CN113776512B - 一种微半球陀螺球面电极成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机电系统制造技术领域，具体是一种微半球陀螺球面电极成型装置及方法；所述方法包括将制备完成的谐振结构放入支架下层中；将玻璃结构紧贴所述谐振结构后盖上支架上层，并合拢上下层支架；将合拢后的支架放入真空加热炉中，软化所述玻璃结构；待炉体温度冷却至室温时，取出支架，得到与谐振结构相适应的球面电极结构；本发明球面电极结构的成型精度仅依赖于谐振结构本身，不受微半球陀螺其他工艺条件限制；在精确控制温度场的条件下，由于谐振结构曲面边缘本身存在温度梯度，使得球面结构的成型具有自适应性，即球面结构的曲率半径与谐振结构的结构尺寸相匹配，能够满足球面电极与谐振结构的一致性要求。

Description

一种微半球陀螺球面电极成型装置及方法

技术领域

本发明涉及微机电系统制造技术领域，具体是一种微半球陀螺球面电极成型装置及方法。

背景技术

陀螺仪是惯性导航系统的核心器件之一，其作用是测量载体在惯性空间的角运动。微半球陀螺是一种新型陀螺仪，基于传统半球陀螺高精度工作原理，采用微加工工艺进行研制，具有精度高、体积小、成本低等优点，可以广泛应用在航空、航天、车辆、工业机器人导航仪、无人装置姿态性能检测仪和姿态实时校准仪、稳定平台、机场安防等诸多领域。

微半球陀螺的核心元件是微半球谐振子和电极，如图1所示，微半球谐振子1是一种伞形三维曲面结构，其曲面边缘形成有微半球谐振子唇沿11，其内表面设置有固定锚点12。所述微半球谐振子1可以由如图2所示的玻璃结构4受热变形得到如图3所示的微半球的谐振结构5，通过结构释放技术，去除多余的玻璃，即可得到微半球谐振子1。

微半球陀螺常用的电极有平面电极和球面电极两种形式，在平面电极形式中，如图4所示，微半球谐振子1通过锚点12与平面电极2固定；平面电极2的作用是与微半球谐振子唇沿11形成平板电容，实现微半球陀螺振动信息的检测和控制。在球面电极形式中，如图5所示，微半球谐振子1通过锚点12与球面电极3固定，微半球谐振子1内表面与球面电极3的外表面形成电容。其中，球面电极3一般是由球面结构金属化后，采用半导体或激光技术对其进行电极分割后得到。

与平面电极形式相比，由于电容面积增大，球面电极具有更高的激励、检测效率，但对电极的制造精度提出了很高的要求。球面电极3除了需具备高对称度，还需与微半球谐振子1的曲率变化相匹配，方能与微半球谐振子1形成均匀的电容间隙，而电容间隙的均匀性对微半球陀螺的性能有重要影响。

为制造高精度球面电极，美国密歇根大学提出了一种模具制造的方法，即采用两个尺寸不同的石墨模具，通过精确控制火焰产生的温度场，使玻璃软化成型，得到两个形状相匹配的玻璃半球形结构，将其中一个作为微半球谐振子，另一个作为球面电极使用。由于每个谐振子的尺寸完全由模具的精度及温度场的一致性决定，因此常规技术难以达到石墨模具的精度、火焰温场的均匀性及一致性要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种微半球陀螺球面电极成型装置及方法，该方案操作简单，具有自适应成型效果，让球面电极的形状能够完全与放入的谐振结构匹配；并且本发明对模具的精度及温度场的一致性要求较低。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种微半球陀螺球面电极成型装置，所述装置包括支架，所述支架包括支架上层和支架下层，所述支架上层和所述支架下层的中心都设置有正对的空腔结构；所述支架上层或/和所述支架下层的空腔结构上设置有限位微半球的谐振结构和玻璃结构的凸起；所述谐振结构放入所述支架下层的空腔结构中，所述玻璃结构放入所述支架上层的空腔结构中。

