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极，即分布在中央半球谐振子两侧的硅基底上、在一条直线上的两个电极被施加交流电压时，由电容感应效应产生半球壳式中央谐振子在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，半球壳式中央谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；所述述驱动模态和检测模态互相匹配。
优选地，所述微陀螺进一步包括连接引脚和驱动电极、检测电极的连接线，所述引脚通过连接线将外部的电信号引入驱动电极或者将检测电极处产生的电信号通过连接线导出。
根据本发明的另一个方面，提供一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺的制备方法，包括以下步骤：
第一步、对单晶硅片进行清洗；
第二步、对硅片进行离子掺杂，用以制作驱动电极和检测电极；
第三步、对单晶硅片进行ICP刻蚀，去胶后得到一个中央凹槽；
第四步、对中央凹槽内的硅基体进行局部离子掺杂，并再次进行ICP刻蚀，去胶后得到支撑柱；
第五步、在中央凹槽上方键合一层玻璃金属，并进行图形化刻蚀；
第六步、在中央凹槽上方的玻璃金属上放置一个半球型模具，对半球型模具施加足够的应力，从而把玻璃金属压制成半球壳形状，并和支撑柱紧密固定，初步形成所需要的半球壳式中央谐振子；
第七步、制作引线，对硅片进行局部刻蚀并沉积一层金属，图形化刻蚀金属行程引线；引线用于将外部的电信号引入驱动电极或者将检测电极处产生的电信号通过连接线导出；
第八步、对玻璃金属的半球壳体进行局部刻蚀，得到最终的半球壳式中央谐振子。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用硅片基体作为主要加工结构，通过MEMS的方法进行加工，工艺简单，成本较低，并可实现批量生产；
2、提出了一种加工该种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺的方法，该方法仅仅采用常用的微加工技术，可以得到更好的性能；
3、采用该方法制作的图形转移的压印式微型半球谐振陀螺，具有简单的结构和较高的性能，小尺寸和较高的品质因数使其具有较广泛的应用范围；
4、中央谐振子材料为玻璃金属，使其刚度较大，具有较好的抗冲击性。
5、可以一次性地进行离子掺杂，形成驱动电极和检测电极，可以一次性地沉积、刻蚀金属形成连接线和引脚，且引脚对称、整齐地分布在长方体底座的边缘，便于封装；
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一较优实施例剖面示意图；
图2为本发明一较优实施例离子掺杂电极与刻蚀的中央凹槽的分布关系示意图；
图3(a)～图(i)为图形转移的压印式微型半球谐振陀螺加工工艺流程图；
图中：1-长方体硅基底，2-离子掺杂单晶硅形成的电极，3-中央凹槽，4-支撑柱，5-玻璃金属，6-用于压制半球壳式中央谐振子的半球型模具，7-初步形成的半球壳式中央谐振子，8-电极，9-半球壳式中央谐振子。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1、2所示，本实施例提供一种种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺，包括：
一个长方体硅基底1；
一个半球壳式中央谐振子9；
一个支撑半球壳式中央谐振子的支撑柱4；
八个通过离子掺杂形成的电极8，包含四个驱动电极和四个检测电极，并通过金属引线连接至引脚处。
其中，驱动电极与半球壳式中央谐振子9均非接触，检测电极与半球壳式中央谐振子9均非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置依次间隔分布；
四个所述驱动电极在半球壳式中央谐振子9外围的长方体硅基底1上依次间隔分配布置，即驱动电极和检测电极依次分布排列，每两个驱动电极之间是一个检测电极，同样，每两个检测电极之间是一个驱动电极，用于激励半球壳式中央谐振子9产生驱动模态振型，当四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极，即分布在中央半球谐振子两侧的硅基底上、在一条直线上的两个电极被施加交流电压时，由电容感应效应产生半球壳式中央谐振子9在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，半球壳式中央谐振子9的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；所述述驱动模态和检测模态互相匹配。
本实施例中，所述长方体硅基底1上预先刻蚀出了所需要的方形中央凹槽3，并在长方体硅基底上键合一层玻璃金属5，图形化之后，用于半球壳式中央谐振子9图形转移的压印式制作，具体为将一个用于压制半球壳式中央谐振子的半球型模具6置于覆盖中央凹槽3的玻璃金属5上，并对其施加一定的应力，从而得到所需要的半球壳式中央谐振子9。
本实施例中，所述微陀螺还可以进一步包括连接引脚和驱动电极、检测电极的连接线，所述引脚通过连接线将外部的电信号引入驱动电极或者将检测电极处产生的电信号通过连接线导出。
本实施例中，所述支撑柱4用于对半球壳式中央谐振子9的固定支撑，位于长方体硅基底1的底部，通过刻蚀硅基体形成，离子掺杂后具有导电性，可以将外部电信号引入半球壳式中央谐振子9。
