一種微型吹塑半球諧振器陀螺及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種微型吹塑半球諧振器陀螺及其制備方法，陀螺包括一個(gè)具有上表面的長(zhǎng)方形基底，基底中心部分為一個(gè)圓柱形空腔，圓柱形空腔的正上方是一個(gè)半球諧振體，半球諧振體的邊緣鍵合在基底的上表面，且邊緣有兩層梯狀以引出電極線；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。本發(fā)明具有工藝步驟簡(jiǎn)潔，采用常用的成熟微機(jī)械加工方法，具有高度對(duì)稱(chēng)性，因而可以達(dá)到很高的性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種微型吹塑半球諧振器陀螺及其制備方法

【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(dòng)模態(tài)匹配陀螺，具體地，涉及一種微型吹塑半球諧振器陀螺及其制備方法。

【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(guó)防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測(cè)、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(lái)MEMS技術(shù)廣泛研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要方向。
[0003]經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專(zhuān)利“固體波動(dòng)陀螺的諧振子及固體波動(dòng)陀螺”(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?CN201010294912.6)利用高性能的合金通過(guò)機(jī)械精密加工的方法制作出具有杯形振子的固體波動(dòng)陀螺，杯形振子底盤(pán)上粘結(jié)有壓電片作為驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電極，通過(guò)在驅(qū)動(dòng)電極上施加一定頻率的電壓信號(hào)，對(duì)杯形振子施加壓電驅(qū)動(dòng)力，激勵(lì)振子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)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(shí)，振子在科氏力作用下向另一簡(jiǎn)并的檢測(cè)模態(tài)固體波轉(zhuǎn)化，兩個(gè)簡(jiǎn)并模態(tài)的固體波之間相位相差一定的角度，通過(guò)檢測(cè)杯形振子底盤(pán)上檢測(cè)電極輸出電壓的變化即可檢測(cè)輸入角速度的變化。
[0004]此技術(shù)存在如下不足:
[0005]該固體波動(dòng)陀螺杯形諧振體體積過(guò)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(pán)的壓電電極是粘結(jié)到杯形振子上的，在高頻振動(dòng)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(dòng)模態(tài)和檢測(cè)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(chǎng)合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種微型吹塑半球諧振器陀螺及其制備方法，其加工工藝步驟簡(jiǎn)潔，采用成熟的微機(jī)械加工方法，利于批量生產(chǎn)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種微型吹塑半球諧振器陀螺，包括:
[0008]一個(gè)具有上表面的長(zhǎng)方形基底；
[0009]一個(gè)位于所述基底中心部分的圓柱形空腔；
[0010]一個(gè)位于所述圓柱形空腔正上方的半球諧振體；
[0011]其中:所述半球諧振體的四周邊緣平行地鍵合在所述基體的上表面，且所述半球諧振體的邊緣有二層梯狀以引出電極線；
[0012]所述半球諧振體有四層，從下到上依次為:下玻璃層、離散電極層、上玻璃層、連續(xù)電極層，其中:所述下玻璃層與離散電極層構(gòu)成一個(gè)整體的第一半球形泡，所述上玻璃層與連續(xù)電極層構(gòu)成一個(gè)整體的第二半球形泡，所述第一半球形泡與所述第二半球形泡通過(guò)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。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種微型吹塑半球諧振器陀螺的制備方法，所述方法包括:
