CN115752410A - 一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构及制作方法，所述电极结构分为上下两层，下层为平面电极，上层是通过工艺方法制作的异形平面电极，整体呈圆孔和圆槽组合的形状，上下两层电极均是敏感谐振壳体边缘的面外运动。所述方法包括在晶圆上采用镀膜、光刻工艺实现电极的图形化后，获得下层电极；通过精密微组装，将制备的谐振壳体与下层电极进行固定；采用刻蚀或微加工工艺在晶圆上制造出上电极形状，通过镀膜、喷胶、多次光刻等工艺实现上电极对应区域的图形化；采用治具将上电极与固定了谐振壳体的下电极进行装配并固定。本发明中的电极形式提高了微半球陀螺的灵敏度，同时可以对谐振壳体的运动进行限位，起到提升陀螺环境适应性。

Description

一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构及制作方法

技术领域

本发明涉及微机电系统制造技术领域，具体是一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构及制作方法。

背景技术

陀螺仪是一种测量载体绕固定轴相对惯性空间的旋转角运动的传感器。陀螺仪种类繁多，尺寸各异，目前微小型陀螺仪多属于哥氏振动陀螺仪。此类陀螺的原理是利用科里奥利效应实现驱动模态和检测模态之间的能量转移，通过检测陀螺仪在检测模态的位移或应变来得到角运动参数。

微半球陀螺是一种采用微加工工艺研制的新型哥氏振动陀螺，具有精度高、体积小、成本低等优点，其工作原理与传统半球陀螺相同。微半球陀螺工作时，谐振壳体在电路系统控制下维持四波腹驻波振动，在这种振动模式下，它的唇缘振型具有四个波腹和四个节点。当陀螺不旋转时，波腹和波节的位置保持不变，而当陀螺绕其中心对称轴旋转时，在哥氏力作用下，驻波在壳体上的位置发生反向进动，导致四波腹振型相对壳体产生与壳体转角成一定比例而方向相反的进动角度，并且其关系恒定。微半球陀螺的核心部件是微半球谐振壳体和电极，谐振壳体要求具备高对称性和高品质因数，常采用热弹性阻尼小的材料制成，如熔融石英玻璃。电极的常见形式有平面电极、柱面电极以及球面电极，其中，平面电极因其制作简单、装配要求低的特点，被广泛使用，但由于电容面积的原因，相对于其他形式的电极而言，基于平面电极构型的微半球陀螺灵敏度较低。

为提升基于平面电极的微半球陀螺的灵敏度，加州大学、国防科技大学等研究单位在谐振壳体边缘增加了灵敏度放大结构，该结构多呈齿状，均匀、离散分布在谐振壳体的圆周上，放大结构显著提升电容面积，并减小结构的质量修调的难度，使采用平面电极的微半球陀螺的灵敏度、性能均得到提高。然而，即使采用放大结构的微半球陀螺，依然存在以下问题：1.信号干扰。由于驱动、检测电极共面，且相对位置较近，陀螺工作时容易产生信号干扰，引起陀螺输出性能劣化(虽然此干扰影响可以通过后端信号处理得到改善)；2.灵敏度可进一步提升。现有的平面电极结构只测量放大结构底面的运动，对顶面的运动信号未加利用；3.抗力学环境能力较弱。谐振壳体近似为唇沿的圆环和弧面的悬臂梁结构，唇沿处存在最大位移，接近圆弧面弧顶处存在最大应力，需要对唇沿处的运动幅度加以限制才能提升结构的抗力学环境能力。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构及制作方法，其中，本发明第一方面提供的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构，该电极结构适用于唇沿带有灵敏度放大结构的微半球谐振壳体。本发明第二方面提供的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法，该方法操作简单，对组装要求低，易实现批量制造。

