CN107036705B - 集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器 - Google Patents

集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，包括微壳体谐振子、双维电极和基底，微壳体谐振子包括壳体、单端柱和非常规边缘，单端柱位于壳体的内部中心轴处，单端柱的底部与非常规边缘的底部齐平，双维电极包括平面电极和非平面电极，平面电极用于感应微壳体谐振子的径向运动，非平面电极用于感应微壳体谐振子的轴向运动，且非平面电极位于非常规边缘的下方，基底中嵌有导电通孔，基底的背面设有导电引出层，单端柱的底部通过导电粘附层与导电通孔连接，且导电通孔通过导电引出层引出。本发明解决了微壳体谐振陀螺中电容较小的问题以及如何有利于陀螺的控制和检测的问题。

Description

集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)领域，具体涉及了一种三维振动传感器。
背景技术
为实现高性能微壳体谐振陀螺，中国发明专利申请“微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法”(专利公开号：CN 105540530 A)提出了一种嵌入式硅电极，这种电极嵌入在复合结构基底中，驱动和检测微壳体谐振子，但电极与微壳体谐振子的面积较小，导致电容较小，如果增大电容，则需减小电极与微壳体谐振子的间距，但这种设计提高了后续封装的难度，尤其对于MEMS器件的封装，封装的真空度较难达到10-2Pa-10-5Pa，间距减小到1um后需要很高的真空度，因此设计时倾向于增大面积；“微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法”中的电容取决于壳体边缘的厚度，而厚度由于工作频率的限制，一般在300um以下，这就大大降低了面积，并且陀螺的控制和检测需要多个电极，一般为16个或20个等4的倍数个，当电极数量较多时，单个电极与微壳体谐振子的电容进一步减小。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，解决微壳体谐振陀螺中电容较小的问题以及如何有利于陀螺的控制和检测的问题。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，包括微壳体谐振子、双维电极和基底，所述微壳体谐振子包括壳体、单端柱和非常规边缘，所述单端柱位于壳体的内部中心轴处，单端柱的底部与非常规边缘的底部齐平，所述双维电极包括平面电极和非平面电极，所述平面电极用于感应微壳体谐振子的径向运动，所述非平面电极用于感应微壳体谐振子的轴向运动，且非平面电极位于非常规边缘的下方，所述基底中嵌有导电通孔，基底的背面设有导电引出层，单端柱的底部通过导电粘附层与导电通孔连接，且导电通孔通过导电引出层引出。
基于上述技术方案的优选方案，所述非常规边缘的底面与非平面电极平行，且非常规边缘的底面的投影位于非平面电极的内边沿和外边沿之间，非常规边缘的底面与非平面电极形成电容。
基于上述技术方案的优选方案，所述非平面电极为柱状电极，且所述柱状电极包括至少一层工作电极，各层工作电极同轴设置但直径不同，每层工作电极包括4n个均匀排布的子电极，n取正整数。
基于上述技术方案的优选方案，所述非平面电极还包括隔离电极，用于将每层工作电极中相邻的子电极隔开。
基于上述技术方案的优选方案，当非平面电极包括m层工作电极时，在相邻层工作电极之间设有环形激励电极，m≥2。
基于上述技术方案的优选方案，所述非常规边缘的内、外两侧面中至少有一侧为光滑柱面；当非常规边缘仅内侧面为光滑柱面时，所述平面电极仅包括位于微壳体谐振子内侧的内电极，非常规边缘的内侧面与内电极形成电容；当非常规边缘仅外侧面为光滑柱面时，所述平面电极仅包括位于微壳体谐振子外侧的外电极，非常规边缘的外侧面与外电极形成电容；当非常规边缘的内、外两侧面均为光滑柱面时，所述平面电极包括位于微壳体谐振子内侧的内电极和位于微壳体谐振子外侧的外电极，非常规边缘的内侧面与内电极形成电容，非常规边缘的外侧面与外电极形成电容。
基于上述技术方案的优选方案，所述内电极和外电极均为柱状电极，且所述柱状电极包括一层工作电极，该层工作电极包括4n个均匀排布的子电极，n取正整数。
基于上述技术方案的优选方案，内电极的各子电极与非常规边缘的内侧面的间距相等，外电极的各子电极与非常规边缘的外侧面的间距相等。
基于上述技术方案的优选方案，所述微壳体谐振子的材质为无定形材料、铁镍合金、单一氧化物和多氧化物混合物中的一种；当微壳体谐振子的材质为不导电材料时，微壳体谐振子的表面完全或部分覆盖有导电层。
基于上述技术方案的优选方案，所述非平面电极设置在基底的表面或嵌入基底内部。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明设计的微壳体谐振子的非常规边缘可以增大或减小微壳体谐振子的有效质量，有效质量对陀螺的随机游走、工作频率、刚度等有重要的影响，通过改变非常规边缘可以调节以上各个参数以达到最优。
