CN112414388B - 用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构及加工方法，该电容结构包括电容本体，所述电容本体上开设有用于与谐振子连接的插孔，其特征在于，所述电容本体包括柱形结构体，所述柱形结构体上设有第一导电覆盖层，所述第一导电覆盖层在所述柱形结构体上沿周向均匀分布形成多个平面电极，各个平面电极上均对应设置有向上延伸并相互靠拢弯曲的弯曲电极基材，且每个弯曲电极基材的外侧表面呈球弧面形并设有第二导电覆盖层形成球面电极，使得各个相互靠拢弯曲的弯曲电极基材构成一个整体呈半球状的半球形结构体。本发明的电容结构体积小、重量轻、读出信号强、精度高且还能避免分时控制模式导致的误差。

Description

用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构及加工方法

技术领域

本发明涉及陀螺仪及时领域，具体涉及一种用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构及加工方法。

背景技术

半球谐振陀螺和传统陀螺相比，具有体积小、精度高、可靠性高、寿命长等特点，在诸如卫星姿态控制、航天器导航、石油勘测等领域具有明显的优势，是目前国内外高精度陀螺的热门研究方向。

半球谐振陀螺需要在一定的外力激励条件下形成四波腹振动，从而具备敏感角速率的性能。半球谐振陀螺敏感头正常工作时，其驱动和检测都由电极完成。电极指的是，半球谐振陀螺谐振子本身通电，和电容结构8形成电容器的两端，称之为一对电极，半球谐振陀螺的电极主要包括激励电极和读出电极，其中激励电极受交变电压影响产生周期变化的电场，从而激励谐振子振动；振动又造成读出电极电容发生变化，进而读出振动信号，以控制谐振陀螺振动，解算出角速率。这种电容激励的控制方式，是一类非接触式控制方式，具有控制精度高，信号拾取方便等优点，也被广泛应用于半球谐振陀螺以及微半球谐振陀螺的激励与控制。

为给半球谐振陀螺谐振子施加控制信号，并及时读出其反馈信号，常用的结构有两种，一种是读出电极与激励电极均采用球面电极，读出电极与激励电极分别在两个石英部件上，这种结构称之为“三件套”结构，其特点是读出信号强，精度高，但体积及重量较大；另一种是读出电极与激励电极均采用平面电极，读出电极与激励电极均在一个平板石英结构上，这种结构称之为“两件套”，其特点是体积小，重量轻，但读出信号较弱，且需要分时控制，精度相比“三件套”结构较低，且控制难度较大。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种体积小、重量轻、读出信号强、精度高且还能避免分时控制模式导致的误差的用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，包括电容本体，所述电容本体上开设有用于与谐振子连接的插孔，所述电容本体包括柱形结构体，所述柱形结构体上设有第一导电覆盖层，所述第一导电覆盖层在所述柱形结构体上沿周向均匀分布形成多个平面电极，各个平面电极上均对应设置有向上延伸并相互靠拢弯曲的弯曲电极基材，且每个弯曲电极基材的外侧表面呈球弧面形并设有第二导电覆盖层形成球面电极，使得各个相互靠拢弯曲的弯曲电极基材构成一个整体呈半球状的半球形结构体。

这样，将电容结构的平面电极和球面电极分别设置在柱形结构体和弯曲电极基材上，这样就可以对平面电极和球面电极进行同时控制，从而避免了分时控制模式导致的误差，保证了测量精度；同时将平面电极布置在柱形结构体上，从而可以使得平面电极在竖向空间占据的空间大大减小，这样就使得电容结构整体的体积大大减小，重量也大大减轻。

优选的，在每个所述平面电极上开设有第一导电引出孔，在每个球面电极上开设有第二导电引出孔，所述第一导电引出孔和所述第二导电引出孔的内壁上通过电镀或涂覆导电浆料的方式进行导电处理。

这样，各平面电极的信号通过对应位置的第一导电引出孔引出，通过对第一导电引出孔内壁上进行导电处理来保证第一导电引出孔处具有良好的导电性能，各球面电极的信号通过对应位置的第二导电引出孔引出，通过对第二导电引出孔内壁上进行导电处理来保证第二导电引出孔处具有良好的导电性能。