在本发明的第一方面，本发明的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构，所述电极结构适用于唇沿带有灵敏度放大结构的微半球谐振壳体，所述微半球陀螺电极结构包括上电极和下电极；所述上电极为异形平面电极结构，所述上电极包括多个上电极图形，且每个上电极图形在圆周上呈对称分布；所述上电极的下表面为装配基准面；所述上电极包括圆环和圆槽组合结构，所述圆环和所述圆槽在水平方向同心、在垂直方向呈上下关系；所述圆孔为镂空状，所述圆孔内径略大于微半球谐振壳体唇沿处的外径，所述圆孔底面作为平板电容的上极板；所述圆槽直径略大于微半球谐振壳体的外径，所述圆槽底面即为所述上电极的下表面；所述下电极为平面电极结构，所述下电极的上表面作为平板电容的下极板，所述下电极的上表面包括多个下电极图形，且各个下电极图形呈圆周分布；所述上电极与所述下电极之间通过所述装配基准面装配连接。

在本发明第二方面，本发明的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法，其适用于唇沿带有灵敏度放大结构的微半球谐振壳体，所述方法包括：

获取第一晶圆，在所述第一晶圆的表面进行图形化处理，形成具有呈圆周分布的多个下电极图形的下电极；

获取第二晶圆，在所述第二晶圆上进行刻蚀或微加工工艺处理，形成具有圆环和圆槽组合结构的上电极结构；所述圆环和所述圆槽在水平方向同心、在垂直方向呈上下关系；所述圆孔为镂空状，所述圆孔内径略大于微半球谐振壳体唇沿处的外径，所述圆孔底面作为平板电容的上极板；所述圆槽直径略大于微半球谐振壳体的外径，所述圆槽底面即为所述上电极的下表面；

对所述上电极结构进行图形化处理，形成各个上电极图形呈圆周分布的上电极。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的所述电极结构不仅提高了微半球陀螺的灵敏度，同时还可以对谐振壳体的运动进行限位，提升了陀螺抗振动、冲击能力。所述电极结构的制作方法，操作简便，便于批量制造。

附图说明

图1为微半球谐振壳体与电极装配的示意图；

图2为下电极的结构示意图；

图3为下电极图形分布示意图；

图4为上电极结构示意图；

图5为上电极图形分布示意图；

图6为本发明实施例的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法流程图；

图7为上电极结构刻蚀流程图；

图8为上电极结构另一刻蚀结构示意图；

图9为上电极图形制作流程图；

图10为上电极图形分割工艺流程图；

图11为本发明优选实施例的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法流程图；

图中标号所代表的名称为：1为微半球谐振壳体、102为灵敏度放大结构、2为上电极、201为圆孔、2011为圆孔底面、202为圆槽、2021为圆槽底面、203为上电极底面电极图形、204为上电极底面固定位置的金属膜层、205为上电极顶面的电极图形、3为下电极、301为下电极图形、302为下电极表面固定位置的金属膜层、4为粘接材料、5为第一晶圆、6为第二晶圆、7为第二晶圆表面的金属膜层、8为第二晶圆表面的光刻胶层、9为上电极结构、10为上电极结构上的金属膜层、11为上电极结构上的光刻胶层、12为上电极结构侧边光刻时所喷的光刻胶层、13为上电极结构侧面的金属膜层、14为第一平片结构、15为第二平片结构。

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1为微半球谐振壳体与电极装配的示意图；其包含了唇沿带有灵敏度放大结构的微半球谐振壳体1以及本发明的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构，如图1所示，所述电极结构适用于唇沿带有灵敏度放大结构的微半球谐振壳体1，所述微半球陀螺电极结构包括上电极2和下电极3；所述上电极2为异形平面电极结构，所述下电极3为普通平面电极结构；所述上电极2与所述下电极3通过粘接材料4固定，所述下电极3与所述微半球谐振壳体1通过粘接材料4固定。

其中，在本发明实施例中，所述上电极2和所述下电极3均是敏感谐振壳体灵敏度放大结构102的面外运动；所述上电极2、所述灵敏度放大结构102、所述下电极3呈自上而下的三明治结构，上电极2、下电极3既是平面电容检测回路中的定极板，也即所述上电极2的圆孔底面2011作为平板电容的上极板，所述下电极3的上表面作为平板电容的下极板；亦是微半球谐振壳体灵敏度放大结构102的限位装置，即上下两个电极将所述灵敏度放大结构102的位置固定，两者通过精密装配工艺固定在一起，实现信号检测和对微半球谐振壳体1的振动限位。