本发明采用了双维电极，双维电极包括平面电极和非平面电极，平面电极感应微壳体谐振子的径向运动，非平面电极感应微壳体谐振子的轴向运动。微壳体谐振子的非常规边缘内、外侧至少有一侧为光滑柱面，这种情形下分别可制作对应的内电极或外电极，电极制作的难度大大降低；此外，增加内电极或外电极，可以减少非平面电极中的一般工作电极的数量，因此增大了电容。增加内电极或外电极，电极工作的方式的选择性大大增加：可以非平面电极全部用作检测，内电极或外电极全部用作激励或控制；可以内电极或外电极全部用作检测，非平面电极全部用作激励或控制；可以部分内电极或部分外电极用作检测，可以部分非平面电极用作激励或控制等等，电极工作功能的选择性大大增强；如果只有非平面电极，非平面电极需检测、激励和控制谐振子，因此数量不少于8个，相应的电容不大，需要减小非平面电极与谐振子的间距或增大电压。
附图说明
图1-图4分别为4种集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器的截面示意图；
图5A-图5F分别为6种微壳体谐振子的截面示意图；。
图6是平面电极在基底上的投影图；
图7A-图7E分别为5种非平面电极在基底上的俯视图或者是非平面电极嵌入基底中的俯视图。
标号说明：10-微壳体谐振子，12-壳体，14-单端柱，16-空心处，20-非常规边缘，22-非常规边缘的外侧面，23-壳体外表面与非常规边缘的外侧面的连接处，24-非常规边缘的内侧面，25-壳体内表面与非常规边缘的内侧面的连接处，26-非常规边缘的底面，27-非常规边缘在基底的投影，32-外电极，34-内电极，40-基底，42-基底的主体部分，44-导电通孔，50-非平面电极，52-工作电极，52A-非平面电极外边沿，52B-非平面电极内边沿，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，100-集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
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。
集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器100，包括微壳体谐振子10、双维电极和基底40，所述微壳体谐振子10包括壳体12、单端柱14和非常规边缘20，所述单端柱14位于壳体12的内部中心轴处，单端柱14的底部与非常规边缘20的底部齐平，所述双维电极包括平面电极和非平面电极50，所述平面电极用于感应微壳体谐振子10的径向运动，所述非平面电极50用于感应微壳体谐振子10的轴向运动，且非平面电极50位于非常规边缘20的下方，所述基底40中嵌有导电通孔44，基底40的背面设有导电引出层70，单端柱14的底部通过导电粘附层60与导电通孔44连接，且导电通孔44通过导电引出层70引出。
作为优选方案，微壳体谐振子10的材质为无定形材料、铁镍合金、单一氧化物和多氧化物混合物中的一种。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、金属玻璃等。所述氧化物包括氧化铝、63HfO2·37TiO2、HfO2·WO3·Ta2O5、Al2O3·TiO2、55Ta2O5·45WO3、37Ta2O5·63WO3等。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。
作为优选方案，微壳体谐振子10直径小于10mm。对于直径大于10mm的微壳体谐振子10，可以采用新型三维MEMS工艺(发泡法、玻璃吹制或玻璃模具成型等玻璃成型技术)制备，也可以采用传统的精密机械加工制备。
作为优选方案，所述微壳体谐振子10的深宽比(即高度与半径的比值)范围为0.5-1.2。微壳体谐振子10的工作频率选在3kHz-30kHz之间。
作为优选方案，所述单端柱14的形状可以是圆柱体，也可以是直径随高度变化的轴对称结构。单端柱4可以是全空心柱、全实心柱、实心柱与空心柱的结合体中的一种。
作为优选方案，所述微壳体谐振子10与基底40的间距小于100um。
作为优选方案，所述微壳体谐振子10与平面电极的间距小于100um。
非常规边缘20的内、外两侧面24、22中至少有一侧为光滑柱面；当非常规边缘20仅内侧面24为光滑柱面时，所述平面电极仅包括位于微壳体谐振子10内侧的内电极34，非常规边缘20的内侧面24与内电极34形成电容；当非常规边缘20仅外侧面22为光滑柱面时，所述平面电极仅包括位于微壳体谐振子10外侧的外电极32，非常规边缘20的外侧面22与外电极32形成电容；当非常规边缘20的内、外两侧面24、22均为光滑柱面时，所述平面电极包括位于微壳体谐振子10内侧的内电极34和位于微壳体谐振子10外侧的外电极32，非常规边缘20的内侧面24与内电极34形成电容，非常规边缘20的外侧面22与外电极32形成电容。
图1是一种集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器的截面示意图。非平面电极50设置在基底40表面。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44在基底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。非常规边缘内、外侧面均为光滑柱面，相应地，有外电极32和内电极34。单端柱14有空心处16。
