CN116625344B - 一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺 - Google Patents

一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺，包括半球谐振子及图案化电极，图案化电极包括基础电极、环形电极、电极条及辅助导电电极，基础电极镀设于谐振子内圆柱外表面及谐振子内圆角表面，环形电极镀设于谐振子唇沿上表面或镀设于谐振子唇沿下方的谐振子内球面，电极条为多个镀设于谐振子内球面且分别与基础电极、环形电极导通，辅助导电电极沿着谐振子内圆角表面向谐振子内球面延伸。本发明提供的陀螺提高了半球谐振子的Q值，提升了谐振陀螺的精度。

Description

一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺
技术领域
本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺。
背景技术
半球谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感部件，通常由非导电性的熔融石英玻璃超精密加工而成。谐振子品质因数即Q值是反映谐振子制造性能的核心指标，谐振子Q值越高，振动损耗越小，谐振陀螺精度也越高，目前超精密加工的谐振子Q值已经突破1000万水平。为实现半球谐振子的激励和检测控制，必须对超精密加工的半球谐振子进行镀膜，在谐振子表面形成导电薄膜电极。半球谐振子镀膜区域决定着薄膜电极的形状和面积。当前半球谐振子的镀膜区域主要分为内球面区域全部均匀镀膜、内球面和唇沿区域全部均匀镀膜、内球面和外球面区域全部均匀镀膜三种方案，并未进行图案化电极设计。而半球谐振子镀膜区域面积越大，相应的电极面积越大，产生的振动损耗也越大，镀膜后谐振子Q值越低。目前多种镀膜技术如：电子束蒸发镀膜、磁控溅射镀膜技术和原子层沉积技术等，镀膜材料（Cr、Ti、Au、Al等）、膜层厚度（5~100nm）已先后应用于半球谐振子镀膜，形成谐振子薄膜电极，然而镀膜后谐振子Q值下降幅度仍大于等于50%，镀膜谐振子振动损耗过大，镀膜谐振子Q值损失过半。此外，在研究电极厚度对振动损耗影响的过程中发现，在一定的电极厚度区间范围内，振动损耗随电极厚度减小而减小，但并不是厚度越薄谐振子Q值越高。电极厚度越薄带来电阻越大，陀螺噪声相应增大，同样导致陀螺精度变差。综上所述，现有的技术方案已经难以支撑半球谐振子低损耗镀膜的需求，使得半球谐振子低损耗镀膜成为限制半球谐振陀螺精度提升的技术瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺，依据谐振陀螺半球谐振子的振动特性，对半球谐振子球面电极进行图案化设计，削减半球谐振子低振幅区域球面电极面积，降低镀膜半球谐振子振动损耗和电阻，从而提高半球谐振子的Q值，提升谐振陀螺的精度。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺，其包括半球谐振子及图案化电极，所述半球谐振子设有谐振子唇沿、谐振子内球面、谐振子内圆柱及谐振子内圆角，所述谐振子内圆角设于谐振子内球面与谐振子内圆柱的连接处，所述图案化电极包括基础电极、环形电极、电极条及辅助导电电极，所述基础电极镀设于谐振子内圆柱外表面及谐振子内圆角表面，所述环形电极镀设于谐振子唇沿上表面或镀设于谐振子唇沿下方的谐振子内球面，所述电极条为多个镀设于谐振子内球面且分别与基础电极、环形电极导通，所述辅助导电电极沿着谐振子内圆角表面向谐振子内球面延伸。
进一步，基础电极覆盖的谐振子内圆角表面的宽度为0.5~1且基础电极的终止线平行于谐振子内圆角的纬线，/>为谐振子内圆角的弧长，基础电极的厚度为30~50nm，基础电极的电阻小于5Ω。
进一步，环形电极镀设于谐振子唇沿上表面，环形电极的宽度为谐振子唇沿上表面的宽度。
进一步，环形电极镀设于谐振子唇沿下方的谐振子内球面，环形电极的宽度为，/>为谐振子内球面顶端到底端的弧长，环形电极的厚度为3~20nm且环形电极的电阻小于50Ω。
进一步，电极条的个数为3~12条且沿谐振子内球面均匀设置，每个所述电极条的厚度为20~50nm，每个所述电极条两条边界纬线在谐振子唇沿平面内的夹角为2~15°，每个电极条的电阻小于5Ω。
