CN116124111A - 一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪及其制备方法，陀螺仪包括环形谐振器、永磁体、导磁部件和基底；环形谐振器的中心设有谐振环，谐振环套设在永磁体上；导磁部件为两个，一个覆盖在永磁体的第一端，另一个覆盖在永磁体的第二端且嵌入基底。本发明应用于微机电系统和惯性制导领域，采用电磁驱动和电磁检测方案，避免了传统电容式微陀螺仪高过载条件下敏感结构与电极的吸合效应，有效提升了陀螺仪的抗高过载能力。同时利用熔融石英材料具有极小的热弹性阻尼、较低的热膨胀系数以及较大的弹性极限的特点，相比传统单晶硅材料大幅提升陀螺仪的品质因数以及陀螺仪的性能精度，且可实现批量化生产，具有较大应用前景。

Description

一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，具体是一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪及其制备方法。

背景技术

陀螺仪是一种能够测量运动载体相对惯性空间角度或角速度信息的惯性传感器，是惯性导航系统的核心器件，在现代工业控制、航空航天和消费电子，尤其是国防军事等领域有着极其重要的作用。

MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems，微机电系统）陀螺仪从二十世纪八十年代开始出现，与光学陀螺和传统机械转子陀螺相比具有体积小、功耗低、可批量生产、易集成化等特点，符合产品小型化集成化信息化的发展方向，在消费电子和国防军事领域都具有较为广泛的应用前景，成为人们重点关注的方向。目前的高精度MEMS陀螺仪大多采用静电驱动，并且利用振动引起的电容值变化检测角速度，其电容间距通常在微米量级，这种陀螺仪在过载条件下电容间距容易发生变化，从而导致测量误差的产生。另外，在高过载条件下，MEMS陀螺仪的敏感结构与电极可能发生碰撞产生吸合效应，导致陀螺仪无法正常工作。

此外，MEMS陀螺仪还可以采用电磁驱动，这种驱动方式能够保持高过载条件下的驱动力恒定，因而使陀螺仪具有较好的性能稳定性，能够满足高过载弹药制导化改造的军事应用需求。经过查询现有资料发现，Ian David Hopkin等人在一项专利（公开号US5932804A）中介绍了一种电磁驱动的MEMS陀螺仪，并且在Silicon Sensing公司的相关产品中得到了应用。由于该产品使用单晶硅材料基于MEMS工艺进行加工制造，因而能够较好地实现批量化生产。然而由于硅材料的热弹性阻尼较大，且陀螺仪的形状结构和尺寸都受到磁体和磁场的限制，因此采用硅材料的MEMS陀螺仪的品质因数相对较低，难以满足高精度的测量要求，从而限制了未来发展的空间。

基于此，迫切需要寻求能够替代硅的新材料，以提高MEMS陀螺仪的品质因数，从而大幅提升其性能精度，同时还需要提升陀螺仪在振动和冲击等恶劣环境下的工作稳定性。熔融石英材料具有极小的热弹性阻尼、较低的热膨胀系数以及较大的弹性极限，是制造高精度高过载MEMS陀螺仪的理想选择。

目前基于熔融石英材料的微半球谐振陀螺仪已实现极高的品质因数。然而这种陀螺仪的微半球结构是一种三维结构，通常采用高温吹制法成型，其基本原理是通过创造高温环境将玻璃态材料软化，利用材料上下表面的压力差与内部张力实现曲面壳体谐振结构成形加工。这种结构难以使用传统的平面化MEMS工艺加工制造，因此生产效率相对较低，加工一致性也相对较差。

此外，现有的MEMS工艺主要是基于各向异性的单晶硅材料进行加工，而熔融石英是一种各向同性材料且化学性质十分稳定，也难以使用现有的平面化MEMS工艺进行加工。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种新型的MEMS陀螺仪，这种新型的MEMS陀螺仪(即微陀螺仪)采用熔融石英材料、利用平面化的MEMS工艺制备而成，同时采用电磁驱动方式。

为实现上述目的，本发明提供一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪，包括环形谐振器、永磁体、导磁部件和基底，所述基底与所述环形谐振器采用相同的熔融石英材料制成；

