CN108871302A - 电极谐振微陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电极谐振微陀螺，包括基体(1)、谐振体(2)；所述谐振体(2)设置在基体(1)上；所述基体(1)具有容纳腔(4)；所述谐振体(2)设置在容纳腔(4)内。所述谐振体(2)底部延伸出固定部(3)；所述容纳腔(4)设置有固定部容纳槽；所述固定部(3)与固定部容纳槽相匹配；所述固定部(3)固定在固定部容纳槽内。本发明提供的加工工艺为平面微细加工工艺，加工方便，利于批量生产；通过腐蚀二氧化硅牺牲层形成底部支撑柱，可以精准的控制支撑柱的大小，并实现结构的自对称。

Description

电极谐振微陀螺
技术领域
本发明属于微机电技术领域，具体地，涉及一种电极谐振微陀螺，尤其涉及一种镍电极半球谐振微陀螺。
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。基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，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。
经对现有技术的文献检索发现,中国专利“固体波动陀螺的谐振子及固体波动陀螺”(专利文献CN 101936734A)利用高性能的合金通过机械精密加工的方法制作出具有杯形振子的固体波动陀螺，杯形振子底盘上粘结有压电片作为驱动和检测电极，通过在驱动电极上施加一定频率的电压信号，对杯形振子施加压电驱动力，激励振子产生驱动模态下的固体波，当有杯形振子轴线方向角速度输入时，振子在科氏力作用下向另一简并的检测模态固体波转化，两个简并模态的固体波之间相位相差一定的角度，通过检测杯形振子底盘上检测电极输出电压的变化即可检测输入角速度的变化。
该专利文献存在如下不足：该固体波动陀螺杯形谐振体体积过大，限制了其在很多必须小体积条件下的应用；杯形振子底盘的压电电极是粘结到杯形振子上的，在高频振动下存在脱落的可能，可靠性不高；陀螺的加工工艺比较复杂，加工成本较高，不适合大批量生产；陀螺驱动模态和检测模态频率分裂较大，致使陀螺的带宽较大，品质因数很难提高；陀螺固定方式不稳定，难以适应需要高可靠性的场合。
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电极谐振微陀螺。
根据本发明提供一种电极谐振微陀螺，包括基体、谐振体；
所述谐振体设置在基体上；
所述基体具有容纳腔；所述谐振体设置在容纳腔内。
优选地，所述谐振体底部延伸出固定部；
所述容纳腔设置有固定部容纳槽；所述固定部与固定部容纳槽相匹配；所述固定部紧固连接在固定部容纳槽内。
优选地，还包括电极；
所述电极沿周向均匀分布在谐振体的周围；所述电极分布在基体的一个端面上。
优选地，所述电极呈圆环分段形状。
优选地，所述谐振体为球面或半球面。
优选地，所述电极的数量为多个；
多个所述电极之间沿谐振体的所在球体的球心呈中心对称。
优选地，所述电极与谐振体电连接。
优选地，相邻所述电极之间具有空隙；
所述基体的一个端面设置有凹槽；
所述电极设置在凹槽内，并与凹槽相匹配。
优选地，所述谐振体的材料为硼掺杂金刚石；
所述电极的材料为镍金属。
优选地，所述固定部的材料为二氧化硅。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、加工工艺为平面微细加工工艺，加工方便，利于批量生产；
2、通过腐蚀二氧化硅牺牲层形成底部支撑柱，可以精准的控制支撑柱的大小，并实现结构的自对称；
3、谐振体的支撑方式使其结构刚度增加，使得谐振体Q值增加，提高了检测灵敏度，这对输出信号较弱的固态陀螺来讲十分重要；
4、二氧化硅支撑结构使陀螺结构具有更大的抗冲击能力，使陀螺具有较好的抗冲击性；
5、通过电镀的方式在基板上制作镍电极，可以形成良好的导电性，且成本较低。
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为本发明提供的电极谐振微陀螺的立体结构示意图。
图2为本发明提供的电极谐振微陀螺的基体结构的俯视图。
图3为本发明提供的电极谐振微陀螺的基体结构的正视图。
图中附图标记如下表所示：
基体1
谐振体2
固定部3
容纳腔4
电极5
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种电极谐振微陀螺，包括基体1、谐振体2；所述谐振体2设置在基体1上；所述基体1具有容纳腔4；所述谐振体2设置在容纳腔4内。