进一步，辅助电极的宽度为0~3/4，/>为谐振子内球面底端到顶端的弧长，辅助电极的电阻小于5Ω，辅助电极的厚度为20~40nm。
发明的有益效果：
本发明提供的一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺，依据谐振陀螺半球谐振子的振动特性，对半球谐振子球面电极进行图案化设计，削减半球谐振子低振幅区域球面电极的面积，解决了常规电极设计方案增加电极厚度降低电极电阻的同时引起Q值剧烈下降的矛盾问题，提升了半球谐振陀螺的精度。
附图说明
图1是本发明半球谐振子及图案化电极结构示意图。
图2是本发明半球谐振子及图案化电极俯视结构示意图。
图3是本发明电极条宽度示意图。
图4是本发明半球谐振子结构示意图。
图5是本发明半球谐振子剖视结构示意图。
图中：1.谐振子唇沿，2.谐振子内球面，3.谐振子内圆柱，4.辅助导电电极，5. 电极条，6.环形电极，7.谐振子内圆角，8.基础电极。
具体实施方式
一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺，其包括半球谐振子及图案化电极，半球谐振子及图案化电极结构示意图如图1、图2所示，所述半球谐振子设有谐振子唇沿1、谐振子内球面2、谐振子内圆柱3及谐振子内圆角7，所述谐振子内圆角设于谐振子内球面与谐振子内圆柱的连接处，半球谐振子结构示意图如图4、图5所示，所述图案化电极包括基础电极8、环形电极6、电极条5及辅助导电电极4，所述基础电极镀设于谐振子内圆柱外表面及谐振子内圆角表面，所述环形电极镀设于谐振子唇沿上表面或镀设于谐振子唇沿下方的谐振子内球面，所述电极条为多个镀设于谐振子内球面且分别与基础电极、环形电极导通，所述辅助导电电极沿着谐振子内圆角表面向谐振子内球面延伸。
半球谐振子镀膜后，电极厚度的周向不均匀性会影响谐振子频率裂解和阻尼不均。电极厚度周向不均匀性越大，引起的谐振子频率裂解和周向阻尼不均越大，导致谐振陀螺的精度越差。在谐振陀螺工作过程中，谐振子始终处于四波幅振动状态，谐振子唇沿部位是二次谐波振幅最大的区域，镀膜电极产生的振动损耗最大，属于半球谐振子上最敏感的激励和检测部位，而从谐振子唇沿沿谐振子内球面往谐振子内圆角方向延伸，二次谐波振幅越来越小，在谐振子内圆角处振幅很小，在谐振子内圆柱上二次谐波振幅为零，镀膜电极产生的振动损耗很小。
图案化是光刻技术中常用的一种电极制备方法，然而光刻技术难以在曲面上应用。本发明图案化是依据谐振陀螺半球谐振子上述振动特性，在半球谐振子球面及唇沿进行图案化设计，在不影响谐振子频率裂解和阻尼不均的条件下，可以减小电极面积，提高谐振子Q值。
在低损耗镀膜过程中，选择在谐振子内圆柱和部分谐振子内圆角处采用全覆盖的形式镀膜形成基础电极，由于该区域电极对振动损耗影响不大，对电极的要求是导电性良好即可，因此采用全覆盖的方式降低基础电极的电阻，从而可以降低谐振陀螺的噪声。
由于在谐振子唇沿部位是二次谐波振幅最大的区域，而从谐振子唇沿沿谐振子内球面往谐振子内圆角方向延伸，二次谐波振幅越来越小，所以在谐振子唇沿上表面或镀设于谐振子唇沿下方的谐振子内球面设置形成一个圆弧形的环形电极，然后通过多个电极条将环形电极与基础电极导通，既可以减少电极面积，降低振动损耗下降幅度，提高谐振子Q值，又可以减小激励和检测过程中信号串扰，降低谐振陀螺的噪声，提高谐振陀螺的精度，解决了常规电极设计方案增加电极厚度降低电极电阻的同时引起Q值剧烈下降的矛盾问题。
而在谐振子内圆角表面向谐振子内球面延伸的部位设置辅助导电电极，可以进一步增加图案化电极的导电性，降低图案化电极的电阻。
进一步，基础电极覆盖的谐振子内圆角表面的宽度为0.5~1且基础电极的终止线平行于谐振子内圆角的纬线，/>为谐振子内圆角的弧长，/>为谐振子内球面与谐振子内圆角的交线，/>为谐振子内圆柱与谐振子内圆角的交线。
基础电极的厚度为30~50nm，基础电极的电阻小于5Ω，这样既可以保证基础电极周向的均匀性，又可以在保证导电性良好的前提下，尽量减小该区域电极对振动损耗的影响，降低谐振陀螺的噪声。
进一步，环形电极镀设于谐振子唇沿上表面，环形电极的宽度为谐振子唇沿上表面的宽度。