所述环形谐振器固定设在所述基底顶部，所述环形谐振器的中心设有谐振环，且所述谐振环套设在所述永磁体上；

所述导磁部件为两个，其中一个所述导磁部件覆盖在所述永磁体的第一端且位于所述环形谐振器上方，另一个所述导磁部件覆盖在所述永磁体的第二端且嵌入所述基底；

所述环形谐振器还包括锚点区与若干导电回路；

所述锚点区间隔环绕在所述谐振环周围，且所述锚点区与所述谐振环通过若干呈环向间隔分布的支撑梁相连；

所述导电回路设在所述环形谐振器顶部，且所述导电回路的两端位于所述锚点区顶部，所述导电回路的中段位于所述支撑梁、所述谐振环顶部。

在其中一个实施例，所述锚点区的底部与所述基底的顶部键合粘接。

在其中一个实施例，所述永磁体为圆柱结构，所述导磁部件为一端封口的圆筒结构。

在其中一个实施例，所述基底的顶部设有凹槽或通孔，以用于嵌入所述导磁部件。

在其中一个实施例，所述永磁体采用耐高温的钐钴永磁体。

在其中一个实施例，所述导磁部件采用坡莫合金制成。

在其中一个实施例，所述导电回路采用铬和金制成。

为实现上述目的，本发明还提供一种上述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，取一张熔融石英圆片，将掩膜覆盖于熔融石英圆片表面，其中，掩膜与熔融石英圆片尺寸相同，且掩膜上具有导电回路的镂空图形；

步骤2，依次将铬、金沉积到熔融石英圆片上，再取下掩膜，即得到附着有导电回路的熔融石英圆片；

步骤3，根据熔融石英圆片上的导电回路进行二次定位，使用激光对熔融石英圆片上的环形谐振器轮廓进行照射；

步骤4，将经过步骤3处理的熔融石英圆片置于刻蚀液中，待激光照射区域腐蚀完毕后将熔融石英圆片取出，即得到带有多个环形谐振器的熔融石英圆片；

步骤5，在另一张较厚的熔融石英圆片上加工设有凹槽的基底，基底的位置和数量与步骤4得到的带有多个环形谐振器的熔融石英圆片位置对应、数量相同；

步骤6，在每个基底的凹槽中安装一个导磁部件，得到带有基底和导磁部件的熔融石英圆片；

步骤7，将步骤4和步骤6分别得到的两张熔融石英圆片的锚点区键合在一起，再把永磁体从每个谐振环的中央穿过，安装在导磁部件当中，然后将另一个导磁部件安装在每个永磁体的另一端；

步骤8，按照陀螺仪的外廓对熔融石英圆片切割，即得到若干个电磁式熔融石英环形微陀螺仪。

与现有技术相比，本发明的具有如下有益技术效果：

1、本发明提出的MEMS陀螺仪采用电磁驱动和电磁检测方案，避免了传统电容式微陀螺仪高过载条件下敏感结构与电极之间的吸合效应，有效地提升了陀螺仪的抗高过载能力；

2、本发明提出的MEMS陀螺仪使用熔融石英材料制造环形谐振器和基底，利用熔融石英材料具有极小的热弹性阻尼、较低的热膨胀系数以及较大的弹性极限的特点，同时保证环形谐振器和基底的形变一致，提升陀螺仪的品质因数，大幅提升了陀螺仪的性能精度；

3、基于本发明提出的微陀螺仪结构基于MEMS工艺加工制造，可以实现微陀螺仪的圆片级批量化生产，具有较大的应用前景；

4、本发明提出的MEMS陀螺仪结构，具有体积小、功耗低的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中陀螺仪的轴测图；

图2为本发明实施例1中陀螺仪的剖视图；

图3为本发明实施例1中环形谐振器的轴测图；

图4为本发明实施例1中永磁体的轴测图；

图5为本发明实施例1中两个导磁部件的轴测图；

图6为本发明实施例1中永磁体与两个导磁部件的连接结构轴测图；

图7为本发明实施例1中基底的第一种实施方式示意图；

图8为本发明实施例1中基底的第二种实施方式示意图

图9为本发明实施例2中包含若干个环形谐振器的熔融石英圆片示意图。

附图标号：环形谐振器1、谐振环101、锚点区102、支撑梁103、导电回路104、永磁体2、导磁部件3、基底4、凹槽401。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

