CN106849899A - 微单壳体谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微单壳体谐振器，包括封装壳盖；微单壳体谐振子；平面电极；带有多个导电通孔的复合结构基底；所述微单壳体谐振子由单壳体、位于单壳体内部中心轴处的单端柱组成，所述单端柱的底部与单壳体边沿的底部齐平；所述单端柱的底部通过一层导电粘附层与复合结构基底中的一个导电通孔连接引出；所述复合结构基底上有平面电极，所述平面电极通过位于其下方的导电通孔引出；所述导电通孔在复合结构基底背面通过导电引出层引出；所述封装壳盖与带有多个导电通孔的复合结构基底封装，其内部为真空，内部放置有吸气剂。微单壳体谐振器采用平面电极，大大减小了电极间的寄生电容；平面电极利用导电通孔从复合结构基底背面实现电引出。

Description

微单壳体谐振器
技术领域
本发明涉及微电子机械系统(MEMS)领域的一种微单壳体谐振器。
背景技术
为实现高性能微壳体谐振陀螺，发明专利“微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法”(专利申请号：201510963681.6)提出一种嵌入式硅电极，这种电极嵌入在复合结构基底中，但电极与电极间的面积较大，工作时容易产生较大的寄生电容和信号干扰，影响器件的性能。为解决这一问题，需要减小电极间的面积以减小寄生电容和信号干扰。
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单壳体谐振器，以减小电极间的面积以减小寄生电容和信号干扰。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种微单壳体谐振器，包括：
封装壳盖；
微单壳体谐振子；
平面电极；
带有多个导电通孔的复合结构基底；
其中，所述微单壳体谐振子由单壳体、位于单壳体内部中心轴处的单端柱组成，所述单端柱的底部与单壳体边沿的底部齐平；所述单端柱的底部通过一层导电粘附层与复合结构基底中的一个导电通孔连接引出；所述复合结构基底上有平面电极，所述平面电极通过位于其下方的导电通孔引出；所述导电通孔在复合结构基底背面通过导电引出层引出；所述封装壳盖与带有多个导电通孔的复合结构基底封装，其内部为真空，内部放置有吸气剂。
所述微单壳体谐振子的材质为无定形材料、铁镍合金、氧化物的一种；所述微单壳体谐振子的材质为不导电材料时，微单壳体谐振子的内表面覆盖有或部分覆盖有导电层。
所述微单壳体谐振子的单壳体边沿有缘边。
所述微单壳体谐振子在复合结构基底上的投影区域在平面电极内边沿和外边沿之间。
所述复合结构基底由导电通孔部分、电隔离部分和主体部分组成。
所述平面电极包括一般工作电极；所述一般工作电极包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极；所述驱动电极和检测电极为扇形圆环，并中心对称。
所述平面电极还包括一个环形激励电极。
所述平面电极还包括一个或多个隔离电极。
所述封装壳盖与复合结构基底直接键合或通过一层中间层键合实现真空封装。
所述微单壳体谐振子与复合结构基底之间的间距均匀。
有益效果：本发明中的结构具有如下优势：
1.微单壳体谐振子的边沿设有缘边，可采用激光对缘边或缘边上的调制层进行整修，从而提高结构的对称性，降低工作模态的频率分裂值，提高器件的性能；此外，调节缘边尺寸，可对于工作频率进行调节；缘边长度和厚度可调，长度可从十微米到八百微米，对于毫米尺寸的微单壳体谐振子，大大增大电极间相互作用的面积，增大了电容。电容越大对微单壳体谐振子的启振和信号检测有利，平面电极对微单壳体谐振子的振动引起的电容变化越敏感，有利于提高器件的性能。
2.微单壳体谐振子的材质采用低热系数膨胀系数的材料，有利于降低热弹性损耗，提高谐振子的Q值；微单壳体谐振子的材质为导电材料，则不需要导电层，有利于降低表面损耗。
3.微单壳体谐振子的壳体的厚度从边沿到极点沿经度方向减小，这种情况下有效质量较大，有利于保证较低的热机械噪声。