在本发明的有些实施例中，所述上电极2、下电极3可以采用熔融石英玻璃、硼硅酸玻璃或硅中任意一种材料。

在本发明优选实施例中，所述上电极2、下电极3采用熔融石英玻璃；所述下电极的厚度为0.5mm～2mm为宜。

图2是本发明实施例的下电极结构示意图，如图2所示，所述下电极3由第一晶圆5制备而成，在所述第一晶圆5的上表面进行金属化、喷胶、光刻、显影、腐蚀、去胶清洗、切割后，获得图形化后的下电极3，所述下电极3的上表面作为平板电容的下极板，所述下电极3包括多个下电极图形301，多个下电极图形301与所述灵敏度放大结构102对应。

图3是本发明实施例的下电极电极图形分布示意图，如图3所示，在本发明实施例中，各个下电极图形301本身呈圆周分布，每个下电极图形301的周围还有下电极表面固定位置的金属膜层302；其中，所述下电极图形301的个数可由本领域技术人员根据实际情况确定，例如可以选择8个或16个或24个等等。

图4是本发明实施例中的上电极结构示意图，如图4所示，所述上电极2包括圆环201和圆槽202组合结构，所述圆环201和所述圆槽202在水平方向同心、在垂直方向呈上下关系；所述圆孔201为镂空状，所述圆孔201内径略大于微半球谐振壳体1唇沿处的外径即除去灵敏度放大结构后的最大外圆，所述圆孔底面2011作为平板电容的上极板；所述圆槽202直径略大于微半球谐振壳体1的外径，所述圆槽底面2021作为装配基准面，所述圆槽底面2021即为所述上电极2的下表面；所述上电极2与所述下电极3之间通过所述平面装配基准面装配连接。

图5是本发明实施例中的上电极图形示意图，如图5所示，所述上电极2的下表面包括多个如图5(a)所示的上电极底面电极图形203，且每个上电极底面电极图形203在圆周上呈对称分布，形状与灵敏度放大结构102相对应；每个上电极底面电极图形203通过圆孔201的侧壁与如图5(b)所示的上电极顶面图形205连通，实现电信号的引出；且所有上电极底面电极图形203的周围还有上电极表面固定位置的金属膜层204，所述上电极2的下表面为平面装配基准面。

图6为本发明实施例的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法流程图，如图6所示，所述方法包括：

101、获取第一晶圆，在所述第一晶圆的表面进行图形化处理，形成具有呈圆周分布的多个下电极图形的下电极；

在本发明实施例中，需要获取一片第一晶圆，以第一晶圆为熔融石英玻璃晶圆为例，在第一晶圆的上表面进行金属化、喷胶、光刻、显影、腐蚀、去胶清洗、切割后，可以获得图形化后的下电极图形5，下电极3中下电极图形301的沿圆周呈均匀分布，优选数量为8个或16个。

103、获取第二晶圆，在所述第二晶圆上进行刻蚀或微加工工艺处理，形成具有圆环和圆槽组合结构的上电极结构；

在本发明实施例中，需要获取一片第二晶圆6，所述第二晶圆6可以是熔融石英玻璃、硼硅酸玻璃或硅晶圆，在本实施例中，仍然以第二晶圆6为熔融石英玻璃晶圆为例，如图7所示，在所述第二晶圆6的上、下表面均进行镀膜、喷胶、光刻、显影、去胶后，分别形成如图7(a)所述的第二晶圆表面的金属膜层7和第二晶圆表面的光刻胶层8，其中所述第二晶圆表面的金属膜层7完全覆盖到第二晶圆6的上下表面也即正反面，而所述第二晶圆表面的光刻胶层8则是在部分金属膜层7的表面覆盖，且上下表面所覆盖的光刻胶层8的宽度范围需不一致，将所得图7(a)的所述第二晶圆6放入膜层腐蚀液体中，如图7(b)所示，去除第二晶圆6上方未保护的金属膜层，也即未被光刻胶层8覆盖的金属膜层7，使第二晶圆6的上下表面形成孔径不同的阻挡层，将如图7(b)的所述第二晶圆6放入腐蚀液中进行湿法刻蚀，如图7(c)所示，腐蚀掉部分第二晶圆6，形成上电极结构9。