如图1、图2所示为本实施例公开的一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其主要包括环形谐振器1、永磁体2、导磁部件3和基底4。环形谐振器1固定设在基底4顶部，环形谐振器1的中心设有谐振环101，且谐振环101套设在永磁体2上。导磁部件3为两个，其中一个导磁部件3覆盖在永磁体2的第一端且位于环形谐振器1上方，另一个导磁部件3覆盖在永磁体2的第二端且嵌入基底4。

参考图3，环形谐振器1是在熔融石英圆片上，刻蚀镂空后形成的包含锚点区102、若干个支撑梁103和一个谐振环101的结构。谐振环101位于环形谐振器1的中央位置，通过若干呈环向间隔分布的支撑梁103与锚点区102连接。由于熔融石英材料本身不导电，因此需要在环形谐振器1表面添加导电回路104。具体到本实施例中，环形谐振器1的上表面设置有若干导电回路104，且导电回路104的两端位于锚点区102顶部、中段位于支撑梁103、谐振环101顶部。

作为优选地实施方案，本实施例中导电回路104的材料优选采用铬和金，加工工艺为：首先在熔融石英圆片表面沉积一层较薄的铬膜，以提升金属层与熔融石英之间的吸附力；然后在铬膜的基础上沉积适当厚度的金膜。

参考图4，本实施例中的永磁体2为圆柱体结构，其直径小于谐振环101的内径。本实施例中的永磁体2优选为耐高温的钐钴永磁体，从而保证微陀螺仪的耐高温特性。

导磁部件3用于构造垂直于谐振环101振动平面的磁，导磁部件3距离谐振环101越近则谐振环101处的磁场越强，导磁部件3材料的磁导率越高则谐振环101处的磁场越强，有利于减小驱动力，降低功耗，提高陀螺仪的灵敏度。参考图5、图6，导磁部件3为一端封口的圆筒结构，且两个导磁部件3的结构相同。连接时，两个导磁部件3以端盖的形式扣接在永磁体2的两端。本实施例中，导磁部件3的材料优先选用坡莫合金。

本实施例中，基底4优选采用与环形谐振器1相同的熔融石英材料制成，目的在于保证与环形谐振器1的热膨胀系数相等，减少振动过程的能量损耗，提升环形谐振器1的品质因数。具体地，基底4是在比环形谐振器1较厚的熔融石英圆片上，加工出带有圆柱形凹槽401的结构，其中，圆柱形凹槽401的内径略大于导磁部件3的圆柱筒的外径，以用于嵌入固定导磁部件3。在具体实施过程中，基底4上的凹槽401既可以是沉槽，即图7所示；也可以是通孔，即图8所示。

本实施例中，锚点区102的底部与基底4的顶部键合粘接。组装上述部件形成MEMS陀螺仪后，永磁体2从谐振环101的中央垂直穿过，两端各套有一个导磁部件3，基底4与环形谐振器1的锚点区102粘接在一起。

本实施例中MEMS陀螺仪的工作原理为：

本实施例中的MEMS陀螺仪工作在二阶面内振动模态，该模态的振型为椭圆形，具有两个波腹，并且存在一个互成45°的简并模态。通过在其中一个导电回路104的两个电极施加电压使电流经过谐振环101，谐振环101上的电流在磁场中受到安培力作用，使谐振环101运动。当施加的电压是交流信号且频率等于陀螺仪的二阶模态固有频率时，陀螺仪的第一模态被激励起振；当陀螺仪相对惯性空间发生转动时，由于科里奥利力的作用，与第一模态互成45°的简并模态将被激励起振，称为第二模态。当第二模态振动时，谐振环101上的导线在磁场中运动，根据法拉第电磁感应定律，谐振环101上的导电回路104将产生感应电动势，通过测量解算感应电动势信号即可得到陀螺仪相对惯性空间转动的角速度。

实施例2

基于实施例1中的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，本实施例提供了一种配套的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，取一张熔融石英圆片，将掩膜覆盖于熔融石英圆片表面，其中，掩膜与熔融石英圆片尺寸相同，且掩膜上具有导电回路104的镂空图形；