4.复合结构基底的作用包含以下几点：其一，支撑微单壳体谐振子和平面电极；其二，包含导电通孔，可实现垂直引出；其三，也是最重要的一点，复合结构基底用于真空封装，作为封装罩的一部分。复合结构基底集合了支撑、垂直引出、真空封装三大功能于一体。
5.平面电极的厚度小于一微米，相比于上百微米厚的复合结构基底，平面电极间的面积相比与嵌入式硅电极的面积至少减小100倍，大大减小了寄生电容。
6.平面电极还可以包括隔离电极，隔离电极用于隔离驱动电极与检测电极之间的串扰、驱动电极与驱动电极之间的串扰、检测电极与检测电极之间的串扰，进一步减小了寄生电容的影响。
附图说明
图1是一种微单壳体谐振器的截面示意图。
图2是一种微单壳体谐振器的截面示意图。
图3是一种微单壳体谐振器的截面示意图。
图4是一种微单壳体谐振子的截面示意图。
图5A-图5F是复合结构基底的俯视图，表明平面电极的形式和分布。
其中，2-单壳体，4-单端柱，6-边沿，8-空心处，10-导电层，12-缘边，14-调制层，20-微单壳体谐振子，30-封装壳盖，32-平面部分，34-壳体部分，40-复合结构基底，42-外围绝缘部分，43-中间绝缘部分，44-内围绝缘部分，46-第二主体部分，48-导电通孔，50-平面电极，52-一般工作电极，52A-外边沿，52B-内边沿，54-环形激励电极，56-隔离电极，60-导电粘附层，62-隔离粘附层，70-导电引出层，72-第一引出层，74-第二引出层，80-中间层，100-微单壳体谐振器。
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。
实施例1
一种微单壳体谐振器100，包括：
封装壳盖30；
微单壳体谐振子20；
平面电极50；
带有多个导电通孔48的复合结构基底40；
其中，所述微单壳体谐振子20由单壳体2、位于单壳体2内部中心轴处的单端柱4组成；所述单端柱4的底部与单壳体2边沿6的底部齐平；所述单端柱4通过一层导电粘附层60与复合结构基底40中的一个导电通孔48连接引出；所述复合结构基底40上有平面电极50；所述平面电极50通过位于其下方的导电通孔48垂直引出；所述导电通孔48在复合结构基底40背面通过导电引出层70引出；所述封装壳盖30与带有多个导电通孔48的复合结构基底40封装，其内部为真空，内部放置有吸气剂。
所述微单壳体谐振子20的单壳体2边沿6有缘边12。
所述微单壳体谐振子20在复合结构基底40上的投影区域在平面电极50内边沿52A和外边沿52B之间。
所述微单壳体谐振子20的材质为不导电材料时，微单壳体谐振子20的表面覆盖有或部分覆盖有导电层10。
所述带导电通孔48的复合结构基底40为复合型基底，由导电通孔部分、电隔离部分和主体部分组成。
所述平面电极50包括一般工作电极52，一般工作电极52包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极；所述驱动电极和检测电极为扇形圆环，并中心对称。
所述平面电极50还包括一个环形激励电极54。
所述平面电极50还包括一个或多个隔离电极56。
所述封装壳盖30与复合结构基底40直接键合或通过一层中间层80键合实现真空封装。
所述微单壳体谐振子20与复合结构基底40之间的间距均匀，最佳间距由微单壳体谐振子20尺寸和真空封装后的真空度决定。
所述微单壳体谐振子20的材质为无定形材料、铁镍合金、氧化物的一种；所述无定形材料包括硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃、金属玻璃；所述金属玻璃为由金属成分组成的无定形类玻璃材料；所述氧化物是单一氧化物或者多种氧化物，包括氧化铝、63HfO2·37TiO2、HfO2·WO3·Ta2O5、Al2O3·TiO2、55Ta2O5·45WO3、37Ta2O5·63WO3，所述氧化铝可以是含有其他少量杂质的氧化铝，如蓝宝石、红宝石；所述铁镍合金为由铁、镍和其他少量成分组成的铁镍合金，包括因瓦合金、超因瓦合金、热膨胀系数极小的低膨胀铁镍合金Carperter Super Invar 32-5。
