CN105698780B - 微壳体振动陀螺及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微壳体振动陀螺及其制备方法，该微壳体振动陀螺包括微壳体陀螺谐振子和玻璃基板，微壳体陀螺谐振子设于玻璃基板上，微壳体陀螺谐振子包括回转壳体和多个敏感质量元件，敏感质量元件均布于回转壳体底部的外圆周，回转壳体和多个敏感质量元件相对于玻璃基板的面上设有金属膜，玻璃基板包括多个固定电容板，多个固定电容板上与多个敏感质量元件一一对应。制备方法包括：高精度靠模制备微壳体陀螺谐振子和微装配。该微壳体振动陀螺基于面外驱动和检测，具有便于加工且加工精度高、驱动和检测效率高、便于模态和频率修调、鲁棒性好、成本低廉等优点，该制备方法能极大提高微壳体陀螺谐振子的三维曲面面形加工精度和结构对称度。

Description

微壳体振动陀螺及其制备方法

技术领域

本发明属于微机械传感器领域，尤其涉及一种微壳体振动陀螺及其制备方法。

背景技术

陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。

目前，基于微机械加工技术可在圆片上实现传感器的批量加工，实现了体积小、成本低、功耗小的微陀螺仪的加工。经过这些年的发展，MEMS陀螺仪的精度已达速率级别，在汽车和消费电子领域有着广泛的应用（在50Hz的带宽内分辨率大概为0.1˚/s）。然而，对于精度要求更高的领域，例如在卫星信号盲区为导弹提供短距离导航（分辨率至少要求0.1˚/h），现有结构的MEMS陀螺仪还难以满足要求。

随着微机械加工工艺的发展和微陀螺技术研究的不断深入，微壳体振动陀螺成为最具发展潜力的微陀螺之一，是近年来研究的焦点和热点。微壳体振动陀螺是在宏观的壳体振动陀螺的基础上小型化而来，有望继承宏观壳体振动陀螺的一切性能优点，并同时具有体积小、成本低、功耗小等优异性能。壳体振动陀螺的高性能归根于其高度对称的敏感结构，需要采用高精度制造方法。随着体积的减小，微壳体振动陀螺的相对误差会显著增加，制造误差、非对称应力等因数制约着微陀螺性能的提升，急需高精度的三维微加工技术；另外，如何提高微壳体振动陀螺的驱动和检测面积，是提高微壳体振动陀螺性能面临的重要挑战。目前，基于静电驱动和电容检测的壳体谐振陀螺工作方式主要有圆弧面电极驱动和检测（面内）和平行板电极驱动和检测（面外）两种。虽然采用圆弧面工作电极的面内工作方式能够极大增加驱动和检测电极的面积，但是受目前三维微加工技术的限制，难以实现微尺度高精度电极间隙的圆弧面电容的加工。基于平行板工作电极的面外工作方式，电极间隙易于保证，一致性较好，但是电容面积的相对较小，驱动和检测效率较低。所以，迫切需要高效率且易于实现的驱动和检测方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于面外驱动和检测、便于加工且加工精度高、驱动和检测效率高、便于模态和频率修调、鲁棒性好、成本低廉的微壳体振动陀螺及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种微壳体振动陀螺，包括微壳体陀螺谐振子和玻璃基板，所述微壳体陀螺谐振子设于所述玻璃基板之上，所述微壳体陀螺谐振子包括回转壳体和多个敏感质量元件，所述多个敏感质量元件均匀分布于所述回转壳体底部的外圆周，所述回转壳体和多个敏感质量元件相对于所述玻璃基板的面上设有金属膜，所述玻璃基板包括多个固定电容板，所述多个固定电容板上与所述多个敏感质量元件一一对应。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述多个敏感质量元件为T形质量块。

所述多个敏感质量元件质量相等、形状相同。

所述固定电容板包括驱动电容板和敏感电容板，所述驱动电容板与所述敏感电容板等间隔分布。

所述回转壳体的中心位置朝所述玻璃基板方向凸起形成连接锚点，所述连接锚点与所述玻璃基板连接。

所述玻璃基板上设有与所述连接锚点相对应的连接凸台。

所述连接锚点与所述连接凸台通过导电胶粘接。

所述玻璃基板上还设有多个接地引线，所述接地引线与所述固定电容板间隔分布。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的微壳体振动陀螺的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备微壳体陀螺谐振子

将一石英片置于一成型空腔之上，对所述石英片进行加热，同时对所述成型空腔进行抽真空，将软化的石英片吸附至所述成型空腔的腔壁上，得到带回转壳体的微型三维曲面结构，在所述微型三维曲面结构上划片制作多个敏感质量元件，在所述回转壳体和所述多个敏感质量元件相对于玻璃基板的面上镀金属膜，得到微壳体陀螺谐振子；