步骤2，使用气相沉积方法，首先把适当厚度的铬沉积到覆盖有掩膜的熔融石英圆片上，然后把适当厚度的金沉积到覆盖有掩膜的熔融石英圆片上，再取下掩膜，即得到附着有导电回路104的熔融石英圆片；

步骤3，根据熔融石英圆片上的导电回路104进行二次定位，使用激光对熔融石英圆片上的环形谐振器1轮廓进行照射；

步骤4，将经过步骤3处理的熔融石英圆片置于刻蚀液中，待激光照射区域腐蚀完毕后将熔融石英圆片取出，即得到带有多个环形谐振器1的熔融石英圆片，即图9所示；

步骤5，在另一张较厚的熔融石英圆片上加工设有凹槽401的基底4，基底4的位置和数量与步骤4得到的带有多个环形谐振器1的熔融石英圆片位置对应、数量相同；

步骤6，在每个基底4的凹槽401中安装一个导磁部件3，得到带有基底4和导磁部件3的熔融石英圆片；

步骤7，将步骤4和步骤6分别得到的两张熔融石英圆片的锚点区102键合在一起，再把永磁体2从每个谐振环101的中央穿过，安装在导磁部件3当中，然后将另一个导磁部件3安装在每个永磁体2的另一端；

步骤8，按照陀螺仪的外廓对熔融石英圆片切割，即得到若干个电磁式熔融石英环形微陀螺仪。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，包括环形谐振器、永磁体、导磁部件和基底，所述基底与所述环形谐振器采用相同的熔融石英材料制成；

所述环形谐振器固定设在所述基底顶部，所述环形谐振器的中心设有谐振环，且所述谐振环套设在所述永磁体上；

所述导磁部件为两个，其中一个所述导磁部件覆盖在所述永磁体的第一端且位于所述环形谐振器上方，另一个所述导磁部件覆盖在所述永磁体的第二端且嵌入所述基底；

所述环形谐振器还包括锚点区与若干导电回路；

所述锚点区间隔环绕在所述谐振环周围，且所述锚点区与所述谐振环通过若干呈环向间隔分布的支撑梁相连；

所述导电回路设在所述环形谐振器顶部，且所述导电回路的两端位于所述锚点区顶部，所述导电回路的中段位于所述支撑梁、所述谐振环顶部。

2.根据权利要求1所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述锚点区的底部与所述基底的顶部键合粘接。

3.根据权利要求1或2所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述永磁体为圆柱结构，所述导磁部件为一端封口的圆筒结构。

4.根据权利要求1或2所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述基底的顶部设有凹槽或通孔，以用于嵌入所述导磁部件。

5.根据权利要求1或2所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述永磁体采用耐高温的钐钴永磁体。

6.根据权利要求1或2所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述导磁部件采用坡莫合金制成。

7.根据权利要求1或2所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述导电回路采用铬和金制成。

8.一种权利要求1至7任一项所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，取一张熔融石英圆片，将掩膜覆盖于熔融石英圆片表面，其中，掩膜与熔融石英圆片尺寸相同，且掩膜上具有导电回路的镂空图形；

步骤2，依次将铬、金沉积到熔融石英圆片上，再取下掩膜，即得到附着有导电回路的熔融石英圆片；

步骤3，根据熔融石英圆片上的导电回路进行二次定位，使用激光对熔融石英圆片上的环形谐振器轮廓进行照射；

步骤4，将经过步骤3处理的熔融石英圆片置于刻蚀液中，待激光照射区域腐蚀完毕后将熔融石英圆片取出，即得到带有多个环形谐振器的熔融石英圆片；

步骤5，在另一张较厚的熔融石英圆片上加工设有凹槽的基底，基底的位置和数量与步骤4得到的带有多个环形谐振器的熔融石英圆片位置对应、数量相同；

步骤6，在每个基底的凹槽中安装一个导磁部件，得到带有基底和导磁部件的熔融石英圆片；

步骤7，将步骤4和步骤6分别得到的两张熔融石英圆片的锚点区键合在一起，再把永磁体从每个谐振环的中央穿过，安装在导磁部件当中，然后将另一个导磁部件安装在每个永磁体的另一端；

步骤8，按照陀螺仪的外廓对熔融石英圆片切割，即得到若干个电磁式熔融石英环形微陀螺仪。

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