CN106441258B - 微壳体谐振器及其谐振子制备方法 - Google Patents

微壳体谐振器及其谐振子制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微壳体谐振器及其谐振子制备方法，所述微壳体谐振器包括一个封装壳盖；一个微壳体谐振子；一个用于固定微壳体谐振子的支撑结构；一个嵌入有电极和导电结构的基底；所述微壳体谐振子通过一层金属导电层与基底中的导电结构连接引出，用于固定微壳体谐振子的支撑结构位于基底中心；所述电极包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极，电极数量为4的倍数；所述封装壳盖与嵌入有电极和导电结构的基底封装，其内部为真空。本发明的微壳体谐振子直径尺寸在1mm‑10mm。本发明极大提高了微壳体谐振器的抗冲击能力和抗振动能力，器件的可靠性和稳定性得到提高。

Description

微壳体谐振器及其谐振子制备方法
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)领域，具体地涉及一种微壳体谐振器及其谐振子制备方法。
背景技术
近年来，高对称三维MEMS结构的精确制备得到一定的发展，为壳体谐振器的微型化奠定了基础。基于MEMS工艺的高对称的二维或三维第二类哥式振动陀螺的设计和制备使MEMS速率积分陀螺成为可能，速率积分陀螺的输出是角度而不是角速度，可带来高动态范围和高线性度的优点。微壳体谐振器作为MEMS陀螺中最有可能实现惯导级性能速率积分陀螺的一类器件，已成为国内外研究热点。
实现高性能微壳体谐振器的困难在于微壳体谐振子的制备、电极的制备与组装和真空封装。微壳体谐振子作为微壳体谐振器的核心组件，直接决定了器件的性能；除此之外，电极与谐振子的间距和真空封装也影响器件的工作。微壳体谐振器的研发目标是基于小体积、低成本、轻重量、低功耗和高性能以获取实现微壳体器的批量制备技术。在此基础上，为实现大冲击和高振动环境下的高动态范围、低噪声、高精度的惯性导航，需提高微壳体谐振器的抗冲击能力。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种微壳体谐振器及其谐振子制备方法，以提高微壳体谐振器的抗冲击能力和抗振动能力。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种微壳体谐振器，包括：
一个封装壳盖；
一个微壳体谐振子；
一个用于固定微壳体谐振子的支撑结构；
一个嵌入有驱动检测电极和导电结构的基底；
其中，所述微壳体谐振子内有一自对准柱子；所述自对准柱子插入所述用于固定微壳体谐振子的支撑结构中，通过一层金属导电层与基底中的导电结构连接引出，用于固定微壳体谐振子的支撑结构位于基底中心；所述基底中嵌入有多个驱动检测电极，多个驱动检测电极包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极，驱动检测电极数量为4的倍数；所述封装壳盖与嵌入有驱动检测电极和导电结构的基底封装，其内部为真空。
所述微壳体谐振子直径范围为1mm-10mm；所述微壳体谐振子的深宽比范围为0.7-1.2；所述微壳体谐振子的壳体圆周处的厚度范围为10um-500um。
所述微壳体谐振子的材质为石英玻璃、超低热膨胀系数ULE玻璃、因瓦合金、超因瓦合金中的一种。
所述微壳体谐振子的壳体圆周处有缘边，缘边的厚度和长度范围均为10um-500um。
所述微壳体谐振子在基底上的投影区域位于驱动检测电极内边沿和外边沿之间。
所述自对准柱子为空柱、半实柱或实柱中的一种。
一种微壳体谐振子制备方法，其步骤如下：
步骤一，在衬底圆片上加工形成带柱子的腔室；
步骤二，在上述衬底圆片上的腔室内以水溶液或悬浊液的形式引入发泡剂；
步骤三，加热去掉上述衬底圆片上的腔室内溶液或悬浊液中的水，留下发泡剂；
步骤四，将上述步骤得到的衬底圆片与结构圆片通过键合实现腔室密封形成键合圆片；
步骤五，将上述步骤得到的键合圆片升温至高于结构圆片的软化点或熔点，形成微壳体谐振子。
步骤一中，所述加工为微电火花加工、微超声加工、湿法刻蚀的一种或湿法刻蚀与其他一种方式相结合的加工方式。
步骤二中，所述发泡剂为氢化钛、氢化锆、碳酸钙、碳酸锶、碳酸氢钙中的一种或一种以上的混合物。
本发明的有益效果是：
1.微壳体谐振器采用支撑结构固定微壳体谐振子，相比于无支撑结构的微壳体谐振器，极大提高了微壳体谐振器的抗冲击能力和抗振动能力，器件的可靠性和稳定性得到提高；
2.微壳体谐振器采用支撑结构固定微壳体谐振子，而非将自对准柱子插入基底中，可降低工艺难度，同时这种采用工艺方式可保证谐振子与基底中的电极间的间距的一致性；
3.微壳体谐振子采用石英玻璃、超低热膨胀系数ULE玻璃、因瓦合金、超因瓦合金等低热膨胀系数材料作为结构材料，而非采用热膨胀系数相对较大的材料(如硼硅酸盐玻璃、多晶硅等)，性能大大提高，具体表现在能量损耗方面，真空中的Q值能在优化设计和制备后大幅增大；微壳体谐振子采用热成型工艺制备而成，谐振子的对称性高，本征频率分裂相对较小；
4.在制备微壳体谐振子的工艺过程中，发泡剂以溶液或悬浊液的形式引入衬底圆片中的腔内，可大大提高发泡剂量的均匀性，提高了同一批次的壳体谐振子的均一性，并且相对容易实现工业化生产。
附图说明
图1是微壳体谐振器的示意图；
图2a-图2e是微壳体谐振子的工艺流程图；
图3是一种微壳体谐振子的示意图，其自对准柱子为半实心柱半空心柱；其中，图3a是此微壳体谐振子的鸟瞰图；图3b是此微壳体谐振子的剖面图；