S2：微装配

在一玻璃板上制作固定电容板，得到所述玻璃基板，将所述微壳体陀螺谐振子与所述玻璃基板连接，得到微壳体振动陀螺。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述成型空腔位于一下模具中，所述下模具包括抽真空孔，所述抽真空孔与所述成型空腔连通，所述石英片定位于一上模具和所述下模具之间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的微壳体振动陀螺，微壳体陀螺谐振子边缘周期分布的敏感质量元件与玻璃基板上的固定电容板构成陀螺面外驱动电容和敏感电容，此面外驱动和检测电容为上下平行板电容结构，电容间隙便于加工，也便于加工精度的提高，电容间隙尺寸容易保证，极大简化了微陀螺的加工工艺。

2、回转壳体的外圆周均匀分布的敏感质量元件，可以在不改变谐振结构刚度的情况下，大大增加结构的敏感质量；同时敏感质量元件也增加了谐振结构的电容极板面积，极大的提高了基于面外驱动和检测方式的工作效率；并可以通过增加或去除敏感质量元件质量的方法实现对谐振结构的模态和频率修调，极大简化了谐振结构的模态和频率修调工艺。

3、本发明的微壳体振动陀螺的制备方法，采用高精度靠模法制备微壳体陀螺谐振子，所制备的微壳体陀螺谐振子通过微装配工艺与玻璃基板连接形成微壳体振动陀螺，该方法实现了带中心支撑的微壳体陀螺谐振子的一体化加工，极大提高了微壳体陀螺谐振子的三维曲面面形加工精度和结构对称度。

附图说明

图1为本发明微壳体振动陀螺的拆分结构示意图。

图2为本发明微壳体振动陀螺的俯视示意图。

图3为图2的A-A剖视示意图。

图4为微壳体陀螺谐振子的俯视示意图。

图5为玻璃基板的俯视示意图。

图6为微壳体陀螺谐振子的制备示意图。

图7为本发明微壳体振动陀螺的制备示意图。

图8为本发明微壳体振动陀螺的驱动模态仿真示意图。

图9为本发明微壳体振动陀螺的敏感模态仿真示意图。

图例说明：

1、微壳体陀螺谐振子；11、回转壳体；12、敏感质量元件；13、金属膜；2、玻璃基板；21、固定电容板；211、驱动电容板；212、敏感电容板；22、连接凸台；23、接地引线；31、上模具；32、石英片；33、下模具；34、抽真空孔；35、成型空腔。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1至图5示出了本发明的微壳体振动陀螺实施例，该微壳体振动陀螺包括微壳体陀螺谐振子1和玻璃基板2，微壳体陀螺谐振子1设于玻璃基板2之上，微壳体陀螺谐振子1包括回转壳体11和多个敏感质量元件12，多个敏感质量元件12均匀分布于回转壳体11底部的外圆周，回转壳体11和多个敏感质量元件12相对于玻璃基板2的面上设有金属膜13，玻璃基板2包括多个固定电容板21，多个固定电容板21上与多个敏感质量元件12一一对应。每个固定电容板21与其对应的敏感质量元件12之间有间隙，构成陀螺面外电容，此面外电容为上下平行板电容结构，电容间隙便于加工，也便于加工精度的提高，电容间隙尺寸容易保证，极大简化了微陀螺的加工工艺。敏感质量元件12分布于回转壳体11底部的外圆周，可以在不改变谐振结构刚度的情况下，大大增加结构的敏感质量；同时敏感质量元件12也增加了谐振结构的电容极板面积，极大的提高了基于面外驱动和检测方式的工作效率；并可以通过在增加或去除敏感质量元件12的质量的方法实现对谐振结构的模态和频率修调，极大简化了谐振结构的模态和频率修调工艺。

本实施例中，多个敏感质量元件12为T形质量块。

本实施例中，多个敏感质量元件12质量相等、形状相同。

本实施例中，固定电容板21包括驱动电容板211和敏感电容板212，驱动电容板211与敏感电容板212等间隔分布。

本实施例中，回转壳体11的中心位置朝玻璃基板2方向凸起形成连接锚点，连接锚点与玻璃基板2连接。

本实施例中，玻璃基板2上设有与连接锚点相对应的连接凸台22。

本实施例中，连接锚点与连接凸台22通过导电胶粘接。

本实施例中，玻璃基板2上还设有多个接地引线23，接地引线23与固定电容板21间隔分布。

图6和图7示出了本发明的微壳体振动陀螺的制备方法，包括以下步骤：

S1、高精度靠模法制备微壳体陀螺谐振子1

S1.1：如图6（b）所示，按从上到下为上模具31、石英片32和下模具33的顺序进行装配，下模具33包括抽真空孔34和成型空腔35，成型空腔35与微壳体陀螺谐振子1配合，抽真空孔34与成型空腔35连通，上模具31包括内孔，内孔直径大于石英片32与下模具33构成的空腔的直径；