所述谐振体2底部延伸出固定部3；所述容纳腔4设置有固定部容纳槽；所述固定部3与固定部容纳槽相匹配；所述固定部3紧固连接在固定部容纳槽内。
本发明提供的电极谐振微陀螺，还包括电极5；所述电极5沿周向均匀分布在谐振体2的周围；所述电极5分布在基体1的一个端面上。
所述电极5呈圆环分段形状。所述谐振体2为球面或半球面。
所述电极5的数量为多个；多个所述电极5之间沿谐振体2的所在球体的球心呈中心对称。
所述电极5与谐振体2电连接。
相邻所述电极5之间具有空隙；所述基体1的一个端面设置有凹槽；所述电极5设置在凹槽内，并与凹槽相匹配。
所述谐振体2的材料为硼掺杂金刚石；所述电极5的材料为镍金属。
所述固定部3的材料为二氧化硅。
下面对本发明提供的电极谐振微陀螺进行进一步说明：
如图1、图2所示，本发明提供的电极谐振微陀螺，优选地为镍电极半球谐振微陀螺，优选地，所述基体1优选的为圆柱体基体；所述谐振体2优选地为半球谐振体；所述支柱，即固定部3位于基体底部；空腔，即容纳腔4位于支柱的周围；所述电极5的数量优选的为十六个；所述电极5对称分布在基体1上；
其中：优选地，所述半球谐振体受到所述支柱固定，位于所述空腔中；所述镍电极，即电极5通过电镀的方式和所述圆柱形基体，即基体1连接在一起。
所述半球谐振体的材料为硼掺杂金刚石，由在所述容纳腔4表面沉积一层薄膜形成半球面。
十六个所述电极5的材料为镍金属，通过借助例如截面形状为正方形的掩模板，在圆柱体基体上掺杂从而形成电极5；所述电极5对称分布于基体1上表面，用于施加电压对所述半球谐振体进行驱动，以及检测垂直于半球谐振体上表面的角速度。
所述底部支撑柱，即固定部3的材料为二氧化硅。
本发明中的谐振体2优选地为半环形结构。
本实施例中，半球谐振体的驱动模态和检测模态互相匹配，具体地说，当本发明中的半球谐振体的空间对称性高时形成模态匹配；当本发明中的半球谐振体的空间对称性低时模态匹配很难形成。因此，所述驱动模态和检测模态的振型相似，只互相相差一定的角度；驱动模态和检测模态当中不含其它振动模态，频率分裂小；
本发明的镍电极半球谐振微陀螺，利用硅材料和掺杂技术，采用MEMS平面微细加工工艺，利用牺牲层工艺在基板旋涂厚光刻胶如SU-8光刻胶，利用制作好的掩模板进行光刻；之后显影、图形化，得到经过加工后的基体，具体地为，首先，一根位于基体底部的支柱和一个存在于支柱周围的空腔；然后通过在空腔表面沉积一层薄膜的方式得到一个半球谐振体；最后，腐蚀二氧化硅牺牲层，形成镍电极半球谐振微陀螺的整体结构。
需要说明的是，如图1和图2所示，所述谐振体2与容纳腔4之间存在空隙，实际上谐振体2是容纳腔4形成的薄膜，图1和图2只是为了分别清楚地显示谐振体2、容纳腔4。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种电极谐振微陀螺，其特征在于，包括基体(1)、谐振体(2)；
所述谐振体(2)设置在基体(1)上；
所述基体(1)具有容纳腔(4)；所述谐振体(2)设置在容纳腔(4)内。
2.根据权利要求1所述的电极谐振微陀螺，其特征在于，所述谐振体(2)底部延伸出固定部(3)；
所述容纳腔(4)设置有固定部容纳槽；所述固定部(3)与固定部容纳槽相匹配；所述固定部(3)紧固连接在固定部容纳槽内。
3.根据权利要求1所述的电极谐振微陀螺，其特征在于，还包括电极(5)；
所述电极(5)沿周向均匀分布在谐振体(2)的周围；所述电极(5)分布在基体(1)的一个端面上。
4.根据权利要求3所述的电极谐振微陀螺，其特征在于，所述电极(5)呈圆环分段形状。
5.根据权利要求1所述的电极谐振微陀螺，其特征在于，所述谐振体(2)为球面或半球面。
6.根据权利要求3所述的电极谐振微陀螺，其特征在于，所述电极(5)的数量为多个；
多个所述电极(5)之间沿谐振体(2)的所在球体的球心呈中心对称。
7.根据权利要求6所述的电极谐振微陀螺，其特征在于，所述电极(5)与谐振体(2)电连接。
8.根据权利要求7所述的电极谐振微陀螺，其特征在于，相邻所述电极(5)之间具有空隙；
所述基体(1)的一个端面设置有凹槽；
所述电极(5)设置在凹槽内，并与凹槽相匹配。
9.根据权利要求3所述的电极谐振微陀螺，其特征在于，所述谐振体(2)的材料为硼掺杂金刚石；
所述电极(5)的材料为镍金属。
10.根据权利要求2所述的电极谐振微陀螺，其特征在于，所述固定部(3)的材料为二氧化硅。
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