一種微型半球非晶合金諧振器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微型半球非晶合金諧振器及其制備方法，包括一個長方形基底，基底中心部分為一個圓柱形空腔，圓柱形腔正上方是一個半球諧振體，半球諧振體從下到上依次為：玻璃層、離散電極層、絕緣層和非晶合金層；半球諧振體的四周邊緣平行地鍵合在基體的上表面，且半球諧振體的邊緣有兩層梯狀以引出電極線本發(fā)明中所述半球諧振體的四周邊緣鍵合在基底上有著很好的穩(wěn)定性和抗沖擊能力；所述半球諧振體含有非晶合金材料，具有優(yōu)異的材料特性。本發(fā)明具有工藝步驟簡潔，采用常用的成熟微機(jī)械加工方法，具有高度對稱性，因而可以達(dá)到很高的性能。
【專利說明】
一種微型半球非晶合金諧振器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機(jī)電【技術(shù)領(lǐng)域】的固體波動模態(tài)匹配陀螺，具體地，涉及一種微型半球非晶合金諧振器及其制備方法。

【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(xiàn)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(jī)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(dāng)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微型半球非晶合金諧振器及其制備方法，本發(fā)明所述陀螺及其制備方法的加工工藝步驟簡潔，采用成熟的微機(jī)械加工方法，利于批量生產(chǎn)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種微型半球非晶合金諧振器，包括:
[0007]一個具有上表面的長方形基底；
[0008]—個位于基底中心部分的圓柱形空腔；
[0009]一個位于圓柱形空腔正上方的半球諧振體；
[0010]其中:所述半球諧振體的四周邊緣平行地鍵合在基底的上表面，且所述半球諧振體的邊緣有兩層梯狀以引出電極線；
[0011]所述半球諧振體有四層，從下到上依次為:玻璃層、離散電極層、絕緣層和非晶合金層，其中:所述玻璃層與所述離散電極層構(gòu)成一個整體的第一半球形泡，所述非晶合金層構(gòu)成的第二半球形泡，所述第一半球形泡與所述第二半球形泡通過邊緣鍵合，所述第二半球形泡比所述第一半球形泡半徑大故在所述第一半球形泡與所述第二半球形泡之間留有間隙。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種微型半球非晶合金諧振器的制備方法，所述方法包括:
[0013]第一步、在第一基底的上表面形成第一圓柱形空腔；
[0014]第二步，在所述第一基底的上表面以及在所述第一圓柱形空腔之上鍵合玻璃層；
[0015]第三步，將第一導(dǎo)電層沉積于所述玻璃層之上；
[0016]第四步，對所述第一導(dǎo)電層進(jìn)行蝕刻以形成離散電極層；
[0017]第五步，加熱所述第一基底和所述玻璃層并超過所述玻璃層的軟化點(diǎn)，以在所述第一圓柱形空腔之上的所述玻璃層內(nèi)形成第一半球形泡；
[0018]第六步，在第二基底的表面上形成第二圓柱形空腔，所述第二基底長度比所述第一基底長度短，所述第二圓柱形空腔的直徑比所述第一圓柱形空腔的直徑大；
[0019]第七步，在所述第二基底的表面之上形成絕緣層，所述絕緣層在所述第二圓柱形空腔上面鏤空；
[0020]第八步，將非晶合金層鍵合在所述絕緣層的上表面，所述非晶合金層中間不鏤空；
[0021]第九步，加熱所述第二基底和及所述非晶合金層并超過所述非晶合金層的軟化點(diǎn)，以在所述第二圓柱形空腔之上的所述非晶合金層內(nèi)形成第二半球形泡；
[0022]第十步，對所述第二基底進(jìn)行蝕刻得到?jīng)]有所述第二基底的所述第二半球形泡；