进一步的，所述支架上层或/和所述支架下层采用耐高温的导热材料制成。

进一步的，所述空腔结构在上下层支架闭合时为封闭的导热腔体。

在本发明的第二方面，本发明还提供了一种微半球陀螺球面电极成型方法，所述方法包括：

将制备完成的谐振结构放入支架下层中；

将玻璃结构紧贴所述谐振结构后盖上支架上层，并合拢上下层支架；

将合拢后的支架放入真空加热炉中，软化所述玻璃结构；

待炉体温度冷却至室温时，取出支架，得到与谐振结构相适应的球面电极结构。

进一步的，所述玻璃结构为任意形状的玻璃平片或密封有气压的空腔玻璃结构。

进一步的，所述空腔玻璃结构通过半导体材料键合。

进一步的，在得到与谐振结构相适应的球面电极结构之后还包括刻蚀球面电极结构中底部的半导体材料，得到微半球陀螺球面电极。

进一步的，软化所述玻璃结构包括设定出加热曲线和真空度，计算出玻璃的软化点，在所述软化点下让所述玻璃结构充分变形。

进一步的，所述谐振结构的软化点高于所述玻璃结构的软化点。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的球面电极成型装置结构简单，本发明的球面电极成型方法操作便利，所述球面电极结构的成型精度仅依赖于谐振结构本身，不受微半球陀螺其他工艺条件限制。本发明的球面电极结构的成型模具变为谐振结构本身，在精确控制温度场的条件下，由于谐振结构曲面边缘本身存在温度梯度，使得球面结构的成型具有自适应性，即球面结构的曲率半径与谐振结构的结构尺寸相匹配，能够满足球面电极与谐振结构的一致性要求。

附图说明

图1是传统技术的微半球谐振子的结构示意图；

图2是传统技术的微半球谐振子的玻璃结构示意图；

图3是传统技术的微半球谐振子的谐振结构示意图；

图4是传统技术的微半球谐振子的平面电极结构示意图；

图5是传统技术的微半球谐振子的球面电极结构示意图；

图6是本发明实施例的一种微半球陀螺球面电极成型方法流程图；

图7是本发明一实施例的一种微半球陀螺球面电极结构成型装置结构示意图；

图8是本发明另一实施例的一种微半球陀螺球面电极结构成型装置结构示意图；

图9是本发明还一实施例的一种微半球陀螺球面电极结构成型装置结构示意图；

图中标号所代表的名称为：1、微半球谐振子，11、微半球陀螺的唇沿，12、微半球谐振子的锚点，2、平面电极，3、300、310、320、球面电极，4、400、410、420玻璃结构，401、411、421第一空腔，5、500、510、520、微半球的谐振结构，501、511、521第二空腔，502、512、522凸起，600、601、602、支架，610、611、612、支架上层，620、621、622、支架下层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图6是本发明一实施例中的一种微半球陀螺球面电极成型方法，如图6所示，所述方法包括：

S101、将制备完成的谐振结构放入支架下层中；

S102、将玻璃结构紧贴所述谐振结构后盖上支架上层，并合拢上下层支架；

S103、将合拢后的支架放入真空加热炉中，软化所述玻璃结构；

S104、待炉体温度冷却至室温时，取出支架，得到与谐振结构相适应的球面电极结构。

图7给出了本发明实施例的一种微半球陀螺球面电极结构成型装置结构图，如图7所示，所述装置包括支架600，所述支架包括支架上层610和支架下层620，所述支架上层610和所述支架下层620的中心都设置有正对的空腔结构；其中支架上层610设置有第一空腔401，支架下层620设置有第二空腔501；所述支架下层620的第二空腔501上设置有限位微半球的谐振结构500和玻璃结构400的凸起502，该凸起502的深度略大于玻璃结构400的厚度与谐振结构500边缘的厚度之和；所述谐振结构500放入所述支架下层620的第二空腔501中，所述玻璃结构400放入所述支架上层610的第一空腔401中。

结合上述实施例，本实施例还给出了上述实施例所对应的一种微半球陀螺球面电极方法，所述方法包括：

S201、将制备完成的谐振结构500放入支架下层620的中心即第二空腔501中，让谐振结构500的锚点朝上，同时将所述谐振结构500的两端置于所述凸起502上进行限位。

S202、将玻璃结构400紧贴所述谐振结构500，并将玻璃结构400置于所述谐振结构500正上方；所述玻璃结构400的两端也卡设在所述凸起502处；且通过支架下层620上设计的限位装置能够保证玻璃结构400和谐振结构500在水平面上不发生位移；然后盖上支架上层610，并合拢上下层支架；使玻璃结构400和谐振结构500完全处于封闭的导热腔体中，该导热腔体指的即为第一空腔401和第二空腔501共同构成的腔体结构；

S203、把装有谐振结构500与玻璃结构400的支架600放入真空加热炉中，设定出加热曲线及真空度，使温度达到玻璃结构400的软化点，软化后的玻璃结构400在重力的作用下，以谐振结构500为模具产生变形。

S204、待炉体温度冷却至室温后，取出支架600，得到谐振结构500及与其相匹配适应的球面电极结构300。

在本实施例中，所述玻璃结构400为玻璃平片；若采用玻璃平片，平片软化后，依靠重力向下变形，其变形量较小；本实施例适合成型出设计高度要求较低的球面电极。

其中，该球面电极结构300是由玻璃结构400经过如图7所示的以箭头向下方向的形变后所形成的球面电极。

图8给出了本发明实施例的一种微半球陀螺球面电极结构成型装置结构图，如图8所示，所述装置包括支架601，所述支架601包括支架上层611和支架下层621，所述支架上层611和所述支架下层621的中心都设置有正对的空腔结构；其中所述支架上层611设置有第一空腔411，所述支架下层621设置有第二空腔511；所述第一空腔411的整体宽度大于所述第二空腔511的整体宽度；所述支架下层621的第二空腔511上设置有限位微半球的谐振结构510和玻璃结构410的凸起512，该凸起512的深度略大于玻璃结构410中单层材料的厚度与谐振结构510边缘的厚度之和；所述谐振结构510放入所述支架下层621的第二空腔511中，所述玻璃结构410放入所述支架上层611的第一空腔411中。

