CN118111407A - 电极可灵活配置的熔融石英微陀螺及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电极可灵活配置的熔融石英微陀螺及其制备方法。该陀螺包括基底，设置在基底上的永磁体，覆盖在永磁体两端的导磁部件，以及设置在基底顶部并套设在永磁体上的谐振器，其中，谐振器为双面谐振器，在双面谐振器上制作双面导电回路；通过对双面导电回路中的电极采用不同连接方式，可以提升检测的灵敏度，避免倾覆力矩的产生；或消除驱动信号与检测信号的耦合问题；或用于陀螺仪的模态匹配修调，提升修调能力，以满足差异化功能需求。

Description

电极可灵活配置的熔融石英微陀螺及其制备方法

技术领域

本申请涉及微机电技术领域，特别是涉及一种电极可灵活配置的熔融石英微陀螺及其制备方法。

背景技术

陀螺仪是一种惯性传感器，用于测量运动载体在惯性空间中的角度或角速度信息，是惯性导航系统的核心组件。它在现代工业控制、航空航天以及消费电子等领域发挥着至关重要的作用。其中，微机电系统(MEMS)陀螺仪自20世纪80年代问世以来，相较于光学陀螺和传统机械转子陀螺，具备体积小、功耗低、可批量生产和易集成等特点。这使其符合产品小型化、集成化和信息化的发展趋势，因此在消费电子等领域都展现出广泛的应用前景，成为人们关注的焦点之一。

传统的高精度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。经过改良，出现了电磁驱动的MEMS陀螺仪。然而，由于电磁驱动的MEMS陀螺仪的导电回路只在谐振结构的上表面，因此当陀螺工作时，在安培力作用下，谐振结构会受到倾覆力矩的作用而产生微小变形，致使谐振环的惯性矩发生变化，进而影响结构的模态振型，并且存在灵敏度不高、驱动模态与检测模态信号耦合的问题，对陀螺仪的性能精度产生影响。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高灵敏度，消除驱动模态与检测模态信号耦合问题，提高检测精度的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺及其制备方法。

一种电极可灵活配置的熔融石英微陀螺，包括基底，设置在基底上的永磁体，覆盖在永磁体两端的导磁部件，以及设置在所述基底顶部并套设在所述永磁体上的谐振器，所述谐振器为双面谐振器，在所述双面谐振器上制作双面导电回路；

对所述双面导电回路中的电极采用不同连接方式，以满足差异化功能需求。

一种电极可灵活配置的熔融石英微陀螺制备方法，所述方法包括：

步骤1，选取熔融石英片，采用激光对熔融石英片上的谐振器轮廓进行照射，得到激光照射后的熔融石英片；

步骤2，将设置有导电回路图形的掩膜覆盖在被激光照射后的熔融石英片上；

步骤3，通过气相沉积方法，将适当厚度的铬沉积到覆盖有掩膜的熔融石英片上后，再将适当厚度的金沉积到覆盖有掩膜的熔融石英片第一表面上，取下掩膜，得到第一导电回路；

步骤4，采用步骤2和3的方法，依次将铬和金沉积到第二表面，得到第二导电回路；

步骤5，采用AR胶将经过步骤4处理的熔融石英片的第一表面、第二表面进行全覆盖，然后，将光刻胶经过匀胶、光刻、显影，最后图形化为环形谐振器的轮廓，覆盖在第一表面、第二表面AR胶的外侧；

步骤6，通过干法刻蚀，对步骤5中被AR胶覆盖的第一表面、第二表面进行加工，直至熔融石英片被激光照射过的轮廓表面暴露出来，剩余被AR胶覆盖的导电回路表面；

步骤7，采用湿法刻蚀对熔融石英片进行加工，得到被腐蚀后的熔融石英片；

步骤8，通过清洗液去除被腐蚀后的熔融石英片表面AR胶，得到带有双面电极环形谐振器的熔融石英圆片；

步骤9，取另一张较厚的待制备熔融石英片制作基底，在中心处加工凹槽，并在基底表面沉积若干导电电极；

步骤10，在凹槽中安装一个导磁部件后，将步骤8得到的熔融石英圆片的第二电极面的电极与步骤9中的若干导电电极通过键合方式进行连接，然后将永磁体一端穿过谐振器，安装在导磁部件中，再将另一个导磁部件安装在永磁体另一端，得到电极可灵活配置的熔融石英微陀螺。