在本发明的另一实施例中，需要获取两片第二晶圆6，所述第二晶圆6可以是熔融石英玻璃或硼硅酸玻璃，在本实施例中，仍然以第二晶圆6为熔融石英玻璃晶圆为例，如图8(a)所示，在一片第二晶圆上采用飞秒激光诱导变形工艺在制作出圆孔图案，经过湿法刻蚀制作出带有圆孔201的第一平片结构14；如图8(b)所示，在另一片第二晶圆上采用同样的方法制作出带有圆槽202的第二平片结构15。

可以理解的是，与第一个实施例不同之处，本优选实施例的所述上电极结构9的制作方法是通过微加工工艺，采用两片第二晶圆分别制作上电极2的圆孔201和圆槽202，通过装配工艺将圆孔201和圆槽202组装成上电极结构9。此方法的目的在于避免玻璃材料因湿法刻蚀产生的倒角。获得平面度更好的圆孔底面2011和圆槽底面2021，减小电极尺寸。

在本发明的实施例中，所述圆孔201和所述圆槽202厚度可以不同，也可以相同，但所述圆槽202的深度必须大于微半球谐振壳体厚度与平板电容间隙之和，而所述圆孔201的厚度可以小于圆槽202的厚度。

105、对所述上电极结构进行图形化处理，形成各个上电极图形呈圆周分布的上电极。

在本发明实施例中，对所述上电极结构9进行镀膜、喷胶后，分别形成上电极结构上的金属膜层10和上电极结构上的光刻胶层11，如图9(a)所示。采用不同图案形状的光刻掩膜版对上电极结构9的正面、反面进行分别光刻显影后，形成如图9(b)所示的阻挡层，经过膜层腐蚀、清洗后，获得上电极底面的电极图形203、上电极顶面的电极图形205和金属膜层204。

在本发明实施例中，所得到的上电极结构9的顶面和底面已经形成图形203及205，但两者侧面连通，如图10(a)所示，需要对连通区域也即上电极结构侧面的金属膜层13进行分割。对步骤103中具有金属膜层13的整个上电极结构9进行喷胶处理，得到上电极结构侧边光刻时所喷的光刻胶层12。采用光刻掩膜版对上电极结构9的侧壁进行光刻、显影、去胶后，形成阻挡层，如图10(b)所示。经过腐蚀、清洗后，实现各电极图案在侧壁的分割，形成各自独立的上电极底面电极图形203，得到具备上电极图形的上电极2。

图11是本发明另一实施例中的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法流程图，如图11所示，所述方法包括：

201、获取第一晶圆，在所述第一晶圆的表面进行图形化处理，形成具有呈圆周分布的多个下电极图形的下电极；

202、将制备好的微半球谐振壳体金属化，并通过精密微组装将所述微半球谐振壳体固定在所述下电极上；

在本发明实施例中，将制备好的微半球谐振壳体1内外表面均金属化，通过治具旋转保证膜层均匀并保证内外膜层的阻抗。通过精密微组装，将所述微半球谐振壳体1固定在所述下电极3上，微半球谐振壳体1的几何中心与下电极3的图形分布中心重合，灵敏度放大结构102与下电极3的下电极电极301图形对准。

203、获取第二晶圆，在所述第二晶圆上进行刻蚀或微加工工艺处理，形成具有圆环和圆槽组合结构的上电极结构；

204、对所述上电极结构进行图形化处理，形成各个上电极图形呈圆周分布的上电极；

205、采用治具和粘接材料，将所述上电极与固定了微半球谐振壳体的下电极进行装配并固定。

在本发明实施例中，采用治具和粘接材料4，将步骤204所述的上电极2与固定了微半球谐振壳的下电极3进行装配并固定。其中，所述粘接材料4可以优选焊料。

可以理解的是，本实施例的部分步骤的具体实现方式可以参考前述实施例的对应步骤的具体实现方式，为了避免赘述，本发明不再一一例举。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 (9)