结合上述实施例，本实施例还给出了上述实施例所对应的一种微半球陀螺球面电极方法，所述方法包括：

S301、将制备完成的谐振结构510放入支架下层621的中心即第二空腔511中，让谐振结构510的锚点朝上，同时将所述谐振结构510的两端置于所述凸起512上进行限位。

S302、将玻璃结构410紧贴所述谐振结构510，并将玻璃结构410置于所述谐振结构510正上方；所述玻璃结构410的两端也卡设在所述凸起512处；且通过支架下层621上设计的限位装置能够保证玻璃结构410和谐振结构510在水平面上不发生位移；然后盖上支架上层611，并合拢上下层支架；使玻璃结构410和谐振结构510完全处于封闭的导热腔体中，该导热腔体指的即为第一空腔411和第二空腔511共同构成的腔体结构；

S303、把装有谐振结构510与玻璃结构410的支架610放入真空加热炉中，设定出加热曲线及真空度，使温度达到玻璃结构410的软化点，软化后的玻璃结构410在重力以及内部气体压力的共同作用下，以谐振结构510为模具产生变形。

S304、待炉体温度冷却至室温后，取出支架610，得到谐振结构510及与其相匹配适应的球面电极结构310。

S305、刻蚀所述玻璃结构410底部的半导体材料，得到最终的球面电极。其中，这里的底部指的是对应处于第一空腔411中的残余材料，本实施例仅需要处于第二空腔511中的相应玻璃结构和谐振结构。

在本实施例中，所述玻璃结构410为与半导体材料键合后的空腔玻璃结构；若采用空腔玻璃结构，由于空腔内封存了气压，在真空及温度作用下，玻璃将以谐振结构锚点为中心产生较大的对称性形变，在后续过程中仅需要把多余的外层半导体材料层(与谐振结构直接接触的为内层半导体材料层)去除即可得到最终的球形电极；本实施例适合成型出设计高度要求较高的球面电极。

与上述实施例不同的是，本实施例与前一实施例的区别在于球面电极成型材料由玻璃平片更换为空腔玻璃，且成型后空腔玻璃4需要刻蚀掉底部材料。本实施更适合制造高度较高的球面电极3。

其中，该球面电极结构310是由玻璃结构410经过如图8所示的以箭头向下方向的形变后所形成的球面电极。

图9给出了本发明实施例的一种微半球陀螺球面电极结构成型装置结构图，如图9所示，所述装置包括支架602，所述支架602包括支架上层612和支架下层622，所述支架上层612和所述支架下层622的中心都设置有正对的空腔结构；其中所述支架上层612设置有第一空腔421，所述支架下层622设置有第二空腔521；所述第一空腔421的整体宽度大于所述第二空腔521的整体宽度；所述支架下层622的第二空腔521上设置有限位微半球的谐振结构520和玻璃结构420的凸起522，该凸起522的深度略大于玻璃结构420中单层材料的厚度与谐振结构520边缘的厚度之和；所述谐振结构520放入所述支架下层622的第二空腔521中，所述玻璃结构420放入所述支架上层612的第一空腔421中。

结合上述实施例，本实施例还给出了上述实施例所对应的一种微半球陀螺球面电极方法，所述方法包括：

S401、将制备完成的谐振结构520放入支架下层622的中心即第二空腔521中，让谐振结构520的锚点朝下，同时将所述谐振结构520的两端置于所述凸起522上进行限位。

S402、将玻璃结构420紧贴所述谐振结构520，并将玻璃结构420置于所述谐振结构520正下方；所述玻璃结构420的两端也卡设在所述凸起522处；且通过支架下层622上设计的限位装置能够保证玻璃结构420和谐振结构520在水平面上不发生位移；然后盖上支架下层622，并合拢上下层支架；使玻璃结构420和谐振结构520完全处于封闭的导热腔体中，该导热腔体指的即为第一空腔421和第二空腔521共同构成的腔体结构；

在本实施例中，所述支架上层612放置在整体结构的下方，所述支架下层622放置在整体结构的上方，通过导热腔体的内部气压让其中的器件进行相应的变化。

S403、把装有谐振结构520与玻璃结构420的支架620放入真空加热炉中，设定出加热曲线及真空度，使温度达到玻璃结构420的软化点，由于谐振结构520在玻璃结构420之上，玻璃结构4仅依靠内部气压在高温下，以谐振结构520为模具产生形变。