优选的，所述平面电极共八个，八个所述平面电极均匀分布在所述柱形结构体朝向所述半球形结构体的端面，所球面电极共八个，八个所述球面电极均匀分布在所述半球形结构体的表面。

这样，通过设置八个平面电极和球面电极，并将八个平面电极和球面电极均匀分布在柱形结构体和半球形结构体上，这样可以使得平面电极和球面电极从八个不同的位置对谐振子的微幅振动进行检测，提高检测的精度。

优选的，在所述柱形结构体的外表面还依次设有第一保护层和第一钝化层，且所述第一导电覆盖层覆盖在所述第一钝化层外，所述弯曲电极基材的外表面还依次设有第二保护层和第二钝化层，且所述第二导电覆盖层覆盖在所述第二钝化层外。

优选的，所述柱形结构体与所述半球形结构体之间还设有中间结构体，所述中间结构体包括柱状部和弧形部，所述中间结构体的柱状部的下端面与所述柱形结构体连接，所述中间结构体的弧形部的上端面与所述半球形结构体连接。

这样，通过中间结构体实现柱形结构体与半球形结构体之间的连接，以使得中间结构体、柱形结构体和半球形结构体三者共同形成完整的电容结构。

优选的，相邻两个所述球面电极之间具有间隙，以实现相邻两个所述球面电极之间的绝缘处理；相邻两个所述平面电极之间通过激光刻蚀或光刻的方式去除相邻两个所述平面电极之间的第一导电覆盖层，以实现相邻两个所述平面电极之间的绝缘处理。

这样，通过对相邻两个球面电极和相邻两个平面电极进行绝缘处理，保证各球面电极和平面电极的正常工作。

优选的，所述电容本体采用熔融石英材料制成。

这样，电容本体采用熔融石英材料制成，这是因为熔融石英具有各向同性的力学特性，同时具有很小的阻尼，使用熔融石英制成的半球谐振陀螺的谐振子具备更好的振动特性；与谐振子直接配合的电容本体也使用熔融石英制成，可以保证相同的热膨胀系数，降低由温度引起的测量误差。

优选的，所述第一保护层、所述第一钝化层、所述第一导电覆盖层、所述第二保护层、所述第二钝化层、所述第二导电覆盖层均由贵金属形成，且所述第一导电覆盖层和所述第二导电覆盖层的厚度为100~3000埃，所述第一钝化层和所述第二钝化层的厚度为100~3000埃，所述第一保护层和所述第二保护层的厚度为100~3000埃。

用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构的加工方法，采用上述用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，其中在将所述第一导电覆盖层和所述第二导电覆盖层分别沉积到所述柱形结构体和所述弯曲电极基材后，在400℃-550℃的温度范围内对所述第一导电覆盖层和所述第二导电覆盖层进行退火处理。

这样，将第一导电覆盖层和第二导电覆盖层分别沉积到柱形结构体和弯曲电极基材后，在400℃-550℃的温度范围内对第一导电覆盖层和第二导电覆盖层进行退火处理，这样可以使得第一导电覆盖层形成的平面电极和第二导电覆盖层形成的球面电极具有良好的导电性能，进而保证电容结构的工作性能。

优选的，在所述柱形结构体的外表面还依次设有第一保护层和第一钝化层，且所述第一导电覆盖层覆盖在所述第一钝化层外，所述弯曲电极基材的外表面还依次设有第二保护层和第二钝化层，且所述第二导电覆盖层覆盖在所述第二钝化层外；