相较于现有技术，本发明提供的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺及其制备方法具有以下效果：

1.采用双面导电回路，通过对双面导电回路的电极采用不同的连接方式，可以提升检测的灵敏度，避免谐振结构倾覆力矩的产生，提升陀螺仪的性能水平；或消除驱动信号与检测信号的耦合问题，提升陀螺仪的检测精度；或用于陀螺仪的模态匹配修调，提升修调能力；以满足差异化功能需求。

2.体积小，功耗低。

附图说明

图1为本发明实施例1中提供的陀螺仪轴测图；

图2为本发明实施例1中提供的基底轴测图；

图3为本发明实施例1中提供的陀螺仪轴剖面图；

图4为本发明实施例1中提供的第一种电极连接方式示意图；

图5为本发明实施例1中提供的第二种电极连接方式示意图；

图6为本发明实施例1中提供的第三种电极连接方式示意图。

附图标记说明：

基底1，凹槽101，导电电极102，永磁体2，导磁部件3，双面谐振器4，谐振环41，支撑梁42，电极区43，第一电极面44，第一电极442，第二电极443，中间回路段444，弧形回路段445，第二电极面45，第三电极451，第四电极452。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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，还可以是物理连接或无线通信连接；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。

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施方式进行详细说明。

实施例1

参阅图1至图6，为本实施例提供的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺结构，包括基底1，设置在基底1上的永磁体2，覆盖在永磁体2两端的导磁部件3，以及设置在基底1顶部并套设在永磁体2上的谐振器，谐振器为双面谐振器4，在双面谐振器4上制作双面导电回路，通过对双面导电回路采用不同连接方式，以满足差异化的功能需求。

具体地，基底1与双面谐振器4分别采用厚度不同的熔融石英材料制成，采用同样材质的熔融石英材料，目的在于保证与双面谐振器4的热膨胀系数相等，减少振动过程的能量损耗，提升双面谐振器4的品质因数。

如图2所示，基底1采用比较厚的熔融石英圆片，在中心位置加工出带有圆柱形的凹槽101，用于嵌入导磁部件3。在靠近圆周的附近沉积有若干导电电极102，用于与双面谐振器4进行连接和信号的传递。

结合图3，导磁部件3为结构相同的两个圆柱形凹槽结构部件，其外径与基底1的凹槽101的内径相适配，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，且其中一个导磁部件3嵌入基底1的凹槽101内。可以理解，导磁部件3用于构造垂直于谐振环41振动平面的磁场，导磁部件3距离谐振环41越近，则谐振环41处的磁场越强；导磁部件3材料的磁导率越高，则谐振环41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。永磁体2优选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的材料优先选用坡莫合金。

双面谐振器4为环形谐振器，其中央位置设置有一个谐振环41，靠近圆周附近的一圈为电极区43，在谐振环41与电极区43之间环向间隔设置若干双L型支撑梁42进行连接。由于熔融石英材料本身不导电，因此在双面谐振器4的第一电极面44和第二电极面45分别添加导电回路。两个电极面的导电回路图案可以相同，用于直接连接或功能化差异连接，进行信号传输使用；也可以不同，用于上表面修调使用。可以理解，谐振环41在两个导磁部件3中间，且谐振环41的两端到两个导磁部件3端面的距离完全相等，上下对称，以保证谐振环41的两端运动范围内磁场的均匀性，进而保证输入输出电信号与振动信号转换的线性关系。导电回路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。