图4是一种微壳体谐振子的示意图，其自对准柱子为全空心柱；其中，图4a是此微壳体谐振子的鸟瞰图；图4b是此微壳体谐振子的剖面图；
图5是一种微壳体谐振子的示意图，其自对准柱子为半实心柱半空心柱；其中，图5a是此微壳体谐振子的鸟瞰图；图5b是此微壳体谐振子的剖面图；
图中，100-微壳体谐振器，110-基底，112-基底主体部分，114-绝缘部分，116-驱动检测电极，118-导电结构，120-微壳体谐振子，120A-壳体，120B-自对准柱子，120C-缘边，120D-自对准柱子实心处，120E-自对准柱子空心处，121-衬底圆片，122-柱子，123-腔室，124-溶液或悬浊液，125-发泡剂，126-结构圆片，127-残余物，130-封装壳盖，140-金属导电层，150-用于固定壳体谐振子的支撑结构。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
名词解释：
超低热膨胀系数：热膨胀系数小于1ppm/℃；
超低热膨胀系数ULE玻璃为含二氧化钛的玻璃TiO2+SiO2，具体型号为Titaniumsilicate glass ULETM，其热膨胀系数小于15ppb/℃(5-35℃)；
深宽比：单个壳体高度与半径的比值。
实施例
如图1、图3-图5所示，本实例提供一种微壳体谐振器100，包括：
一个封装壳盖130；
一个微壳体谐振子120；
一个用于固定微壳体谐振子的支撑结构150；
一个嵌入有驱动检测电极116和导电结构118的基底110；
其中，所述微壳体谐振子120内有一自对准柱子120B，自对准柱子120B为空柱、半实柱或实柱中的一种；所述自对准柱子120B插入所述用于固定壳体谐振子120的支撑结构150中，通过一层金属导电层140与基底110中的导电结构118连接引出，用于固定微壳体谐振子的支撑结构150位于基底中心；所述基底110中嵌入有8个驱动检测电极116；所述封装壳盖130通过键合的方式与嵌入有驱动检测电极116和导电结构118的基底110实现真空封装，真空封装通过以下方法实现：在真空封装前腔室内放置有吸气剂，吸气剂在真空封装完成后激活。
所述微壳体谐振子120直径范围为1mm-10mm；所述微壳体谐振子120的深宽比范围为0.7-1.2；所述微壳体谐振子120的壳体120A圆周处的厚度范围为10um-500um。
所述微壳体谐振子120的材质为超低热膨胀系数ULE玻璃；所述微壳体谐振子120的表面有一层导电金属层。
所述微壳体谐振子120的壳体120A圆周处有缘边120C，缘边120C厚度和长度范围均为10um-500um；所述壳体谐振子120在基底110上的投影区域位于驱动检测电极116内边沿和外边沿之间。
如图2a-图2e所示，本实例所提供的一种微壳体谐振子120制备方法，其步骤如下：
步骤一，湿法刻蚀石英玻璃圆片121形成带柱子122的腔室123；
步骤二，在上述石英玻璃圆片121上的腔室内123以溶液或悬浊液124的形式引入发泡剂氢化钛125；
步骤三，加热去掉上述石英玻璃圆片121上的腔室123内溶液或悬浊液124中的水，留下发泡剂氢化钛125；
步骤四，将上述步骤得到的石英玻璃圆片121与另一超低热膨胀系数ULE玻璃结构圆片126通过键合实现腔室密封形成键合圆片；
步骤五，将上述步骤得到的键合圆片升温至高于超低热膨胀系数ULE玻璃结构圆片126的软化点或熔点，发泡剂氢化钛125在高温下分解产生气体，气压差驱使超低热膨胀系数ULE玻璃结构圆片126的软化玻璃形成微壳体谐振子120，发泡剂氢化钛125高温分解后形成残余物127。
图3是一种微壳体谐振子的示意图；微壳体谐振子120由壳体120A和自对准柱子120B构成；自对准柱子120B为半实心柱半空心柱，自对准柱子实心处120D占自对准柱子120B的主要部分；图3中的微壳体谐振子120刚好无缘边，圆周处与电极相对应的面积居中；图3中的微壳体谐振子120对应图1中的微壳体谐振子120。
图4是一种微壳体谐振子的示意图；微壳体谐振子120由壳体120A和自对准柱子120B构成；自对准柱子120B为空心柱；图4中的微壳体谐振子120完全无缘边，圆周处与电极相对应的面积较小。
图5是一种微壳体谐振子的示意图；微壳体谐振子120由壳体120A、自对准柱子120B和缘边120C构成；自对准柱子120B为半实心柱半空心柱，自对准柱子实心处120E占自对准柱子120B的主要部分；图4中的微壳体谐振子120有较大面积的缘边120C，圆周处与电极相对应的面积较大。
图3-图5中的微壳体谐振子120均可由图2a-图2e所示的热成型工艺制备而成；图3-图5中的微壳体谐振子120的自对准柱子120B的实心部分大小可以通过改变结构圆片126的厚度和衬底圆片121的腔室123内的柱子122的尺寸调节；微壳体谐振器100中的微壳体谐振子120不仅限于图3-图5中的微壳体谐振子120，由图2a-图2e所示的热成型工艺制备而成的其他微壳体谐振子120均可构成微壳体谐振器100的组件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种微壳体谐振器，其特征在于：包括：
一个封装壳盖；
一个微壳体谐振子；
一个用于固定微壳体谐振子的支撑结构；
一个嵌入有驱动检测电极和导电结构的基底；
其中，所述微壳体谐振子内有一自对准柱子；所述自对准柱子插入所述用于固定微壳体谐振子的支撑结构中，通过一层金属导电层与基底中的导电结构连接引出，用于固定微壳体谐振子的支撑结构位于基底中心；所述基底中嵌入有多个驱动检测电极，多个驱动检测电极包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极，驱动检测电极数量为4的倍数；所述封装壳盖与嵌入有驱动检测电极和导电结构的基底封装，其内部为真空；