所述平面电极采用以下步骤制成：

步骤1）采用掩膜或激光刻蚀的方法将第一保护层沉积在所述柱形结构体上用于形成所述平面电极的区域；

步骤2）将第一钝化层沉积在所述第一保护层的表面；

步骤3）将第一导电覆盖层沉积在所述第一钝化层的表面，然后在400℃-550℃的温度范围内进行退火处理；

步骤4）将相邻两个所述平面电极之间通过激光刻蚀或光刻的方式去除相邻两个所述平面电极之间的第一导电覆盖层，以实现相邻两个所述平面电极之间的绝缘处理；

所述球面电极采用以下步骤制成：

步骤1）采用掩膜或激光刻蚀的方法将第二保护层沉积在所述弯曲电极基材上用于形成所述球面电极的区域；

步骤2）将第二钝化层沉积在所述第二保护层的表面；

步骤3）将第二导电覆盖层沉积在所述第二钝化层的表面，然后在400℃-550℃的温度范围内进行退火处理；

步骤4）将相邻两个所述球面电极之间间隙设置，以实现相邻两个所述球面电极之间的绝缘处理。

附图说明

图1为本发明用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构的结构示意图；

图2为本发明用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构的仰视图；

图3为本发明用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构的俯视图；

图4为本发明用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构的正视图。

附图标记说明：半球形结构体1、球面电极2、第二导电引出孔3、中间结构体4、柱形结构体5、平面电极6、第一导电引出孔7、插孔8、弯曲电极基材9。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如附图1到附图3所示，用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，包括电容本体，电容本体上开设有用于与谐振子连接的插孔8，电容本体包括柱形结构体5，柱形结构体5上设有第一导电覆盖层，第一导电覆盖层在柱形结构体5上沿轴向均匀分布形成多个平面电极6，各个平面电极6上均对应设置有向上延伸并相互靠拢弯曲的弯曲电极基材9，且每个弯曲电极基材9的外侧表面呈球弧面形并设有第二导电覆盖层形成球面电极2，使得各个相互靠拢弯曲的弯曲电极基材9构成一个整体呈半球状的半球形结构体1。

这样，将电容结构的平面电极6和球面电极2分别设置在柱形结构体5和弯曲电极基材9上，这样就可以对平面电极6和球面电极2进行同时控制，从而避免了分时控制模式导致的误差，保证了测量精度；同时将平面电极6布置在柱形结构体5上，从而可以使得平面电极6在竖向空间占据的空间大大减小，这样就使得电容结构整体的体积大大减小，重量也大大减轻。

在本实施例中，在每个平面电极6上开设有第一导电引出孔7，在每个球面电极2上开设有第二导电引出孔3，第一导电引出孔7和第二导电引出孔3的内壁上通过电镀或涂覆导电浆料的方式进行导电处理。具体实施时，第一导电引出孔7和第二导电引出孔3的处理不限于上述方法，只要能第一导电引出孔7和第二导电引出孔3的导电功能即可。

这样，各平面电极6的信号通过对应位置的第一导电引出孔7引出，通过对第一导电引出孔7内壁上进行导电处理来保证第一导电引出孔7处具有良好的导电性能，各球面电极2的信号通过对应位置的第二导电引出孔3引出，通过对第二导电引出孔3内壁上进行导电处理来保证第二导电引出孔3处具有良好的导电性能。

在本实施例中，平面电极6共八个，八个平面电极6均匀分布在柱形结构体5朝向半球形结构体1的端面，所球面电极2共八个，八个球面电极2均匀分布在半球形结构体1的表面。具体使用时，平面电极6和球面电极2的数量不限于八个。

这样，通过设置八个平面电极6和球面电极2，并将八个平面电极6和球面电极2均匀分布在柱形结构体5和半球形结构体1上，这样可以使得平面电极6和球面电极2从八个不同的位置对谐振子的微幅振动进行检测，提高检测的精度。

在本实施例中，在柱形结构体5的外表面还依次设有第一保护层和第一钝化层，且第一导电覆盖层覆盖在第一钝化层外，弯曲电极基材9的外表面还依次设有第二保护层和第二钝化层，且第二导电覆盖层覆盖在第二钝化层外。

如附图4所示，在本实施例中，柱形结构体5与半球形结构体1之间还设有中间结构体4，中间结构体4包括柱状部和弧形部，中间结构体4的柱状部的下端面与柱形结构体5连接，中间结构体4的弧形部的上端面与半球形结构体1连接。

这样，通过中间结构体4实现柱形结构体5与半球形结构体1之间的连接，以使得中间结构体4、柱形结构体5和半球形结构体1三者共同形成完整的电容结构。

在本实施例中，相邻两个球面电极2之间具有间隙，以实现相邻两个球面电极2之间的绝缘处理；相邻两个平面电极6之间通过激光刻蚀或光刻的方式去除相邻两个平面电极6之间的第一导电覆盖层，以实现相邻两个平面电极6之间的绝缘处理。具体操作时不限于上述方法，只要能实现相邻两个球面电极2和相邻两个平面电极6之间的绝缘处理即可。