图2是另一种集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器的截面示意图。与图1的区别在于非平面电极50嵌入在基底40中，成为基底40的一部分。
图3是另一种集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器的截面示意图。与图1的区别在于非常规边缘只有内侧面为光滑柱面，相应地，只有内电极34。
图4是另一种集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器的截面示意图。与图1的区别在于非常规边缘只有外侧面为光滑柱面，相应地，只有外电极32。
图5A为一种微壳体谐振子的截面示意图，非常规边缘20的内、外侧面24、22均为光滑柱面，壳体12外表面与非常规边缘20的外侧面22的连接处23曲率不连续，壳体12内表面与非常规边缘20的内侧面24的连接处25曲率不连续。
图5B为另一种微壳体谐振子的截面示意图，非常规边缘20仅内侧面24为光滑柱面，壳体12内表面与非常规边缘20的内侧面24的连接处25曲率不连续。
图5C为另一种微壳体谐振子的截面示意图，非常规边缘20仅外侧面22为光滑柱面，壳体12外表面与非常规边缘20的外侧面22的连接处23曲率不连续。
图5D为另一种微壳体谐振子的截面示意图，非常规边缘20的内、外侧面24、22均为光滑柱面，壳体12外表面与非常规边缘20的外侧面22的连接处23曲率连续，壳体12内表面与非常规边缘20的内侧面24的连接处25曲率连续。
图5E为另一种微壳体谐振子的截面示意图，非常规边缘20仅内侧面24为光滑柱面，壳体12内表面与非常规边缘20的内侧面24的连接处25曲率连续。
图5F为另一种微壳体谐振子的截面示意图，非常规边缘20仅外侧面22为光滑柱面，壳体12外表面与非常规边缘20的外侧面22的连接处23曲率连续。
图5A-F表现了五种微壳体谐振子10的非常规边缘20的变化，在以上基础上不脱离图中的基本准则的情况下，非常规变化可以产生多种变化，如壳体的外、内表面与非常规边缘的外侧面、内侧面的连接处可以一个的曲率连续，一个的曲率不连续。
图6为平面电极在基底上的投影图。平面电极可以是本身导电的圆环柱体，也可以在圆环柱体对应微壳体谐振子10的曲面上的镀一层很薄的导体(如金属)。平面电极包括内电极和外电极，每个电极包括8个工作子电极32.1-32.8、34.1-34.8，但并不仅限于8个，4个、12个、16个、20个、24个等其他4n个也可以。
图7A为一种非平面电极在基底上的投影图。该图可以表示基底40上有八个一般工作电极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，并均匀分布于基底40上，且中心对称；图7A也可以表示基底40嵌入有八个一般工作电极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，并均匀分布于基底40中，且中心对称。基底40中的导电通孔44在图中未标出。
图7B为另一种非平面电极在基底上的投影图。该图可以表示基底40上有八个一般工作电极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，并均匀分布于基底40上，且中心对称；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7B也可以表示基底40嵌入有八个一般工作电极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，并均匀分布于基底40中，且中心对称；在隔离粘附层62下可以有一个俯视图形状一样的导电通孔，用于隔离一般工作电极52。基底40中的导电通孔44在图中未标出。
图7C为另一种非平面电极在基底上的投影图。该图可以表示基底40上有八个一般工作电极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。图7C也可以表示基底40嵌入有八个的一般工作电极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，并均匀分布于基底40中，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。基底40中的导电通孔44在图中未标出。
图7D为另一种非平面电极在基底上的投影图。该图可以表示基底40上有八个一般工作电极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。图7D也可以表示基底40嵌入有八个一般工作电极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，并均匀分布于基底40中，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。基底40中的导电通孔44在图中未标出。