进一步，环形电极镀设于谐振子唇沿下方的谐振子内球面，环形电极的宽度为，/>为谐振子内球面顶端到底端的弧长，环形电极的厚度为3~20nm且环形电极的电阻小于50Ω，/>为谐振子唇沿与谐振子内球面的交线。
进一步，电极条的个数为3~12条且沿谐振子内球面均匀设置，每个所述电极条的厚度为20~50nm，每个所述电极条两条边界纬线在谐振子唇沿平面内的夹角为2~15°，每个电极条的电阻小于5Ω。
在谐振子唇沿上表面或谐振子唇沿下方的谐振子内球面设置一个环形电极，环状电极属于谐振陀螺的敏感电极，在环形电极与基础电极之间设置多个电极条，既可以满足半球谐振陀螺的激励与检测需求，又可以减少电极面积，降低振动损耗下降幅度，提高谐振子Q值，减小激励和检测过程中信号串扰，降低谐振陀螺的噪声，提高谐振陀螺的精度。并且由于电极条两条边界纬线在谐振子唇沿平面内的夹角为2~15°，可以优选5~10°，电极条的宽度由上而下逐渐减小，可以进一步解决由于电极面积导致振动损耗增大的问题，若/>值太小，使得在靠近谐振子内圆角的基础电极处，电极条宽度太细，会导致电阻增大，制造也非常困难；若/>值太大，则会由于增大电极面积而导致振动损耗增大，对电极条个数的限制也同样道理，既能保证良好的导电性能，又不会由于增大电极面积而导致振动损耗增大，电极条宽度示意图如图3所示。
进一步，辅助电极的宽度为0~3/4，/>为谐振子内球面底端到顶端的弧长，辅助电极的电阻小于5Ω，辅助电极的厚度为20~40nm。
电极电阻是影响谐振陀螺噪声的重要参数，电阻越大，陀螺噪声越大，陀螺精度越低。在图案化电极设计中，电极条长度越长或环形电极宽度越小，电极电阻越大；电极条宽度越窄，电极电阻越大；谐振子内圆角处的基础电极宽度越窄，电极电阻越大，谐振子内圆角处的基础电极厚度越薄，电极电阻也越大，但在半球谐振子Q值是第一重要指标，电极电阻是相对次要的指标，因而，为进一步降低图案化电极电阻，且保持谐振子Q值变化不大的情况下，设计辅助电极是一个有效方法，辅助电极的要求与基础导电电极一致，主要为了增加图案化电极的导电性，降低图案化电极电阻，辅助电极的实质是将基础电极沿着内球面往环形电极延伸，对辅助电极指标的控制，可以更好地保证图案化电极的导电性能。
综上所述，本发明提供的一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺，依据谐振陀螺半球谐振子的振动特性，对半球谐振子球面电极进行图案化设计，削减半球谐振子低振幅区域球面电极面积，降低镀膜半球谐振子振动损耗和电阻，从而提高了半球谐振子的Q值，提升了谐振陀螺的精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺，其特征在于，包括半球谐振子及图案化电极，所述半球谐振子设有谐振子唇沿、谐振子内球面、谐振子内圆柱及谐振子内圆角，所述谐振子内圆角设于谐振子内球面与谐振子内圆柱的连接处，所述图案化电极包括基础电极、环形电极、电极条及辅助导电电极，所述基础电极镀设于谐振子内圆柱外表面及谐振子内圆角表面，所述环形电极镀设于谐振子唇沿下方的谐振子内球面，所述电极条为多个镀设于谐振子内球面且分别与基础电极、环形电极导通，所述辅助导电电极沿着谐振子内圆角表面向谐振子内球面延伸，基础电极覆盖的谐振子内圆角表面的宽度为0.5~1且基础电极的终止线平行于谐振子内圆角的纬线，/>为谐振子内圆角的弧长，基础电极的厚度为30~50nm，基础电极的电阻小于5Ω，环形电极镀设于谐振子唇沿下方的谐振子内球面时，环形电极的宽度为/>，/>为谐振子内球面顶端到底端的弧长，环形电极的厚度为3~20nm且环形电极的电阻小于50Ω，电极条的个数为3~12条且沿谐振子内球面均匀设置，每个所述电极条的厚度为20~50nm，每个所述电极条两条边界纬线在谐振子唇沿平面内的夹角为2~15°，每个电极条的电阻小于5Ω，辅助电极的宽度为0~3/4/>，/>为谐振子内球面底端到顶端的弧长，辅助电极的电阻小于5Ω，辅助电极的厚度为20~40nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于低损耗半球谐振子图案化电极的谐振陀螺，其特征在于，环形电极镀设于谐振子唇沿上表面，环形电极的宽度为谐振子唇沿上表面的宽度。
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