環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺及其制備方法，包括：一個長方體硅基底、一個半球殼式中央諧振子、一個環(huán)形玻璃殼體、八個制作在環(huán)形玻璃上的金屬電極，其中：八個電極環(huán)繞中央諧振子均勻分布配置，包含四個驅(qū)動電極和四個檢測電極，并通過引線連接至引腳處；通過在對應引腳處施加正負電壓，驅(qū)動電極和檢測電極可以實現(xiàn)靜電驅(qū)動與檢測；所述中央半球殼諧振子和外圍的環(huán)形玻璃采用玻璃吹制過程制作。本發(fā)明采用MEMS工藝加工，結構簡單、體積小、精度較高，極具發(fā)展前景。
【專利說明】環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機電【技術領域】的固體波動模態(tài)匹配陀螺，具體地，涉及一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺及其制備方法。
【背景技術】
[0002]陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導航定位等領域有著非常重要的作用。隨著國防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導航系統(tǒng)對于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測、高可靠性、能適應各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展?；贛EMS技術的微陀螺儀采用批量制造技術加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且環(huán)境適應性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統(tǒng)技術相比有極大的提高，因而MEMS微陀螺已經(jīng)成為近些年來MEMS技術廣泛研究和應用開發(fā)的一個重要方向。
[0003]佐治亞理工大學的Johari等人在其論文“Capacitive bulk acoustic wavesilicon disk gyroscopes”中,提出了一種圓盤式體聲波陀螺,雖然具有較好的性能，但是其制作工藝較為復雜，工藝誤差不容易控制。在MEMS微陀螺中，半球諧振微陀螺具有體積小、功耗低、可靠性高、結構簡單等諸多優(yōu)點，具備較高的研究價值，應用前景很大。
[0004]然而，由于我國目前的微加工技術水平不高，這在一定程度上限制了我國微型半球諧振陀螺的發(fā)展與應用。因此，研究出一種適合當前加工技術水平的微型半球諧振陀螺的意義不言而喻。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺及其制備方法，本發(fā)明采用MEMS工藝加工，結構簡單、體積小、精度較高，極具發(fā)展前景。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺，包括:
[0007]一個長方體娃基底；
[0008]一個位于長方體硅基底中央的半球殼式中央諧振子；
[0009]一個沿半球殼式中央諧振子環(huán)繞一周的環(huán)形玻璃殼體，半球殼式中央諧振子與環(huán)形玻璃殼體兩者不接觸；
[0010]八個制作在環(huán)形玻璃殼體上的電極，包含四個驅(qū)動電極和四個檢測電極，并通過引線連接至引腳處；
[0011]其中:所述驅(qū)動電極與半球殼式中央諧振子均非接觸，所述檢測電極與半球殼式中央諧振子均非接觸，且四個驅(qū)動電極的空間位置與四個檢測電極的空間位置依次間隔分布；
[0012]當四個所述驅(qū)動電極中的兩個相對的驅(qū)動電極被施加交流電壓時，由電容感應效應廣生半球殼式中央諧振子在驅(qū)動|旲態(tài)的振動；當存在輸入角速度時，半球殼式中央諧振子的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，利用檢測電極處電容感應效應產(chǎn)生的敏感電信號進行信號檢測；所述驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)互相匹配。