其中，如图4所示，提供了第一种电极连接方式，称之为直接连接方式，第一电极面44和第二电极面45的电极图案相同，区别在于第一电极面44位于上表面，第二电极面45位于下表面。以第一电极面44为例进行结构说明，第一电极面44包括8个环向间隔分布的导电回路，导电回路包括沉积在支撑梁42上的中间回路段444，沉积在谐振环41上的弧形回路段445，以及设置在导电回路两端的第一电极442与第二电极443。第一电极442与第二电极443设置在电极区43上，并沿电极区43周向间隔设置，或者根据情况按照特定规律分布。连接时，将同一方位的导电回路连接，并将连接后的其中一个回路作为驱动信号的输入，将连接后的另一个回路作为检测信号的输出。

具体地，第一电极面44其中一个导电回路两端为第一电极442和第二电极443，则设同方位下第二电极面45的导电回路两端为第三电极452和第四电极453，将第一电极442与第三电极452通过引线进行连接，作为驱动信号的输入端，将第二电极443与第四电极453通过引线进行连接，作为接地端。同样的，将另一个导电回路按照上述方式连接，并将其中一个连接回路作为检测信号的输出端，另一个连接回路作为接地端。通过将第一电极面44与第二电极面45进行直接连接，且功能相同，两个电极面同时输入或输出相同信号，可以提升陀螺仪的灵敏度，同时避免倾覆力矩的作用，提升了陀螺仪的性能水平。

如图5所示，提供了第二种电极连接方式，称之为功能化差异连接方式，其第一电极面44和第二电极面45的电极图案设置与图4中相同，在此不做赘述。在连接方式上，选取同一方位，将第一电极面44的其中一个导电回路作为驱动信号的输入，将第二电极面45的其中一个导电回路作为检测信号的输出。

具体地，将第一电极442作为驱动信号的输入端，将第三电极452作为检测信号的输出端，将第二电极443与第四电极453连接作为接地端同时接地。第一电极面44与第二电极面45功能不同，通过这样的连接方式，可以消除陀螺驱动信号和检测信号耦合的问题，提升了陀螺仪的检测精度。

如图6所示，提供了第三种电极连接方式，主要用于陀螺仪的模态匹配修调。该连接方式下，第一电极面44和第二电极面45的电极图案不同，其中，第二电极面45图案不变，第一电极面44则包括了四个用于电热频率修调的导电回路与四个用于机械修调的导电回路，四个用于电热频率修调的导电回路与四个用于机械修调的导电回路两两间隔设置。用于电热频率修调的导电回路与第二电极面45的导电回路结构相同；机械修调导电回路则仅在支撑梁上沉积了中间回路段444，且中间回路段444连续。连接时，将第二电极面45的其中一个导电回路作为驱动信号的输入，另一个导电回路作为检测信号的输出，对第一电极面44的导电回路采用机械修调或电热频率修调，以用于陀螺仪的模态匹配修调。值得说明的是，第一电极面44还可以采用其他导电回路的设置，比如，在谐振环41与支撑梁42全覆盖金属层，仅用于机械修调；或者设置8组用于电热频率修调的导电回路，全部用于电热修调。

具体地，第二电极面45的其中一个导电回路的第三电极451作为驱动信号的输入端，第四电极452作为接地端。相邻的另一个导电回路中，以同样的方式设置，将其中一个电极作为检测信号的输出端，另一个电极作为接地端。

值得说明的是，进行组合时，将第二电极面45中各导电回路两端的电极与基底顶部的导电电极102位置一一对应，然后通过金金键合的方式连接。使用时，第一导电回路与同一方位的导电电极102连接即可。

本实施例中的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。通过在双面谐振器4第一电极面44的其中一个导电回路和第二电极面45对应位置的导电回路的电极施加电压使电流经过谐振环41，谐振环41上下表面的电流在磁场中受到安培力作用，使谐振环41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41上的导线在磁场中运动，根据法拉第电磁感应定律，谐振环41上的双面导电回路将产生感应电动势，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

