上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，包括：一個長方體基體、一個半球諧振體、一根位于基體中央的支柱、一個空腔、八個在基體外圍對稱分布的電極、一個頂部支撐體和一個頂部支撐柱，其中：半球諧振體受到支柱和頂部支撐體固定，位于空腔中；長方體基體和頂部支撐體通過鍵合連接在一起；頂部支撐柱位于頂部支撐體中央。本發(fā)明具有工藝簡單，性能優(yōu)秀，可靠性高，利于真空封裝等特點。
【專利說明】上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機電【技術(shù)領(lǐng)域】的半球諧振陀螺，具體地，涉及一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺。

【背景技術(shù)】
[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(dǎo)航定位等領(lǐng)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(dǎo)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(yīng)各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展?；贛EMS技術(shù)的微陀螺儀采用微納批量制造技術(shù)加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且環(huán)境適應(yīng)性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統(tǒng)技術(shù)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(shù)廣泛研究和應(yīng)用開發(fā)的一個重要方向。
[0003]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利“固體波動陀螺的諧振子及固體波動陀螺”(專利申請?zhí)?CN201010294912.6)利用高性能的合金通過機械精密加工的方法制作出具有杯形振子的固體波動陀螺，杯形振子底盤上粘結(jié)有壓電片作為驅(qū)動和檢測電極，通過在驅(qū)動電極上施加一定頻率的電壓信號，對杯形振子施加壓電驅(qū)動力，激勵振子產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)下的固體波，當有杯形振子軸線方向角速度輸入時，振子在科氏力作用下向另一簡并的檢測模態(tài)固體波轉(zhuǎn)化，兩個簡并模態(tài)的固體波之間相位相差一定的角度，通過檢測杯形振子底盤上檢測電極輸出電壓的變化即可檢測輸入角速度的變化。
[0004]此技術(shù)存在如下不足:該固體波動陀螺杯形諧振體體積過大，限制了其在很多必須小體積條件下的應(yīng)用；杯形振子底盤的壓電電極是粘結(jié)到杯形振子上的，在高頻振動下存在脫落的可能，可靠性不高；陀螺的加工工藝比較復(fù)雜，加工成本較高，不適合大批量生產(chǎn)；陀螺驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)頻率分裂較大，致使陀螺的帶寬較大，品質(zhì)因數(shù)很難提高；陀螺固定方式不穩(wěn)定，難以適應(yīng)需要高可靠性的場合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，該陀螺結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、高Q值、抗沖擊能力好、利于真空封裝等特點。
[0006]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，包括:
[0007]一個長方體基體；
[0008]一個半球諧振體；
[0009]一根位于基體中央的支柱；
[0010]一個存在于支柱周圍的空腔；
[0011]八個在基體外圍對稱分布的電極；
[0012]一個頂部支撐體；
[0013]一個頂部支撐柱；
[0014]其中:所述半球諧振體的材料為玻璃金屬；所述半球諧振體受到所述支柱和所述頂部支撐體固定，位于所述空腔中；所述長方體基體和所述頂部支撐體通過鍵合連接在一起；所述電極對稱分布于長方體基體外圍，用于施加電壓對所述半球諧振體進行驅(qū)動，以及檢測垂直于所述半球諧振體上表面的角速度；頂部支撐柱位于頂部支撐體中央，用于固定半球諧振體。