[0013]優(yōu)選地，所述長方體硅基底上預先刻蝕出了所需要的中央圓形凹槽和環(huán)形凹槽，并在刻蝕出中央圓形凹槽和外圍環(huán)形凹槽的長方體硅基底上鍵合一層玻璃金屬，圖形化之后，用于半球殼式中央諧振子和環(huán)形玻璃殼體的吹制。
[0014]優(yōu)選地，所述微陀螺進一步包括連接引腳和驅(qū)動電極、檢測電極的連接線，所述引腳通過連接線將外部的電信號引入驅(qū)動電極或者將檢測電極處產(chǎn)生的電信號通過連接線導出。
[0015]優(yōu)選地，所述半球殼式中央諧振子的材料為玻璃，通過在高溫下吹制形成；在半球殼式中央諧振子上制作有電極。
[0016]優(yōu)選地，所述環(huán)形玻璃殼體通過在高溫下對玻璃吹制形成；在環(huán)形玻璃殼體上制作有八個電極，分別為四個驅(qū)動電極和四個檢測電極。
[0017]優(yōu)選地，所述驅(qū)動電極的材料為金屬，驅(qū)動電極在半球殼式中央諧振子外圍的環(huán)形玻璃殼體上依次間隔分配布置，即驅(qū)動電極和檢測電極依次分布排列，每兩個驅(qū)動電極之間是一個檢測電極，同樣，每兩個檢測電極之間是一個驅(qū)動電極，用于激勵半球殼式中央諧振子產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)振型。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺的制備方法，包括以下步驟:
[0019]第一步，對單晶的長方體硅基底進行清洗；
[0020]第二步，對長方體硅基底進行涂膠、光刻并顯影，得到光刻膠；
[0021]第三步，對長方體硅基底進行ICP刻蝕，去膠后得到一個中央圓形凹槽和外圍環(huán)形凹槽，其中，外圍環(huán)形凹槽環(huán)繞中央圓形凹槽一周，且中央圓形凹槽的外邊緣與外圍環(huán)形凹槽的內(nèi)邊緣保持一距離間隔；
[0022]第四步，在刻蝕出中央圓形凹槽和外圍環(huán)形凹槽的長方體硅基底上方鍵合一層玻璃；
[0023]第五步，在玻璃上方沉積一層金屬，涂膠、光刻、顯影并刻蝕，去膠后得到覆蓋在玻璃上的半球殼式中央諧振子上的圓形金屬電極、環(huán)形玻璃殼體上的方形金屬電極和長方形金屬引腳；其中，圓形金屬電極完全覆蓋中央圓形凹槽，方形金屬電極完全覆蓋外圍環(huán)形凹槽的其中一部分；長方形金屬引腳與圓形金屬電極、方形金屬電極通過金屬連接線一體化連接，通過刻蝕金屬后直接形成；
[0024]第六步，高溫800°C -900°C下中央圓形凹槽和外圍環(huán)形凹槽內(nèi)的空氣膨脹，將玻璃吹制成所需要的半球形狀(即半球殼式中央諧振子)和環(huán)形殼體(即環(huán)形玻璃殼體)，得到環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺。
[0025]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0026]1、采用硅片基體作為主要加工結構，通過MEMS的方法進行加工，工藝簡單，成本較低，并可實現(xiàn)批量生產(chǎn)；
[0027]2、采用該方法制作的環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺，具有簡單的結構和較高的性能，小尺寸和較高的品質(zhì)因數(shù)使其具有較廣泛的應用范圍；
[0028]3、提出了一種加工該種玻璃吹制式微型半球諧振陀螺的方法，該方法僅僅采用表面微加工技術，簡化了加工流程，工藝誤差減小，可以得到更好的性能；
[0029]4、中央諧振子材料為石英玻璃，使其剛度較大，具有較好的抗沖擊性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0031]圖1為本發(fā)明一較優(yōu)實施例立體結構示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明一較優(yōu)實施例在長方體基體上刻蝕出的凹槽結構示意圖；
[0033]圖3 (a)?圖3 (f)為環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺主要的加工工藝流程圖。
[0034]圖中，1-長方體硅基底，2-半球殼式中央諧振子，3-環(huán)形玻璃殼體，4-中央圓形凹槽，5-外圍環(huán)形凹槽,6-光刻膠,7-玻璃,8-圓形金屬電極,9-方形金屬電極，10-長方形金屬引腳，11-中央圓形凹槽的外邊緣，12-圓形金屬電極的外邊緣。