作为优选技术方案，所述微单壳体谐振子20直径小于10mm；所述单壳体2边沿6的厚度小于800um；所述微单壳体谐振子20的深宽比(即高度与半径的比值)范围为0.5-1.2；所述导电层10的厚度小于100nm；所述缘边12厚度和长度范围均小于800um；所述缘边12上有调制层14；所述平面电极50的厚度小于1um。
所述单壳体2的外表面与缘边12的上表面曲率连续(图4中的单壳体2的外表面与缘边12的上表面曲率不连续)。
所述微壳体谐振子20的工作频率选在3kHz-15kHz之间。
所述微单壳体谐振子20的壳体2的厚度从边沿6到极点沿经度方向减小。
所述单端柱4的形状不是圆柱体，而是直径从单端柱4的底面随高度变化的轴对称结构。
所述单端柱4为实心柱、空心柱、实心柱与空心柱的结合体中的一种。
所述电隔离部分材质为玻璃，所述主体部分的材料为硅或玻璃；所述导电通孔部分材质为导电材料，所述导电材料为高掺杂导电硅、因瓦合金、超因瓦合金、金属或金属玻璃中的一种。
所述封装壳盖30结构材料的热膨胀系数与复合结构基底40主体部分材料的热膨胀系数匹配。
所述微单壳体谐振子20与复合结构基底40的间距小于100um。
所述中间层80的材质是金属、硅、玻璃、有机物的一种。
所述吸气剂在真空封装前放入，吸气剂在封装壳盖30上或在复合结构基底40上，真空封装后进行激活。
所述吸气剂是锆基吸气剂，比如锆铝吸气剂(质量比锆为84％、铝为16％的金属粒子经高温熔炼制成的合金，激活温度为900℃)、锆钒铁吸气剂(锆、钒、铁组成的合金，其中锆占70％、钒占24.6％、铁占5.4％，激活温度为350℃左右)、钛锆钒吸气剂(合金的最低激活温度为300℃，其完全的激活温度为400℃)。
所述真空封装后的真空度优于0.1Pa，可以是0.01Pa、0.001Pa、0.0001Pa、0.00001Pa。图1是一种微单壳体谐振器的截面示意图。图中微单壳体谐振器100，包括封装壳盖30、微单壳体谐振子20、平面电极50和带有多个导电通孔48的复合结构基底40；封装壳体30包括平面部分32和壳体部分34；微单壳体谐振子20包括单壳体2和位于单壳体2内部中心轴处的单端柱4，单端柱4有一空心处8；复合结构基底40的主体部分为第一主体部分46；复合结构基底的电隔离部分包括外围绝缘部分42、中间绝缘部分43和内围绝缘部分44。导电粘附层60和导电引出层70的材料为导电材料，但导电粘附层60的材料选择倾向于粘附性更好的材料。导电通孔48在复合结构基底40背面通过导电引出层70实现电引出，导电引出层70包括第一引出层72和第二引出层74，其中第一引出层72的材料除了导电还有较强的粘附作用，比如金属铬、钛。
图2是一种微单壳体谐振器的截面示意图。与图1的区别在于微单壳体谐振器100的复合结构基底40的主体部分为外围绝缘部分42。
图3是一种微单壳体谐振器的截面示意图。与图1的区别在于微单壳体谐振器100封装壳盖30与复合结构基底40之间有一层中间层80。
图4是一种微单壳体谐振子20的截面示意图。微单壳体谐振子20包括单壳体2、位于单壳体2内部中心轴处的单端柱4和缘边12，微单壳体谐振子20的内表面和缘边12的下表面覆盖或部分覆盖有一层导电层10。缘边12上有调制层14。
图5A中复合结构基底40上有八个包括驱动电极、检测电极的一般工作电极52(包括52.1-52.8)；八个一般工作电极52的形状均为扇形圆环，并均匀分布于复合结构基底40上，且中心对称；电隔离部分包括外围绝缘部分42、中间绝缘部分43和内围绝缘部分44；复合结构基底40的主体部分为外围绝缘部分42。
图5B中复合结构基底40上有八个包括驱动电极、检测电极的一般工作电极52(包括52.1-52.8)；八个一般工作电极52的形状均为扇形圆环，并均匀分布于复合结构基底40上，且中心对称；电隔离部分包括外围绝缘部分42、中间绝缘部分43和内围绝缘部分44；复合结构基底40的主体部分为外围绝缘部分42。导电粘附层60延伸至相邻的一般工作电极52之间，形成隔离粘附层62。
图5C中复合结构基底40上有八个包括驱动电极、检测电极的一般工作电极52(包括52.1-52.8)和一个隔离电极56；八个一般工作电极52的形状均为扇形圆环，并均匀分布于复合结构基底40上，且中心对称；隔离电极56位于一般工作电极52的两两之间，且隔离电极56向内延伸并相交；电隔离部分包括外围绝缘部分42、中间绝缘部分43和内围绝缘部分44；复合结构基底40的主体部分为外围绝缘部分42。