[0015]本發(fā)明利用半球諧振體的特殊模態(tài)即驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)作為參考振動；通過在八個電極中相對的兩個電極上施加正弦交流電壓，由靜電力將半球諧振體激勵至在驅(qū)動模態(tài)振動；當有垂直于半球諧振體上表面的角速度輸入時，在科氏力的作用下，半球諧振體的諧振方式會從驅(qū)動模態(tài)向檢測模態(tài)變化，半球諧振體在檢測模態(tài)下的振動將使與上述施加電壓的電極相鄰的電極與半球諧振體間的電容發(fā)生變化，將這兩個與施加電壓的電極相鄰的電極作為檢測電極；通過檢測上述電容變化，檢測垂直于半球諧振體上表面的角速度的大??；所述驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)模態(tài)匹配。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0017]1、加工工藝為平面微細加工工藝，加工方便，利于批量生產(chǎn)；
[0018]2、除了底部支柱支撐外，還加上頂部支撐結(jié)構(gòu)進行支撐，使得諧振體更加穩(wěn)定；
[0019]3、諧振體的支撐方式使其結(jié)構(gòu)剛度增加，使得諧振體Q值增加，提高了檢測靈敏度，這對輸出信號較弱的固態(tài)陀螺來講十分重要；
[0020]4、上下共同支撐方式使陀螺結(jié)構(gòu)具有更大的的抗沖擊能力，使陀螺具有較好的抗沖擊性；
[0021]5、基體和頂部支撐體鍵合后將陀螺封閉在一個封閉空間內(nèi)，有利于在真空環(huán)境下的應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]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:
[0023]圖1為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的長方體基體I上視圖；
[0025]圖3為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的半球諧振體2正面試圖；
[0026]圖4為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的半球諧振體2背面試圖；
[0027]圖5為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的工藝流程圖；
[0028]圖中:1為長方體基體，2為半球諧振體，3為支柱,4為空腔；5為電極,6為頂部支撐體，7為頂部支撐柱。

【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)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(lǐng)域的技術(shù)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(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)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。
[0030]如圖1、2所示，本實施例提供一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，包括:
[0031]一個長方體基體I ;
[0032]一個半球諧振體2 ；
[0033]—根位于基體中央的支柱3 ;
[0034]一個存在于支柱周圍的空腔4 ；
[0035]八個在基體外圍對稱分布的電極5 ;
[0036]一個頂部支撐體6 ；
[0037]一個頂部支撐柱7 ；
[0038]其中:所述半球諧振體2受到所述支柱3和所述頂部支撐體6固定，位于所述空腔4中；所述長方體基體I和所述頂部支撐體6通過鍵合連接在一起。
[0039]本實施例中，所述半球諧振體2的材料為玻璃金屬，其形成方法為由在所述空腔4中抽氣形成半球形狀。采用玻璃金屬使得材料本身具有了金屬的特性，可以充當陀螺的內(nèi)電極，無需在半球諧振體的表面濺射一層金屬來充當內(nèi)電極。
[0040]本實施例中，八個所述電極5的材料為離子摻雜硅，形狀均為長方體，通過借助截面形狀正方形的掩模板，在長方體基體I上摻雜而成；所述電極5對稱分布于長方體基體I上表面，用于施加電壓對所述半球諧振體2進行驅(qū)動，以及檢測垂直于所述半球諧振體2上表面的角速度。
[0041]本實施例中，所述頂部支撐體6通過鍵合的方式與所述長方體基體I連接。
[0042]本實施例中，所述頂部支撐柱7的材料為離子摻雜硅，形狀均為圓柱體，通過借助截面形狀圓形的掩模板，在所述頂部支撐體6上摻雜而成，以便將諧振體電極導(dǎo)出。
[0043]如圖3、4所示為半球諧振體2的示意圖，如圖所示，本實施例中的所述半球諧振體2為半環(huán)形結(jié)構(gòu)。
[0044]如圖5所示為本實施例工藝流程示意圖:首先在經(jīng)摻雜的硅長方體基體I上掩模光刻出氣孔，如圖5(a)所示，其中摻雜部分為電極5 ;然后繼續(xù)在長方體基體I上掩模光刻出空腔4如圖5(b)所示；接著在長方體基體I上平鋪一層玻璃金屬，作為之后形成的半球諧振體2及其內(nèi)部電極，如圖5 (c)所示；隨后加熱玻璃金屬，通過將空腔4中的空氣抽去獲得半球諧振體2，如圖5(d)所示，并將部分玻璃金屬去除，如圖5(e)所示；另外，同樣通過掩模光刻的方式在另一片經(jīng)摻雜的硅片上形成如圖5(f)所示的頂部支撐體6，其中頂部支撐體6上的頂部支撐柱7的底面大小與半球諧振體2中被去除部分大小吻合；最后，將經(jīng)過加工的長方體基體I和頂部支撐體6通過鍵合的方式連接在一起，形成上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺的整體結(jié)構(gòu)，如圖5(g)所示；在最終所形成的結(jié)構(gòu)中，外部電極5可以通過外部電極5在頂部支撐體6外的部分引線，內(nèi)部電極可以通過頂部支撐柱7引線。