【具體實施方式】
[0035]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0036]實施例1
[0037]如圖1-2所示，本實施例提供一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺，包括:
[0038]一個長方體娃基底I ;
[0039]一個半球殼式中央諧振子2 ；
[0040]八個制作在環(huán)形玻璃殼體3上的金屬電極，包含四個驅(qū)動電極和四個檢測電極，并通過引線連接至引腳10處；四個驅(qū)動電極與半球殼式中央諧振子2均非接觸，四個檢測電極與半球殼式中央諧振子2均非接觸，且四個驅(qū)動電極的空間位置與四個檢測電極的空間位置依次間隔分布；
[0041]半球殼式中央諧振子2和環(huán)形玻璃殼體3均由玻璃吹制形成，半球殼式中央諧振子2位于長方體硅基底I的中央，環(huán)形玻璃殼體3沿半球殼式中央諧振子2環(huán)繞一周，二者不接觸；
[0042]當四個所述驅(qū)動電極中的兩個相對的驅(qū)動電極被施加交流電壓時，由電容感應效應產(chǎn)生半球殼式中央諧振子2在驅(qū)動模態(tài)的振動；當存在輸入角速度時，半球殼式中央諧振子2的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，利用檢測電極處電容感應效應產(chǎn)生的敏感電信號進行信號檢測；所述驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)互相匹配。
[0043]實施例2
[0044]如圖3(a)?圖3(f)，本實施例提供一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺的制作方法，包括以下步驟:
[0045]第一步，如圖3(a)所示，對單晶的長方體硅基底I進行清洗；
[0046]第二步，如圖3(b)所示，對長方體硅基底I進行涂膠、光刻并顯影，得到光刻膠6 ；
[0047]第三步，如圖3(c)所示，對長方體硅基底I進行ICP刻蝕，去膠后得到一個中央圓形凹槽4和外圍環(huán)形凹槽5，其中，外圍環(huán)形凹槽5環(huán)繞中央圓形凹槽4 一周，且中央圓形凹槽4的外邊緣11與外圍環(huán)形凹槽5的內(nèi)邊緣保持一定的距離間隔；
[0048]第四步，如圖3(d)所示，在刻蝕出中央圓形凹槽4和外圍環(huán)形凹槽5的長方體硅基底I上方鍵合一層玻璃7 ；
[0049]第五步，如圖3 (e)所示，在玻璃7上方沉積一層金屬，涂膠、光刻、顯影并刻蝕，去膠后得到覆蓋在玻璃7上的半球殼式中央諧振子2上的圓形金屬電極8、環(huán)形玻璃殼體3上的方形金屬電極9和長方形金屬引腳10 ;其中，圓形金屬電極8完全覆蓋中央圓形凹槽4，如圖3(e)中中央圓形凹槽的外邊緣11與圓形金屬電極的外邊緣12的位置所示；方形金屬電極9完全覆蓋外圍環(huán)形凹槽5的其中一部分；長方形金屬引腳10與圓形金屬電極8、方形金屬電極9通過金屬連接線一體化連接，通過刻蝕金屬后直接形成；
[0050]第六步，如圖3(f)所示，高溫800°C-900°C下中央圓形凹槽4和外圍環(huán)形凹槽(5)內(nèi)的空氣膨脹，將玻璃吹制成所需要的半球形狀(即半球殼式中央諧振子)和環(huán)形殼體(即環(huán)形玻璃殼體)，得到環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺。
[0051]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權利要求】
1.一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺，其特征在于，包括: 一個長方體娃基底； 一個位于長方體娃基底中央的半球殼式中央諧振子； 一個沿半球殼式中央諧振子環(huán)繞一周的環(huán)形玻璃殼體，半球殼式中央諧振子與環(huán)形玻璃殼體兩者不接觸； 八個制作在環(huán)形玻璃殼體上的電極，包含四個驅(qū)動電極和四個檢測電極； 其中:所述驅(qū)動電極與半球殼式中央諧振子為非接觸，所述檢測電極與半球殼式中央諧振子為非接觸，且四個驅(qū)動電極的空間位置與四個檢測電極的空間位置依次間隔分布；所述驅(qū)動電極和檢測電極分布在圍繞中央半球型諧振子一周的環(huán)形玻璃上，中央諧振子和外圍的環(huán)形玻璃均由玻璃吹制過程形成。 