本实施例中，所述半球壳式中央谐振子9的材料为玻璃金属，使用电容感应效应进行驱动和检测。
实施例2
本实施例提供一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺的制备方法，包括以下步骤：
第一步，如图3(a)所示，对单晶长方体硅基底1进行清洗；
第二步，如图3(b)所示，对长方体硅基底1进行离子掺杂，用以制作驱动电极和检测电极；
第三步，如图3(c)所示，对单晶长方体硅基底1进行ICP刻蚀，去胶后得到一个中央凹槽3；
第四步，如图3(d)所示，对中央凹槽3内的长方体硅基底1进行局部离子掺杂，并再次进行ICP刻蚀，去胶后得到支撑柱4；
第五步，如图3(e)所示，在中央凹槽3上方键合一层玻璃金属5，并进行图形化刻蚀；
第六步，如图3(f)所示，在中央凹槽3上方的玻璃金属5上放置一个用于压制半球壳式中央谐振子的半球型模具6，对其施加应力，从而把玻璃金属5压制成半球壳形状，并和支撑柱4紧密固定，形成所需要的初步的半球壳式中央谐振子7，如图3(g)；
第七步，如图3(h)所示,制作引线，对长方体硅基底1进行局部刻蚀并沉积一层金属，图形化刻蚀金属行程引线；引线用于将外部的电信号引入驱动电极或者将检测电极处产生的电信号通过连接线导出；
第八步，如图3(i)所示，对玻璃金属的半球壳体进行局部刻蚀，得到最终的半球壳式中央谐振子9。
本发明所述陀螺采用硅片基体作为主要加工结构，通过MEMS的方法进行加工，工艺简单，成本较低，并可实现批量生产；采用本发明所述制备方法制作的图形转移的压印式微型半球谐振陀螺，具有简单的结构和较高的性能，小尺寸和较高的品质因数使其具有较广泛的应用范围。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺，其特征在于，包括：
一个长方体硅基底；
一个半球壳式中央谐振子；
一个支撑半球壳式中央谐振子的支撑柱；
八个通过离子掺杂形成的电极，包含四个驱动电极和四个检测电极；
其中，驱动电极与半球壳式中央谐振子均为非接触，检测电极与半球壳式中央谐振子均为非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置依次间隔分布；
四个所述驱动电极在中央谐振子外围的长方体硅基底上依次间隔分配布置，用于激励中央谐振子产生驱动模态振型，当四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由电容感应效应产生半球壳式中央谐振子在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，半球壳式中央谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；所述述驱动模态和检测模态互相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述微陀螺进一步包括连接引脚和驱动电极、检测电极的连接线，所述引脚通过连接线将外部的电信号引入驱动电极或者将检测电极处产生的电信号通过连接线导出。
3.根据权利要求1或2所述的一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述长方体硅基底上预先刻蚀出了所需要的方形凹槽，并在刻蚀有凹槽的硅基底上方键合一层玻璃金属，图形化之后，用于半球壳式中央谐振子图形转移的压印式制作。
4.根据权利要求1或2所述的一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述支撑柱用于对半球壳式中央谐振子的固定支撑，位于长方体硅基底的底部，通过刻蚀硅基体形成，离子掺杂后具有导电性，将外部电信号引入半球壳式中央谐振子。
5.根据权利要求1或2所述的一种图形转移的压印式微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述半球壳式中央谐振子的材料为玻璃金属，使用电容感应效应进行驱动和检测。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的图形转移的压印式微型半球谐振陀螺的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，对单晶长方体硅基底(1)进行清洗；
第二步，对长方体硅基底(1)进行离子掺杂，用以制作驱动电极和检测电极；
第三步，对单晶长方体硅基底(1)进行ICP刻蚀，去胶后得到一个中央凹槽(3)；
第四步，对中央凹槽(3)内的长方体硅基底(1)进行局部离子掺杂，并再次进行ICP刻蚀，去胶后得到支撑柱(4)；
第五步，在中央凹槽(3)上方键合一层玻璃金属(5)，并进行图形化刻蚀；
第六步，在中央凹槽(3)上方的玻璃金属(5)上放置一个用于压制半球壳式中央谐振子的半球型模具(6)，对其施加应力，从而把玻璃金属(5)压制成半球壳形状，并和支撑柱(4)紧密固定，形成所需要的初步的半球壳式中央谐振子(7)；
第七步，制作引线，对长方体硅基底(1)进行局部刻蚀并沉积一层金属，图形化刻蚀金属行程引线；引线用于将外部的电信号引入驱动电极或者将检测电极处产生的电信号通过连接线导出；
第八步，对玻璃金属的半球壳体进行局部刻蚀，得到最终的半球壳式中央谐振子(9)。
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