这样，通过对相邻两个球面电极2和相邻两个平面电极6进行绝缘处理，保证各球面电极2和平面电极6的正常工作。

在本实施例中，电容本体采用熔融石英材料制成。

这样，电容本体采用熔融石英材料制成，这是因为熔融石英具有各向同性的力学特性，同时具有很小的阻尼，使用熔融石英制成的半球谐振陀螺的谐振子具备更好的振动特性；与谐振子直接配合的电容本体也使用熔融石英制成，可以保证相同的热膨胀系数，降低由温度引起的测量误差。

在本实施例中，第一保护层、第一钝化层、第一导电覆盖层、第二保护层、第二钝化层、第二导电覆盖层均由贵金属形成，具体使用时，可以选择铂，也可以选择其他贵金属，且第一导电覆盖层和第二导电覆盖层的厚度为100~3000埃，第一钝化层和第二钝化层的厚度为100~3000埃，第一保护层和第二保护层的厚度为100~3000埃。

用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构的加工方法，采用上述用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，其中在将第一导电覆盖层和第二导电覆盖层分别沉积到柱形结构体5和弯曲电极基材9后，在400℃-550℃的温度范围内对第一导电覆盖层和第二导电覆盖层进行退火处理。

这样，将第一导电覆盖层和第二导电覆盖层分别沉积到柱形结构体5和弯曲电极基材9后，在400℃-550℃的温度范围内对第一导电覆盖层和第二导电覆盖层进行退火处理，这样可以使得第一导电覆盖层形成的平面电极6和第二导电覆盖层形成的球面电极2具有良好的导电性能，进而保证电容结构的工作性能。

在本实施例中，在柱形结构体5的外表面还依次设有第一保护层和第一钝化层，且第一导电覆盖层覆盖在第一钝化层外，弯曲电极基材9的外表面还依次设有第二保护层和第二钝化层，且第二导电覆盖层覆盖在第二钝化层外；

平面电极6采用以下步骤制成：

步骤1）采用掩膜或激光刻蚀的方法将第一保护层沉积在柱形结构体5上用于形成平面电极6的区域；

步骤2）将第一钝化层沉积在第一保护层的表面；

步骤3）将第一导电覆盖层沉积在第一钝化层的表面，然后在400℃-550℃的温度范围内进行退火处理；

步骤4）将相邻两个平面电极6之间通过激光刻蚀或光刻的方式去除相邻两个平面电极6之间的第一导电覆盖层，以实现相邻两个平面电极6之间的绝缘处理；

球面电极2采用以下步骤制成：

步骤1）采用掩膜或激光刻蚀的方法将第二保护层沉积在弯曲电极基材9上用于形成球面电极2的区域；

步骤2）将第二钝化层沉积在第二保护层的表面；

步骤3）将第二导电覆盖层沉积在第二钝化层的表面，然后在400℃-550℃的温度范围内进行退火处理；

步骤4）将相邻两个球面电极2之间间隙设置，以实现相邻两个球面电极2之间的绝缘处理。

本发明的电容结构具有体积小、重量轻、读出信号强且精度高等特点，可大幅度提高两件套形式半球谐振陀螺读出信号强度，同时避免了分时控制带来的误差，加工及后续工艺过程简单。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，包括电容本体，所述电容本体上开设有用于与谐振子连接的插孔，其特征在于，所述电容本体包括柱形结构体，所述柱形结构体上设有第一导电覆盖层，所述第一导电覆盖层在所述柱形结构体上沿周向均匀分布形成多个平面电极，各个平面电极上均对应设置有向上延伸并相互靠拢弯曲的弯曲电极基材，且每个弯曲电极基材的外侧表面呈球弧面形并设有第二导电覆盖层形成球面电极，使得各个相互靠拢弯曲的弯曲电极基材构成一个整体呈半球状的半球形结构体；