S404、待炉体温度冷却至室温后，取出支架610，得到谐振结构510及与其相匹配适应的球面电极结构320。

S405、刻蚀所述玻璃结构420底部的半导体材料，得到最终的球面电极。其中，这里的底部指的是对应处于第一空腔421中的残余材料，本实施例仅需要处于第二空腔521中的相应玻璃结构和谐振结构。

本实施例与前一实施例的区别仅在于谐振结构、玻璃结构、支架均反向放置，即谐振结构在玻璃结构之上，玻璃结构仅依靠内部气压在高温下，从而以谐振结构为模具产生形变。

其中，该球面电极结构320是由玻璃结构420经过如图9所示的以箭头向上方向的形变后所形成的球面电极。

可以理解的是，在本发明实施例中，谐振结构本身以及使用玻璃平片或空腔玻璃制造的球面电极结构均是变壁厚的结构，即靠近锚点处厚度大，靠近顶部处的玻璃薄，虽然这些结构中的厚度不同，但这些结构是周向对称的，所以通过本发明实施例的成型方式能够形成与谐振结构所对应的变壁厚的球面电极结构；能够实现谐振结构与球面电极结构的一致性要求。

可以理解的是，在本发明实施例中，所述谐振结构的软化点远高于玻璃结构的软化点，才能保证玻璃结构能够顺利软化的同时谐振结构不受影响，本实施例可以采用熔融石英玻璃作为谐振结构材料，而采用硼硅酸玻璃作为玻璃结构材料。本发明实施例的玻璃结构，可以是玻璃平片，亦可是与半导体材料键合后的空腔玻璃结构，玻璃结构形式的选择取决于球面电极结构的设计高度。若采用玻璃平片，平片软化后，依靠重力向下变形，其变形量较小；若采用空腔玻璃结构，由于空腔内封存了气压，在真空及温度作用下，空腔上下两侧玻璃将以谐振结构锚点为中心产生较大的对称性形变。本发明实施例中的所述的真空度及加热曲线需与对应的玻璃形式相适应，真空度取＜5×10^-3Pa为宜，若材料选取硼硅酸玻璃，加热温度为750～800℃为宜。本发明的所述支架的作用为保持局部温度场均匀，因此本实施例采用导热性能好的材料制成，比如石墨。

还应理解的是，本发明的一种微半球陀螺球面电极成型装置和一种微半球陀螺球面成型方法是属于本申请的同一发明构思，因此，所述成型装置和所述成型方法的对应特征可以相互引用，本发明不再一一赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种微半球陀螺球面电极成型装置，其特征在于，所述装置包括支架，所述支架包括支架上层和支架下层，所述支架上层和所述支架下层的中心都设置有正对的空腔结构；所述支架上层或/和所述支架下层的空腔结构上设置有限位微半球的谐振结构和玻璃结构的凸起；所述谐振结构放入所述支架下层的空腔结构中，所述玻璃结构放入所述支架上层的空腔结构中；且所述谐振结构的软化点远高于所述玻璃结构的软化点。

2.根据权利要求1所述的一种微半球陀螺球面电极成型装置，其特征在于，所述支架上层或/和所述支架下层采用耐高温的导热材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的一种微半球陀螺球面电极成型装置，其特征在于，所述空腔结构在上下层支架闭合时为封闭的导热腔体。

4.一种微半球陀螺球面电极成型方法，其应用于如权利要求1~3任一所述的一种微半球陀螺球面电极成型装置，其特征在于，所述方法包括：

将制备完成的谐振结构放入支架下层中；

将玻璃结构紧贴所述谐振结构后盖上支架上层，并合拢上下层支架；

将合拢后的支架放入真空加热炉中，软化所述玻璃结构；

待炉体温度冷却至室温时，取出支架，得到与谐振结构相适应的球面电极结构。

5.根据权利要求4所述的一种微半球陀螺球面电极成型方法，其特征在于，所述玻璃结构为任意形状的玻璃平片或密封有气压的空腔玻璃结构。

6.根据权利要求5所述的一种微半球陀螺球面电极成型方法，其特征在于，所述空腔玻璃结构通过半导体材料键合。

7.根据权利要求6所述的一种微半球陀螺球面电极成型方法，其特征在于，在得到与谐振结构相适应的球面电极结构之后还包括刻蚀球面电极结构中底部的半导体材料，得到微半球陀螺球面电极。

8.根据权利要求4~7任一所述的一种微半球陀螺球面电极成型方法，其特征在于，软化所述玻璃结构包括设定出加热曲线和真空度，计算出玻璃的软化点，在所述软化点下让所述玻璃结构充分变形。

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