本实施例提供了一种电极可灵活配置的熔融石英微陀螺制备方法，所述方法包括：

步骤1，选取熔融石英片，采用激光对熔融石英片上的谐振器轮廓进行照射，得到激光照射后的熔融石英片。可以理解，通过激光照射轮廓位置，使材料内部性质发生变化，以便于后续工序的处理；熔融石英片优选熔融石英圆片。

步骤2，将设置有导电回路图形的掩膜覆盖在被激光照射后的熔融石英片上。值得说明的是，掩膜与熔融石英片尺寸相同，且掩膜上具有导电回路的镂空图形，掩模版和熔融石英圆片的相对位置定位通过对准标记实现。

步骤3，通过气相沉积方法，将适当厚度的铬沉积到覆盖有掩膜的熔融石英片上后，再将适当厚度的金沉积到覆盖有掩膜的熔融石英片第一表面上，取下掩膜，得到第一导电回路。

步骤4，采用步骤2和3的方法，依次将铬和金沉积到第二表面，得到第二导电回路。可以理解，在对第二表面进行处理时，根据第一表面上的图案进行定位，使两面的导电回路在同一方位保持一致，然后通过气相沉积方法依次将铬和金沉积到第二表面得到导电回路。

步骤5，采用AR胶将经过步骤4处理的熔融石英片的第一表面、第二表面进行全覆盖，然后，将光刻胶经过匀胶、光刻、显影，最后图形化为环形谐振器的轮廓，覆盖在第一表面、第二表面AR胶的外侧。值得说明的是，采用AR胶，是在步骤7处理时，能够耐氢氟酸的腐蚀。

步骤6，通过干法刻蚀，对步骤5中被AR胶覆盖的第一表面、第二表面进行加工，直至熔融石英片被激光照射过的轮廓表面暴露出来，剩余被AR胶覆盖的导电回路表面。可以理解，经过步骤6的处理后，还剩余一定厚度的AR胶覆盖在电极上，覆盖的区域与环形谐振器的轮廓相同，实现金属电极的良好保护。

步骤7，采用湿法刻蚀对熔融石英片进行加工，得到被腐蚀后的熔融石英片。可以理解，由于步骤2中通过激光对掩膜覆盖的熔融石英片进行了处理，步骤7中通过湿法刻蚀，采用氢氟酸(HF)对激光照射区域的熔融石英片进行腐蚀，就能得到谐振结构。

步骤8，通过清洗液去除被腐蚀后的熔融石英片表面AR胶，得到带有双面电极环形谐振器的熔融石英圆片。

步骤9，取另一张较厚的待制备熔融石英片制作基底，在中心处加工凹槽，并在基底表面沉积若干导电电极。

步骤10，在凹槽中安装一个导磁部件后，将步骤8得到的熔融石英圆片的第二电极面的电极与步骤9中的若干导电电极通过键合方式进行连接，然后将永磁体一端穿过谐振器，安装在导磁部件中，再将另一个导磁部件安装在永磁体另一端，得到电极可灵活配置的熔融石英微陀螺。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电极可灵活配置的熔融石英微陀螺，包括基底，设置在基底上的永磁体，覆盖在永磁体两端的导磁部件，以及设置在所述基底顶部并套设在所述永磁体上的谐振器，其特征在于：所述谐振器为双面谐振器，在所述双面谐振器上制作双面导电回路；

对所述双面导电回路中的电极采用不同连接方式，以满足差异化功能需求。

2.根据权利要求1所述的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺，其特征在于，所述双面谐振器包括电极图案相同的第一电极面和第二电极面，所述第一电极面与所述第二电极面上均间隔设置有若干导电回路；

将所述第一电极面、所述第二电极面同一方位的导电回路连接，然后将连接后的其中一个回路作为驱动信号的输入，将连接后的另一个回路作为检测信号的输出。

3.根据权利要求2所述的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺，其特征在于，所述第一电极面的各导电回路两端设置有第一电极与第二电极，所述第二电极面的各导电回路两端设置有第三电极与第四电极；