[0045]本實施例中，半球諧振體2的驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)互相匹配，其含義是:驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的振型相似，只互相相差一定的角度；驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)當中不含其它振動模態(tài)，頻率分裂?。划敱緦嵤├械陌肭蛑C振體2空間對稱性高時形成模態(tài)匹配；當本實施例中的半球諧振體2空間對稱性低時模態(tài)匹配很難形成。
[0046]本實施例所述的上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，利用硅材料和摻雜技術(shù)，采用MEMS平面微細加工工藝，利用犧牲層工藝在基板旋涂厚光刻膠如SU-8，利用制作好的掩模板進行光刻；之后顯影、圖形化，得到經(jīng)過加工后的長方體基體1、一根位于長方體基體中央的支柱3和一個存在于支柱周圍的空腔4，以及頂部支撐體6 ;再通過加熱玻璃及抽空氣的方式得到一個半球諧振體2 ;最后，將長方體基體I和頂部支撐體6通過鍵合的方式連接在一起，形成上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺的整體結(jié)構(gòu)。
[0047]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(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)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(quán)利要求】
1.一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，其特征在于，包括: 一個長方體基體； 一個半球諧振體； 一根位于所述基體中央的支柱； 一個存在于所支柱周圍的空腔； 八個在所基體外圍對稱分布的電極； 一個頂部支撐體； 一個頂部支撐柱； 其中:所述半球諧振體的材料為玻璃金屬；所述半球諧振體受到所述支柱和所述頂部支撐體固定，位于所述空腔中；所述長方體基體和所述頂部支撐體連接在一起；所述電極對稱分布于所述長方體基體外圍，用于施加電壓對所述半球諧振體進行驅(qū)動，以及檢測垂直于所述半球諧振體上表面的角速度；頂部支撐柱位于頂部支撐體中央。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，其特征在于，八個所述電極的材料為離子摻雜硅，形狀均為長方體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，其特征在于，所述頂部支撐柱的材料為離子摻雜硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，其特征在于，所述頂部支撐體通過鍵合的方式與所述長方體基體連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，其特征在于，所述半球諧振體是在所述空腔中抽氣形成半球形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的一種上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺，其特征在于，所述微陀螺利用半球諧振體的特殊模態(tài)即驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)作為參考振動；通過在八個電極中相對的兩個電極上施加正弦交流電壓，由靜電力將半球諧振體激勵至在驅(qū)動模態(tài)振動；當有垂直于半球諧振體上表面的角速度輸入時，在科氏力的作用下，半球諧振體的諧振方式會從驅(qū)動模態(tài)向檢測模態(tài)變化，半球諧振體在檢測模態(tài)下的振動將使與上述施加電壓的電極相鄰的電極與半球諧振體間的電容發(fā)生變化，將這兩個與施加電壓的電極相鄰的電極作為檢測電極；通過檢測上述電容變化,檢測垂直于半球諧振體上表面的角速度的大?。凰鲵?qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)模態(tài)匹配。
【文檔編號】G01C19/5691GK104197919SQ201410390485
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】張衛(wèi)平, 汪濙海, 唐健, 劉亞東, 成宇翔, 孫殿竣, 陳文元 申請人:上海交通大學