[0023]第十一步，將蝕刻掉所述第二基底的所述第二半球形泡陽極地鍵合在所述第一基底上的所述第一半球形泡上，形成具有二層梯狀邊緣的微型半球非晶合金諧振器陀螺；其中:所述第二半球形泡與所述第一半球形泡之間留有間隙以允許諧振器振動，且所述第二半球形泡邊緣長度比所述第一半球形泡邊緣長度短以使第一導(dǎo)電層露出邊緣引線點(diǎn)以允許引出電極線。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0025]1、加工工藝步驟簡潔，采用成熟的微機(jī)械加工方法，利于批量生產(chǎn)；
[0026]2、構(gòu)成諧振體的第一半球形泡和第二半球形泡有著類似的加工方法，且具有高度對稱性，可以使諧振體達(dá)到優(yōu)良的性能；
[0027]3、第二半球形泡的邊緣長度小于和第一半球形泡的邊緣長度，可以方便的引出電極線；
[0028]4、諧振體的四周邊緣鍵合固定在基底上，有著很高的穩(wěn)定性和抗沖擊能力；
[0029]5、諧振體含有非晶合金材料，具有金屬和玻璃兩種材料的優(yōu)異性能，能適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境。

【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(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0031]圖1A為根據(jù)一個實(shí)施例的半球形諧振器陀螺儀的俯視圖；
[0032]圖1B為根據(jù)一個實(shí)施例的半球形諧振器陀螺儀的三維視圖；
[0033]圖2A-2J為一實(shí)施例所述微型半球非晶合金諧振器的制備方法的工藝流程圖；
[0034]圖3為為圖2C描述內(nèi)容的三維透視圖；
[0035]圖4為所述第一半球形泡5和所述第二半球形泡10的大小關(guān)系；
[0036]圖5為根據(jù)圖2A-2J的工藝制作的半球形諧振器陀螺儀的截面?zhèn)纫晥D；
[0037]圖中:1為第一長方體基底,2為第一圓柱形空腔,3為玻璃層,4為離散電極層,5為第一半球形泡，6為第二長方體基底，7為第二圓柱形空腔，8為連續(xù)電極層，9為非晶合金層，10為第二半球形泡，11為引線點(diǎn)，12為半球諧振體。

【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)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(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0039]如圖1A-1B所示，本實(shí)施例提供一種微型半球非晶合金諧振器，包括:
[0040]一個具有上表面的長方形基底；
[0041]—個位于基底中心部分的圓柱形空腔；
[0042]一個位于圓柱形空腔正上方的半球諧振體；
[0043]其中:所述半球諧振體的四周邊緣平行地鍵合在基底的上表面，且所述半球諧振體的邊緣有兩層梯狀以引出電極線；
[0044]所述半球諧振體有四層，從下到上依次為:玻璃層、離散電極層、絕緣層和非晶合金層，其中:所述玻璃層與所述離散電極層構(gòu)成一個整體的第一半球形泡，所述非晶合金層構(gòu)成的第二半球形泡，所述第一半球形泡與所述第二半球形泡通過邊緣鍵合，所述第二半球形泡比所述第一半球形泡半徑大故在所述第一半球形泡與所述第二半球形泡之間留有間隙。
[0045]本實(shí)施例中，所述基底的上表面中心限定了所述圓柱形空腔的中心。
[0046]本實(shí)施例中，所述圓柱形空腔與所述半球諧振體的中心重合。
[0047]本實(shí)施例中，所述基底的材料為硅。
[0048]本實(shí)施例中，所述玻璃層為低熱膨脹系數(shù)的Corning Pyrex材料。在其他實(shí)施例中，幾個百分點(diǎn)的二氧化鈦(無定形的T12)可被包括在形成所述下玻璃層、所述上玻璃層的材料中以降低熱膨脹系數(shù)。當(dāng)二氧化鈦含量約為7%時，就可以得到接近零的熱膨脹系數(shù)。
[0049]本實(shí)施例中，所述非晶合金層中間不鏤空。
[0050]本實(shí)施例中，所述非晶合金層為具有玻璃特性的非晶合金。
[0051]本實(shí)施例中，所述離散電極層、所述連續(xù)電極層的材料為可伐合金。
[0052]本實(shí)施例中，所述連續(xù)電極層的厚度小于200埃。
[0053]如圖2A-2J所示，為本實(shí)施例所述微型半球非晶合金諧振器的制備方法的工藝流程圖。