所述第一电极与所述第三电极连接，作为驱动信号的输入端或检测信号的输出端；所述第二电极与所述第四电极连接，作为接地端。

4.根据权利要求1所述的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺，其特征在于，所述双面谐振器包括电极图案相同的第一电极面和第二电极面，所述第一电极面与所述第二电极面上均间隔设置有若干导电回路；

将所述第一电极面上的其中一个导电回路作为驱动信号的输入；将所述第二电极面上的其中一个导电回路作为检测信号的输出；

作为驱动信号输入的导电回路与作为检测信号输出的导电回路位于同一方位。

5.根据权利要求4所述的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺，其特征在于，所述第一电极面的各导电回路两端均设置有第一电极与第二电极，所述第二电极面的各导电回路两端均设置有第三电极与第四电极；

将第一电极作为驱动信号的输入端，将所述第三电极作为检测信号的输出端，所述第二电极与所述第四电极连接，作为接地端。

6.根据权利要求1所述的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺，其特征在于，所述双面谐振器包括电极图案不同的第一电极面和第二电极面，所述第一电极面设置有若干导电回路，所述第二电极面设置有与所述第一电极面不同数量的导电回路；

将所述第二电极面其中一个导电回路作为驱动信号的输入，将所述第二电极面另一个导电回路作为检测信号的输出；

对所述第一电极面的导电回路，采用机械修调或电热频率修调，以用于陀螺仪的模态匹配修调。

7.根据权利要求6所述的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺，其特征在于，所述第二电极面的各导电回路两端均设置有第三电极与第四电极；将所述第三电极作为驱动信号的输入端或检测信号的输出端，将所述第四电极作为接地端。

8.根据权利要求2至7任一项所述的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺，其特征在于，

所述基底顶部设置有若干导电电极，所述第二电极面各导电回路的电极与所述基底顶部的导电电极一一对应连接。

9.根据权利要求8所述的电极可灵活配置的熔融石英微陀螺，其特征在于，所述第二电极面各导电回路的电极与所述基底顶部的导电电极通过金金键合的方式连接。

10.一种电极可灵活配置的熔融石英微陀螺制备方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，选取熔融石英片，采用激光对熔融石英片上的谐振器轮廓进行照射，得到激光照射后的熔融石英片；

步骤2，将设置有导电回路图形的掩膜覆盖在被激光照射后的熔融石英片上；

步骤3，通过气相沉积方法，将适当厚度的铬沉积到覆盖有掩膜的熔融石英片上后，再将适当厚度的金沉积到覆盖有掩膜的熔融石英片第一表面上，取下掩膜，得到第一导电回路；

步骤4，采用步骤2和3的方法，依次将铬和金沉积到第二表面，得到第二导电回路；

步骤5，采用AR胶将经过步骤4处理的熔融石英片的第一表面、第二表面进行全覆盖，然后，将光刻胶经过匀胶、光刻、显影，最后图形化为环形谐振器的轮廓，覆盖在第一表面、第二表面AR胶的外侧；

步骤6，通过干法刻蚀，对步骤5中被AR胶覆盖的第一表面、第二表面进行加工，直至熔融石英片被激光照射过的轮廓表面暴露出来，剩余被AR胶覆盖的导电回路表面；

步骤7，采用湿法刻蚀对熔融石英片进行加工，得到被腐蚀后的熔融石英片；

步骤8，通过清洗液去除被腐蚀后的熔融石英片表面AR胶，得到带有双面电极环形谐振器的熔融石英圆片；

步骤9，取另一张较厚的待制备熔融石英片制作基底，在中心处加工凹槽，并在基底表面沉积若干导电电极；

步骤10，在凹槽中安装一个导磁部件后，将步骤8得到的熔融石英圆片的第二电极面的电极与步骤9中的若干导电电极通过键合方式进行连接，然后将永磁体一端穿过谐振器，安装在导磁部件中，再将另一个导磁部件安装在永磁体另一端，得到电极可灵活配置的熔融石英微陀螺。