图5D中复合结构基底40上有八个包括驱动电极、检测电极的一般工作电极52(包括52.1-52.8)和一个隔离电极56；八个一般工作电极52的形状均为扇形圆环，并均匀分布于复合结构基底40上，且中心对称；隔离电极56包围每个一般工作电极52，并将每个一般工作电极52隔离开来，但隔离电极56与一般工作电极52有一定的间距；电隔离部分包括外围绝缘部分42、中间绝缘部分43和内围绝缘部分44；复合结构基底40的主体部分为外围绝缘部分42。
图5E中复合结构基底40上有十六个包括驱动电极、检测电极的一般工作电极52(包括52.1.1-52.8.1及52.1.2-52.8.2)和一个环形激励电极54；其中，八个一般工作电极52.1.1-52.8.1、八个一般工作电极52.1.1-52.8.1分别围成两个圆环形，环形激励电极54位于这两个圆环形之间；电隔离部分包括外围绝缘部分42、中间绝缘部分43和内围绝缘部分44；复合结构基底40的主体部分为外围绝缘部分42。
图5F中复合结构基底40上有十六个包括驱动电极、检测电极的一般工作电极52(包括52.1.1-52.8.1及52.1.2-52.8.2)和一个环形激励电极54；其中，八个一般工作电极52.1.1-52.8.1、八个一般工作电极52.1.1-52.8.1分别围成两个圆环形，环形激励电极54位于这两个圆环形之间；电隔离部分包括外围绝缘部分42、中间绝缘部分43和内围绝缘部分44；复合结构基底40的主体部分为第二主体部分46。
图5A-F中平面电极50中的一般工作电极52数量不仅限于8个或16个，12个、20个、24个、28个和32个等其他偶数个也可以。
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 (10)

1.一种微单壳体谐振器，其特征在于：包括：
封装壳盖；
微单壳体谐振子；
平面电极；
带有多个导电通孔的复合结构基底；
其中，所述微单壳体谐振子由单壳体、位于单壳体内部中心轴处的单端柱组成，所述单端柱的底部与单壳体边沿的底部齐平；所述单端柱的底部通过一层导电粘附层与复合结构基底中的一个导电通孔连接引出；所述复合结构基底上有平面电极，所述平面电极通过位于其下方的导电通孔引出；所述导电通孔在复合结构基底背面通过导电引出层引出；所述封装壳盖与带有多个导电通孔的复合结构基底封装，其内部为真空，内部放置有吸气剂。
2.如权利要求1所述的微单壳体谐振器，其特征在于：所述微单壳体谐振子的材质为无定形材料、铁镍合金、氧化物的一种；所述微单壳体谐振子的材质为不导电材料时，微单壳体谐振子的内表面覆盖有或部分覆盖有导电层。
3.如权利要求1或2所述的微单壳体谐振器，其特征在于：所述微单壳体谐振子的单壳体边沿有缘边；所述缘边上有调制层。
4.如权利要求1所述的微单壳体谐振器，其特征在于：所述微单壳体谐振子在复合结构基底上的投影区域在平面电极内边沿和外边沿之间。
5.如权利要求1所述的微单壳体谐振器，其特征在于：所述复合结构基底由导电通孔部分、电隔离部分和主体部分组成。
6.如权利要求1所述的微单壳体谐振器，其特征在于：所述平面电极包括一般工作电极；所述一般工作电极包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极；所述驱动电极和检测电极为扇形圆环，并中心对称。
7.如权利要求6所述的微单壳体谐振器，其特征在于：所述平面电极还包括一个环形激励电极。
8.如权利要求6所述的微单壳体谐振器，其特征在于：所述平面电极还包括一个或多个隔离电极。
9.如权利要求1所述的微单壳体谐振器，其特征在于：所述封装壳盖与复合结构基底直接键合或通过一层中间层键合实现真空封装。
10.如权利要求1所述的微单壳体谐振器，其特征在于：所述微单壳体谐振子与复合结构基底之间的间距均匀。
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