本实施例的上模具31和下模具33采用高纯度石墨材料磨削加工得到，如图6（a）所示。

S1.2：利用抽真空孔34对成型空腔35进行抽真空，同时采用高温喷灯对石英片32进行局部快速加热使其软化，在内外空气压差的作用下，将软化的石英片32吸附至成型空腔35的腔壁上，完成石英片32的成型加工，如图6（c）所示；

S1.3：拆卸上模具31和下模具33，得到带回转壳体11的微型三维曲面结构，如图6（d）所示。在微型三维曲面结构上进行激光划片以制作敏感质量元件12；

S1.4：在回转壳体11和多个敏感质量元件12相对于玻璃基板2的面上镀金属膜13，得到微壳体陀螺谐振子1，如图6（e）所示；

S2、微装配工艺制备微壳体振动陀螺

S2.1：在一玻璃板上制作固定电容板21与接地引线23，其中固定电容板21包括驱动电容板211和敏感电容板212，并采用湿法腐蚀制作连接凸台22，得到玻璃基板2；

S2.2：在玻璃基板2的连接凸台22上涂覆导电胶，将回转壳体11的连接锚点和连接凸台22对准粘接，得到微壳体振动陀螺。

本实施例的微壳体振动陀螺通过壳体结构弹性波振动的哥氏效应实现角速度检测，包括两个相差45°的工作模态。微壳体振动陀螺工作时，驱动电容板211施加一定频率的静电力，激励微壳体陀螺谐振子1驱动模态以稳定的驻波形式振动，如图8所示。当有角速度输入时，哥氏力会激励出45°方向的检测模态，通过检测敏感电容板212与敏感质量元件12之间的敏感电容变化量实现角速度测量，如图9所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微壳体振动陀螺，包括微壳体陀螺谐振子（1）和玻璃基板（2），所述微壳体陀螺谐振子（1）设于所述玻璃基板（2）之上，其特征在于，所述微壳体陀螺谐振子（1）包括回转壳体（11）和多个敏感质量元件（12），所述多个敏感质量元件（12）均匀分布于所述回转壳体（11）底部的外圆周，所述回转壳体（11）和多个敏感质量元件（12）相对于所述玻璃基板（2）的面上设有金属膜（13），所述玻璃基板（2）包括多个固定电容板（21），所述多个固定电容板（21）上与所述多个敏感质量元件（12）一一对应，每个固定电容板（21）与其对应的敏感质量元件（12）之间有间隙，构成陀螺面外电容。

2.根据权利要求1所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述多个敏感质量元件（12）为T形质量块。

3.根据权利要求2所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述多个敏感质量元件（12）质量相等、形状相同。

4.根据权利要求3所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述固定电容板（21）包括驱动电容板（211）和敏感电容板（212），所述驱动电容板（211）与所述敏感电容板（212）等间隔分布。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述回转壳体（11）的中心位置朝所述玻璃基板（2）方向凸起形成连接锚点，所述连接锚点与所述玻璃基板（2）连接。

6.根据权利要求5所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述玻璃基板（2）上设有与所述连接锚点相对应的连接凸台（22）。

7.根据权利要求6所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述连接锚点与所述连接凸台（22）通过导电胶粘接。

8.根据权利要求7所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述玻璃基板（2）上还设有多个接地引线（23），所述接地引线（23）与所述固定电容板（21）间隔分布。

9.一种如权利要求1至8中任一项所述的微壳体振动陀螺的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：制备微壳体陀螺谐振子（1）

将一石英片（32）置于一成型空腔（35）之上，对所述石英片（32）进行加热，同时对所述成型空腔（35）进行抽真空，将软化的石英片（32）吸附至所述成型空腔（35）的腔壁上，得到带回转壳体（11）的微型三维曲面结构，在所述微型三维曲面结构上划片制作多个敏感质量元件（12），在所述回转壳体（11）和所述多个敏感质量元件（12）相对于玻璃基板（2）的面上镀金属膜（13），得到微壳体陀螺谐振子（1）；

S2：微装配

在一玻璃板上制作固定电容板（21），得到所述玻璃基板（2），将所述微壳体陀螺谐振子（1）与所述玻璃基板（2）连接，得到微壳体振动陀螺。

10.根据权利要求9所述的微壳体振动陀螺的制备方法，其特征在于，所述成型空腔（35）位于一下模具（33）中，所述下模具（33）包括抽真空孔（34），所述抽真空孔（34）与所述成型空腔（35）连通，所述石英片（32）定位于一上模具（31）和所述下模具（33）之间。