所述微壳体谐振子直径范围为1mm-10mm；所述微壳体谐振子的深宽比范围为0.7-1.2；所述微壳体谐振子的壳体圆周处的厚度范围为10um-500um；所述微壳体谐振子的材质为石英玻璃、超低热膨胀系数ULE玻璃、因瓦合金、超因瓦合金中的一种；所述微壳体谐振子的壳体圆周处有缘边，缘边的厚度和长度范围均为10um-500um；所述微壳体谐振子在基底上的投影区域位于驱动检测电极内边沿和外边沿之间；所述自对准柱子为空柱、半实柱或实柱中的一种。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107560607A (zh) * 2017-08-16 2018-01-09 浙江大学 基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法
CN108544739B (zh) * 2018-04-11 2023-07-04 清华大学 半球谐振器的热成型装置及半模压热成型加工方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101968359A (zh) * 2010-07-02 2011-02-09 北京理工大学 钟形振子式角速率陀螺
CN102695941A (zh) * 2009-11-12 2012-09-26 萨基姆防务安全公司 陀螺仪传感器
CN104197920A (zh) * 2014-08-08 2014-12-10 上海交通大学 上下贯通支撑的半球谐振微陀螺
CN105021179A (zh) * 2015-08-14 2015-11-04 南京理工大学 基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及制造方法
CN105540530A (zh) * 2015-12-18 2016-05-04 东南大学 微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9139417B2 (en) * 2012-07-23 2015-09-22 The Regents Of The University Of California Microfabrication of high quality three dimensional structures using wafer-level glassblowing of fused quartz and ultra low expansion glasses
US10119820B2 (en) * 2015-02-10 2018-11-06 Northrop Grumman Systems Corporation Wide rim vibratory resonant sensors
US10532943B2 (en) * 2016-02-29 2020-01-14 The Regents Of The University Of Michigan Gyroscope and fabrication process

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102695941A (zh) * 2009-11-12 2012-09-26 萨基姆防务安全公司 陀螺仪传感器
CN101968359A (zh) * 2010-07-02 2011-02-09 北京理工大学 钟形振子式角速率陀螺
CN104197920A (zh) * 2014-08-08 2014-12-10 上海交通大学 上下贯通支撑的半球谐振微陀螺
CN105021179A (zh) * 2015-08-14 2015-11-04 南京理工大学 基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及制造方法
CN105540530A (zh) * 2015-12-18 2016-05-04 东南大学 微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"A high-q all-fused silica solid-stem wineglass hemispherical resonator formed using micro blow torching and welding";Jae Yoong 等，;《2015 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS),Estoril,PORTUGAL》;20150122;821-824页
"Hemispherical Glass Shell Resonators Fabricated Using Chemical Foaming Process";Bin Luo 等，;《2015 IEEE 65th Electronic Components and Technology Conference (ECTC),San Diego,CA》;20150529;2217-2221页
"微玻璃半球壳体谐振子的设计、制备与表征";罗斌 等，;《导航定位与授时》;20170331;第4卷(第2期);79-85页

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