将电容结构的平面电极和球面电极分别设置在柱形结构体和弯曲电极基材上，以对平面电极和球面电极进行同时控制；将平面电极布置在柱形结构体上，使得平面电极在竖向空间占据的空间大大减小。

2.根据权利要求1所述的用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，其特征在于，在每个所述平面电极上开设有第一导电引出孔，在每个球面电极上开设有第二导电引出孔，所述第一导电引出孔和所述第二导电引出孔的内壁上通过电镀或涂覆导电浆料的方式进行导电处理。

3.根据权利要求1所述的用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，其特征在于，所述平面电极共八个，八个所述平面电极均匀分布在所述柱形结构体朝向所述半球形结构体的端面，所球面电极共八个，八个所述球面电极均匀分布在所述半球形结构体的表面。

4.根据权利要求1所述的用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，其特征在于，在所述柱形结构体的外表面还依次设有第一保护层和第一钝化层，且所述第一导电覆盖层覆盖在所述第一钝化层外，所述弯曲电极基材的外表面还依次设有第二保护层和第二钝化层，且所述第二导电覆盖层覆盖在所述第二钝化层外。

5.根据权利要求1所述的用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，其特征在于，所述柱形结构体与所述半球形结构体之间还设有中间结构体，所述中间结构体包括柱状部和弧形部，所述中间结构体的柱状部的下端面与所述柱形结构体连接，所述中间结构体的弧形部的上端面与所述半球形结构体连接。

6.根据权利要求1所述的用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，其特征在于，相邻两个所述球面电极之间具有间隙，以实现相邻两个所述球面电极之间的绝缘处理；相邻两个所述平面电极之间通过激光刻蚀或光刻的方式去除相邻两个所述平面电极之间的第一导电覆盖层，以实现相邻两个所述平面电极之间的绝缘处理。

7.根据权利要求1所述的用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，其特征在于，所述电容本体采用熔融石英材料制成。

8.根据权利要求4所述的用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，其特征在于，所述第一保护层、所述第一钝化层、所述第一导电覆盖层、所述第二保护层、所述第二钝化层、所述第二导电覆盖层均由贵金属形成，且所述第一导电覆盖层和所述第二导电覆盖层的厚度为100~3000埃，所述第一钝化层和所述第二钝化层的厚度为100~3000埃，所述第一保护层和所述第二保护层的厚度为100~3000埃。

9.用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构的加工方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构，其中在将所述第一导电覆盖层和所述第二导电覆盖层分别沉积到所述柱形结构体和所述弯曲电极基材后，在400℃-550℃的温度范围内对所述第一导电覆盖层和所述第二导电覆盖层进行退火处理。

10.根据权利要求9所述的用于角参量检测的半球谐振陀螺电容结构的加工方法，其特征在于，在所述柱形结构体的外表面还依次设有第一保护层和第一钝化层，且所述第一导电覆盖层覆盖在所述第一钝化层外，所述弯曲电极基材的外表面还依次设有第二保护层和第二钝化层，且所述第二导电覆盖层覆盖在所述第二钝化层外；

所述平面电极采用以下步骤制成：

步骤1）采用掩膜或激光刻蚀的方法将第一保护层沉积在所述柱形结构体上用于形成所述平面电极的区域；

步骤2）将第一钝化层沉积在所述第一保护层的表面；

步骤3）将第一导电覆盖层沉积在所述第一钝化层的表面，然后在400℃-550℃的温度范围内进行退火处理；

步骤4）将相邻两个所述平面电极之间通过激光刻蚀或光刻的方式去除相邻两个所述平面电极之间的第一导电覆盖层，以实现相邻两个所述平面电极之间的绝缘处理；

所述球面电极采用以下步骤制成：

步骤1）采用掩膜或激光刻蚀的方法将第二保护层沉积在所述弯曲电极基材上用于形成所述球面电极的区域；

步骤2）将第二钝化层沉积在所述第二保护层的表面；

步骤3）将第二导电覆盖层沉积在所述第二钝化层的表面，然后在400℃-550℃的温度范围内进行退火处理；

步骤4）将相邻两个所述球面电极之间间隙设置，以实现相邻两个所述球面电极之间的绝缘处理。

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