1.一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构，其特征在于：所述电极结构适用于唇沿带有灵敏度放大结构的微半球谐振壳体，所述微半球陀螺电极结构包括上电极和下电极；所述上电极为异形平面电极结构，所述上电极包括多个上电极图形，且每个上电极图形在圆周上呈对称分布；所述上电极的下表面为装配基准面；所述上电极包括圆环和圆槽组合结构，所述圆环和所述圆槽在水平方向同心、在垂直方向呈上下关系；所述圆孔为镂空状，所述圆孔内径略大于微半球谐振壳体唇沿处的外径，所述圆孔底面作为平板电容的上极板；所述圆槽直径略大于微半球谐振壳体的外径，所述圆槽底面即为所述上电极的下表面；所述下电极为平面电极结构，所述下电极的上表面作为平板电容的下极板，所述下电极的上表面包括多个下电极图形，且各个下电极图形呈圆周分布；所述上电极与所述下电极之间通过所述装配基准面装配连接。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构，其特征在于：所述上电极、所述微半球谐振壳体以及所述下电极呈自上而下排列，且所述上电极与所述下电极通过粘接材料固定，所述下电极与所述微半球谐振壳体通过精密微组装固定；所述微半球谐振壳体的几何中心与所述下电极的分布中心对齐，所述灵敏度放大结构与所述下电极的各个下电极图形对准；所述微半球谐振壳体唇沿与所述上电极的圆槽限位对齐。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构，其特征在于：所述下电极的厚度为0.5mm～2mm。

4.一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法，其适用于唇沿带有灵敏度放大结构的微半球谐振壳体，其特征在于，所述方法包括：

获取第一晶圆，在所述第一晶圆的表面进行图形化处理，形成具有呈圆周分布的多个下电极图形的下电极；

获取第二晶圆，在所述第二晶圆上进行刻蚀或微加工工艺处理，形成具有圆环和圆槽组合结构的上电极结构；所述圆环和所述圆槽在水平方向同心、在垂直方向呈上下关系；所述圆孔为镂空状，所述圆孔内径略大于微半球谐振壳体唇沿处的外径，所述圆孔底面作为平板电容的上极板；所述圆槽直径略大于微半球谐振壳体的外径，所述圆槽底面即为所述上电极的下表面；

对所述上电极结构进行图形化处理，形成各个上电极图形呈圆周分布的上电极。

5.根据权利要求4所述的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法，其特征在于，获取第二晶圆，在所述第二晶圆上进行刻蚀，形成具有圆环和圆槽组合结构的上电极结构包括在所述第二晶圆的上下表面均进行镀膜、喷胶、光刻、显影去胶后，将所得第二晶圆放入膜层腐蚀液体中，去除未保护的金属膜层，使第二晶圆的上下表面形成孔径不同的阻挡层，将所述第二晶圆放入腐蚀液中进行湿法刻蚀，获得具有不同孔径的圆环和圆槽组合结构的上电极结构。

6.根据权利要求4所述的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法，其特征在于，获取第二晶圆，在所述第二晶圆上采用飞秒激光诱导变性与湿法刻蚀工艺，形成具有圆环和圆槽组合结构的上电极结构包括在一片第二晶圆上制作出带有圆孔的第一平片结构；在另一片第二晶圆上制作出带有圆槽的第二平片结构。

7.根据权利要求4所述的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法，其特征在于，对所述上电极结构进行图形化处理包括对所述上电极结构进行镀膜、喷胶，采用不同的光刻掩膜版对上电极顶面、底面以及侧壁进行光刻，形成阻挡层，经过腐蚀、清洗后，形成各自独立的上电极图形。

8.根据权利要求4所述的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法，其特征在于，在形成具有呈圆周分布的多个下电极图形的下电极之后还包括将制备好的微半球谐振壳体金属化，并通过精密微组装将所述微半球谐振壳体固定在所述下电极上。

9.根据权利要求7或8所述的一种高灵敏度、抗冲击微半球陀螺电极结构制作方法，其特征在于，在对所述上电极结构进行图形化处理，形成各个上电极图形呈圆周分布的上电极之后还包括采用治具和粘接材料，将所述上电极与固定了微半球谐振壳体的下电极进行装配并固定。

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