[0054]第一步、如圖2A所示，為第一長方形基底I和第一圓柱形空腔2，在所述第一長方形基底I的上表面進(jìn)行圖形化和蝕刻，形成所述第一圓柱形空腔2。
[0055]第二步、如圖2B所示，在所述第一長方形基底I的上表面以及在所述第一圓柱形空腔2之上形成玻璃層3 ；
[0056]第三步，如圖2C所示，將第一導(dǎo)電層沉積于所述玻璃層3之上；然后，所述第一導(dǎo)電層被形成圖案以形成離散電極層4。
[0057]第四步。如圖2D所示，加熱所述第一長方形基底I和所述玻璃層3并超過所述玻璃層3的軟化點(diǎn)，以在所述第一圓柱形空腔2之上的所述玻璃層3內(nèi)形成第一半球形泡5 ；
[0058]第五步、如圖2E所示，為第二長方形基底6，同第一步，對所述第二長方形基底6的上表面進(jìn)行圖案形成和蝕刻形成第二圓柱形空腔7 ；
[0059]第六步、如圖2F所示，在所述第二長方形基底6的表面之上沉積絕緣層8，所述絕緣層8在所述第二圓柱形空腔7上面鏤空；
[0060]第七步、如圖2G所示,在所述連續(xù)電極層8的上表面鍵合非晶合金層9 ；
[0061]第八步、如圖2H所示，加熱所述第二長方形基底6和及所述非晶合金層9并超過所述非晶合金層9的軟化點(diǎn)，以在所述第二圓柱形空腔7之上的所述非晶合金層9內(nèi)形成第二半球形泡10 ；
[0062]第九步、如圖21所示，對所述第二長方形基底6進(jìn)行蝕刻得到?jīng)]有所述第二長方形基底6的所述第二半球形泡10 ；
[0063]第十步、如圖2J所示，將蝕刻掉所述第二長方形基底6的所述第二半球形泡10陽極地鍵合在所述第一基底I上的所述第一半球形泡5上，形成具有二層梯狀邊緣的微型半球非晶合金諧振器陀螺；其中:所述第二半球形泡10與所述第一半球形泡5之間留有間隙以允許諧振器振動，且所述第二半球形泡10邊緣長度比所述第一半球形泡5邊緣長度短以使所述離散電極層4露出邊緣引線點(diǎn)11以允許引出電極線。
[0064]如圖3所示，為圖2C描述內(nèi)容的三維透視圖，其中多個電極(例如8個)均勻的輻射在所述玻璃層3的表面。
[0065]如圖4所示，為所述第一半球形泡5和所述第二半球形泡10的大小關(guān)系，其中:所述第二半球形泡10的邊緣直徑L2比所述第一半球形泡5的最大直徑L1大，以允許所述第二半球形泡10可以套在所述第一半球形泡5的外面。
[0066]如圖5所示，為根據(jù)圖2A-2J的工藝制作的半球形諧振器陀螺儀的截面?zhèn)纫晥D，根據(jù)慣例，所描述的各種特征不按比例繪制，而是繪制成強(qiáng)調(diào)與示例性實(shí)施例有關(guān)的特定特征。
[0067]本發(fā)明所述的一種微型半球非晶合金諧振器中構(gòu)成諧振體的第一半球形泡和第二半球形泡有著類似的加工方法，且具有高度對稱性，可以使諧振體達(dá)到優(yōu)良的性能；第二半球形泡的邊緣長度小于和第一半球形泡的邊緣長度，可以方便的引出電極線；諧振體的四周邊緣鍵合固定在基底上，有著很高的穩(wěn)定性和抗沖擊能力；諧振體含有非晶合金材料，具有金屬和玻璃兩種材料的優(yōu)異性能，能適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境。本發(fā)明所述方法的加工工藝步驟簡潔，采用成熟的微機(jī)械加工方法，利于批量生產(chǎn)。
[0068]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)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(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種微型半球非晶合金諧振器，其特征在于，包括: 一個具有上表面的長方形基底； 一個位于基底中心部分的圓柱形空腔； 一個位于圓柱形空腔正上方的半球諧振體； 其中:所述半球諧振體的四周邊緣平行地鍵合在基底的上表面，且所述半球諧振體的邊緣有兩層梯狀以引出電極線； 