图7E为另一种非平面电极在基底上的投影图。该图可以表示基底40上有十六个一般工作电极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52.1.2-52.8.2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。图7E可以表示基底40嵌入有十六个一般工作电极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52.1.2-52.8.2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。基底40中的导电通孔44在图中未标出。
图7A-E中非平面电极50中的一般工作电极52数量不仅限于8个，4个、12个、16个、20个、24个等其他4n个也可以。图7A-E中仅仅表现了五种非平面电极，在以上基础上在不脱离图中基本准则的情况下，非平面电极可以产生多种变化。
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.集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，其特征在于：包括微壳体谐振子(10)、双维电极和基底(40)，所述微壳体谐振子(10)包括壳体(12)、单端柱(14)和非常规边缘(20)，所述单端柱(14)位于壳体(12)的内部中心轴处，单端柱(14)的底部与非常规边缘(20)的底部齐平，所述双维电极包括平面电极和非平面电极(50)，所述平面电极用于感应微壳体谐振子(10)的径向运动，所述非平面电极(50)用于感应微壳体谐振子(10)的轴向运动，且非平面电极(50)位于非常规边缘(20)的下方，所述基底(40)中嵌有导电通孔(44)，基底(40)的背面设有导电引出层(70)，单端柱(14)的底部通过导电粘附层(60)与导电通孔(44)连接，且导电通孔(44)通过导电引出层(70)引出。
2.根据权利要求1所述集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，其特征在于：所述非常规边缘(20)的底面与非平面电极(50)平行，且非常规边缘(20)的底面的投影位于非平面电极(50)的内边沿(52B)和外边沿(52A)之间，非常规边缘(20)的底面与非平面电极(50)形成电容。
3.根据权利要求1所述集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，其特征在于：所述非平面电极(50)为柱状电极，且所述柱状电极包括至少一层工作电极，各层工作电极同轴设置但直径不同，每层工作电极包括4n个均匀排布的子电极，n取正整数。
4.根据权利要求3所述集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，其特征在于：所述非平面电极(50)还包括隔离电极，用于将每层工作电极中相邻的子电极隔开。
5.根据权利要求3所述集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，其特征在于：当非平面电极(50)包括m层工作电极时，在相邻层工作电极之间设有环形激励电极，m≥2。
6.根据权利要求1所述集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，其特征在于：所述非常规边缘(20)的内、外两侧面(24、22)中至少有一侧为光滑柱面；当非常规边缘(20)仅内侧面(24)为光滑柱面时，所述平面电极仅包括位于微壳体谐振子(10)内侧的内电极(34)，非常规边缘(20)的内侧面(24)与内电极(34)形成电容；当非常规边缘(20)仅外侧面(22)为光滑柱面时，所述平面电极仅包括位于微壳体谐振子(10)外侧的外电极(32)，非常规边缘(20)的外侧面(22)与外电极(32)形成电容；当非常规边缘(20)的内、外两侧面(24、22)均为光滑柱面时，所述平面电极包括位于微壳体谐振子(10)内侧的内电极(34)和位于微壳体谐振子(10)外侧的外电极(32)，非常规边缘(20)的内侧面(24)与内电极(34)形成电容，非常规边缘(20)的外侧面(22)与外电极(32)形成电容。
7.根据权利要求6所述集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，其特征在于：所述内电极(34)和外电极(32)均为柱状电极，且所述柱状电极包括一层工作电极，该层工作电极包括4n个均匀排布的子电极，n取正整数。
8.根据权利要求7所述集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，其特征在于：内电极(34)的各子电极与非常规边缘(20)的内侧面(24)的间距相等，外电极(32)的各子电极与非常规边缘(20)的外侧面(22)的间距相等。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，其特征在于：所述微壳体谐振子(10)的材质为无定形材料、铁镍合金、单一氧化物和多氧化物混合物中的一种；当微壳体谐振子(10)的材质为不导电材料时，微壳体谐振子(10)的表面完全或部分覆盖有导电层。
10.根据权利要求1-8中任意一项所述集成双维电极的带非常规边缘的微三维轴对称振动传感器，其特征在于：所述非平面电极(50)设置在基底(40)的表面或嵌入基底(40)内部。
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