當四個所述驅(qū)動電極中的兩個相對的驅(qū)動電極被施加交流電壓時，由電容感應效應產(chǎn)生半球殼式中央諧振子在驅(qū)動|吳態(tài)的振動；當存在輸入角速度時，半球殼式中央諧振子的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，利用檢測電極處電容感應效應產(chǎn)生的敏感電信號進行信號檢測；所述驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)互相匹配。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺，其特征在于，所述長方體硅基底上預先刻蝕出了所需要的中央圓形凹槽和外圍的環(huán)形凹槽，并在刻蝕了中央圓形凹槽和外圍環(huán)形凹槽的硅基底上方鍵合一層玻璃金屬，圖形化之后，用于半球殼式中央諧振子和環(huán)形玻璃殼體的吹制。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺，其特征在于，所述半球殼式中央諧振子的材料為玻璃，在半球殼式中央諧振子上制作有電極，該電極用以和環(huán)形玻璃上的電極配合實現(xiàn)對中央諧振子的驅(qū)動和檢測。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺，其特征在于，所述驅(qū)動電極的材料為金屬，驅(qū)動電極在環(huán)形玻璃殼體上依次間隔分配布置，即驅(qū)動電極和檢測電極依次分布排列，每兩個驅(qū)動電極之間是一個檢測電極，同樣，每兩個檢測電極之間是一個驅(qū)動電極，用于激勵半球殼式中央諧振子產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)振型。
5.根據(jù)權利要求1-4任一項所述的一種環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺，其特征在于，所述微陀螺進一步包括連接引腳和驅(qū)動電極、檢測電極的連接線，所述引腳通過連接線將外部的電信號引入驅(qū)動電極或者將檢測電極處產(chǎn)生的電信號通過連接線導出。
6.—種權利要求1-5任一項所述環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，對單晶的長方體硅基底(I)進行清洗； 第二步，對長方體硅基底(I)進行涂膠、光刻并顯影，得到光刻膠(6)； 第三步，對長方體硅基底⑴進行ICP刻蝕，去膠后得到一個中央圓形凹槽(4)和外圍環(huán)形凹槽(5)，其中，外圍環(huán)形凹槽(5)環(huán)繞中央圓形凹槽(4) 一周，且中央圓形凹槽(4)的外邊緣(11)與外圍環(huán)形凹槽(5)的內(nèi)邊緣保持一定的距離間隔； 第四步，在刻蝕出中央圓形凹槽(4)和外圍環(huán)形凹槽(5)的長方體硅基底(I)上方鍵合一層玻璃(7)； 第五步，在玻璃(7)上方沉積一層金屬，涂膠、光刻、顯影并刻蝕，去膠后得到覆蓋在玻璃(7)上的半球殼式中央諧振子(2)上的圓形金屬電極(8)、環(huán)形玻璃殼體(3)上的方形金屬電極(9)和長方形金屬引腳(10);其中，圓形金屬電極⑶完全覆蓋中央圓形凹槽⑷；方形金屬電極(9)完全覆蓋外圍環(huán)形凹槽(5)的其中一部分；長方形金屬引腳(10)與圓形金屬電極(8)、方形金屬電極(9)通過金屬連接線一體化連接，通過刻蝕金屬后直接形成；第六步，高溫800°C -900°C下中央圓形凹槽(4)和外圍環(huán)形凹槽(5)內(nèi)的空氣膨脹，將玻璃吹制成所需要的半球形狀即半球殼式中央諧振子以及環(huán)形殼體即環(huán)形玻璃殼體，得到環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺。
【文檔編號】G01C19/56GK104197911SQ201410390473
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權日:2014年8月8日
【發(fā)明者】張衛(wèi)平, 劉亞東, 唐健, 汪濙海, 成宇翔, 孫殿竣, 陳文元 申請人:上海交通大學