所述半球諧振體有四層，從下到上依次為:玻璃層、離散電極層、絕緣層和非晶合金層，其中:所述玻璃層與所述離散電極層構(gòu)成一個整體的第一半球形泡，所述非晶合金層構(gòu)成的第二半球形泡，所述第一半球形泡與所述第二半球形泡通過邊緣鍵合，所述第二半球形泡比所述第一半球形泡半徑大故在所述第一半球形泡與所述第二半球形泡之間留有間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型半球非晶合金諧振器，其特征在于，所述基底的上表面中心限定了所述圓柱形空腔的中心，所述圓柱形空腔與所述半球諧振體的中心重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型半球非晶合金諧振器，其特征在于，所述基底的材料為硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型半球非晶合金諧振器，其特征在于，所述玻璃層為低熱膨脹系數(shù)的玻璃材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型半球非晶合金諧振器，其特征在于，所述非晶合金層為具有玻璃特性的非晶合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型半球非晶合金諧振器，其特征在于，所述離散電極層的材料為可伐合金。
7.—種權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的微型半球非晶合金諧振器的制備方法，其特征在于，所述方法包括: 第一步、在第一基底的上表面形成第一圓柱形空腔； 第二步，在所述第一基底的上表面以及在所述第一圓柱形空腔之上鍵合玻璃層； 第三步，將第一導(dǎo)電層沉積于所述玻璃層之上； 第四步，對所述第一導(dǎo)電層進(jìn)行蝕刻以形成離散電極層； 第五步，加熱所述第一基底和所述玻璃層并超過所述玻璃層的軟化點(diǎn)，以在所述第一圓柱形空腔之上的所述玻璃層內(nèi)形成第一半球形泡； 第六步，在第二基底的表面上形成第二圓柱形空腔，所述第二基底長度比所述第一基底長度短，所述第二圓柱形空腔的直徑比所述第一圓柱形空腔的直徑大； 第七步，在所述第二基底的表面之上形成絕緣層，所述絕緣層在所述第二圓柱形空腔上面鏤空； 第八步，將非晶合金層鍵合在所述絕緣層的上表面，所述非晶合金層中間不鏤空；第九步，加熱所述第二基底和及所述非晶合金層并超過所述非晶合金層的軟化點(diǎn)，以在所述第二圓柱形空腔之上的所述非晶合金層內(nèi)形成第二半球形泡； 第十步，對所述第二基底進(jìn)行蝕刻得到?jīng)]有所述第二基底的所述第二半球形泡； 第十一步，將蝕刻掉所述第二基底的所述第二半球形泡陽極地鍵合在所述第一基底上的所述第一半球形泡上，形成具有且層梯狀邊緣的微型半球非晶合金諧振器陀螺；其中:所述第二半球形泡與所述第一半球形泡之間留有間隙以允許諧振器振動，且所述第二半球形泡邊緣長度比所述第一半球形泡邊緣長度短以使第一導(dǎo)電層露出邊緣引線點(diǎn)以允許引出電極線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種微型半球非晶合金諧振器的制備方法，其特征在于:第一步中，在第一基底的上表面形成第一圓柱形空腔，是指使用光掩膜對所述第一圓柱形空腔進(jìn)行蝕刻。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種微型半球非晶合金諧振器的制備方法，其特征在于:第五步中，在加熱所述第一基底和所述玻璃層之前，需將所述玻璃層削薄到10微米到100微米范圍內(nèi)的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種微型半球非晶合金諧振器的制備方法，其特征在于:第十一步中，將蝕刻掉所述第二基底的所述第二半球形泡陽極地鍵合在所述第一基底上的所述第一半球形泡上，具體是指所述連續(xù)電極層和所述離散電極層僅在所述第二半球形泡與所述第一半球形泡的邊緣鍵合。
【文檔編號】G01C19/5691GK104390636SQ201410390492
【公開日】2015年3月4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, 邢亞亮, 唐健, 劉亞東, 汪濙海, 成宇翔, 孫殿竣, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)