[0014]第一步、在第一基底的上表面形成第一圓柱形空腔；
[0015]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下玻璃層；
[0016]第三步、將第一導(dǎo)電層沉積于所述下玻璃層之上；
[0017]第四步、對(duì)所述第一導(dǎo)電層進(jìn)行蝕刻以形成離散電極層；
[0018]第五步、加熱所述第一基底和所述下玻璃層并超過(guò)所述下玻璃層的軟化點(diǎn)，以在所述第一圓柱形空腔之上的所述下玻璃層內(nèi)形成第一半球形泡；
[0019]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(zhǎng)度比所述第一基底長(zhǎng)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；
[0020]第七步、在所述第二基底的表面之上以及在所述第二圓柱形空腔之上沉積上玻璃層；
[0021]第八步、將第二導(dǎo)電層沉積于所述上玻璃層的上表面；
[0022]第九步、加熱所述第二基底、所述上玻璃層及所述第二導(dǎo)電層并超過(guò)所述上玻璃層的軟化點(diǎn)，以在所述第二圓柱形空腔之上的所述上玻璃層內(nèi)形成第二半球形泡；
[0023]第十步、對(duì)所述第二基底進(jìn)行蝕刻，得到?jīng)]有第二基底的第二半球形泡。
[0024]第H^一步、將蝕刻掉第二基底的所述第二半球形泡陽(yáng)極地鍵合在第一基底上的第一半球形泡上，從而形成具有二層梯狀邊緣的微型吹塑半球諧振器陀螺其中: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(dòng)，且第二半球形泡的邊緣長(zhǎng)度比第一半球形泡邊緣長(zhǎng)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。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0026]1、加工工藝步驟簡(jiǎn)潔，采用成熟的微機(jī)械加工方法，利于批量生產(chǎn)；
[0027]2、構(gòu)成半球諧振體的第一半球形泡和第二半球形泡有著類(lèi)似的加工方法，且具有高度對(duì)稱(chēng)性，可以使半球諧振體達(dá)到優(yōu)良的性能；
[0028]3、第二半球形泡的邊緣長(zhǎng)度小于第一半球形泡的邊緣長(zhǎng)度，可以方便的引出電極線.
[0029]4、半球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。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)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(huì)變得更明顯:
[0031]圖1A為本發(fā)明一實(shí)施例的半球形諧振器陀螺儀的俯視圖；
[0032]圖1B為本發(fā)明一實(shí)施例的半球形諧振器陀螺儀的三維視圖；
[0033]圖2A-圖2J為是本發(fā)明一實(shí)施例的半球形諧振器陀螺儀的制作過(guò)程中的不同階段的剖面?zhèn)纫晥D；
[0034]圖3為圖2C描述內(nèi)容的三維透視圖，其中離散電極層的電極均勻的輻射在下玻璃層表面；
[0035]圖4為第一半球形泡和第二半球形泡的大小關(guān)系示意圖；
[0036]圖5為根據(jù)圖2A-2J的過(guò)程制作的半球形諧振器陀螺儀的剖面?zhèn)纫晥D。
[0037]圖中:1為第一長(zhǎng)方體基底，2為第一圓柱形空腔，3為下玻璃層，4為離散電極層，5為第一半球形泡，6為第二長(zhǎng)方體基底，7為第二圓柱形空腔，8為上玻璃層，9為連續(xù)電極層，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(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)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(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，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)施例提供一種微型吹塑半球諧振器陀螺，包括:
[0040]一個(gè)具有上表面的第一長(zhǎng)方形基底I，
[0041]一個(gè)位于所述第一長(zhǎng)方形基底I中心部分的第一圓柱形空腔2，
[0042]一個(gè)位于所述第一圓柱形空腔2正上方的半球諧振體12 ；
[0043]其中:所述半球諧振體12的四周邊緣平行地鍵合在所述第一長(zhǎng)方形基底I的上表面，且所述半球諧振體12的邊緣有二層梯狀以引出電極線。
[0044]本實(shí)施例中，所述第一長(zhǎng)方形基底I的上表面中心限定了所述第一圓柱形空腔2的中心,所述第一圓柱形空腔2的中心與所述半球諧振體12的中心重合。
[0045]本實(shí)施例中，所述半球諧振體12有四層，從下到上依次為:下玻璃層3、離散電極層4、上玻璃層8、連續(xù)電極層9，其中:所述下玻璃層3與離散電極層4構(gòu)成一個(gè)整體的第一半球形泡5，所述上玻璃層8與連續(xù)電極層9構(gòu)成一個(gè)整體的第二半球形泡10，第一半球形泡5與第二半球形泡10通過(guò)邊緣鍵合，第一半球形泡5比第二半球形泡10半徑小故第一半球形泡5與第二半球形泡10之間留有間隙。
[0046]本實(shí)施例中，所述第一長(zhǎng)方形基底I的材料為娃。
[0047]本實(shí)施例中，所述下玻璃層3、所述上玻璃層8為低熱膨脹系數(shù)的Corning Pyrex材料。在其他情形中，幾個(gè)百分點(diǎn)的二氧化鈦(無(wú)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(shí)，就可以得到接近零的熱膨脹系數(shù)。
[0048]本實(shí)施例中，所述離散電極層4、所述連續(xù)電極層9的材料為可伐合金。
[0049]本實(shí)施例中，所述連續(xù)電極層9的厚度小于200埃。
[0050]如圖2A-2J所示，本實(shí)施例提供一種微型吹塑半球諧振器陀螺的制作方法，所述制作方法的工藝流程如下:
[0051]第一步、如圖2A所示，在第一長(zhǎng)方形基底I的上表面進(jìn)行圖案化和蝕刻形成第一圓柱形空腔2 ；
[0052]第二步、如圖2B所示，在所述第一長(zhǎng)方形基底I的上表面以及在所述第一圓柱形空腔2之上鍵合形成下玻璃層3 ；
[0053]第三步、如圖2C所示，將第一導(dǎo)電層沉積于所述下玻璃層3之上；然后，對(duì)所述第一導(dǎo)電層進(jìn)行蝕刻以形成離散電極層4 ；
[0054]第四步、如圖2D所示，加熱所述第一長(zhǎng)方形基底I和所述下玻璃層3并超過(guò)所述下玻璃層3的軟化點(diǎn)，以在所述第一圓柱形空腔2之上的所述下玻璃層3內(nèi)形成第一半球形泡5 ；
[0055]第五步、如圖2E所示，在第二長(zhǎng)方形基底6的上表面上形成第二圓柱形空腔7，所述第二長(zhǎng)方形基底6長(zhǎng)度比所述第一長(zhǎng)方形基底I長(zhǎng)度短，所述第二圓柱形空腔7的直徑比所述第一圓柱形空腔2的直徑大；
[0056]第六步、如圖2F所示，在所述第二長(zhǎng)方形基底6的上表面之上以及在所述第二圓柱形空腔7之上形成上玻璃層8 ；
[0057]第七步、如圖2G所示，將第二導(dǎo)電層，即連續(xù)電極層9沉積于所述上玻璃層8的上表面；
[0058]第八步、如圖2H所示，通過(guò)加熱所述第二長(zhǎng)方體基底6和所述上玻璃層8及所述連續(xù)電極層9超過(guò)所述上玻璃層8的軟化點(diǎn)，以在所述第二圓柱形空腔7之上的所述上玻璃層8內(nèi)形成第二半球形泡10 ；
[0059]第九步、如圖21所示，對(duì)所述第二長(zhǎng)方體基底6進(jìn)行蝕刻，得到?jīng)]有所述第二長(zhǎng)方體基底6的所述第二半球形泡10 ；
[0060]第十步、如圖2J所示，將蝕刻掉所述第二長(zhǎng)方體基底6的所述第二半球形泡10陽(yáng)極地鍵合在所述第一長(zhǎng)方體基底I上的所述第一半球形泡5上，形成具有二層梯狀邊緣的半球形諧振器陀螺；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(dòng)，且第二半球形泡10的邊緣長(zhǎng)度比第一半球形泡5邊緣長(zhǎng)度短以使離散電極層4露出邊緣引線點(diǎn)11以允許引出電極線。
[0061]本實(shí)施例中，第一步中，蝕刻形成所述第一圓柱形空腔2是指使用光掩膜對(duì)所述第一圓柱形腔2進(jìn)行蝕刻。
[0062]本實(shí)施例中，第四步中，在加熱所述第一長(zhǎng)方形基底I和所述下玻璃層3之前，將所述下玻璃層3削薄到約10微米到100微米范圍內(nèi)的厚度。
[0063]本實(shí)施例中，第五步中，形成所述第二圓柱形空腔7是指使用光掩膜對(duì)所述第二圓柱形空腔7進(jìn)行蝕刻。
[0064]如圖3所示，為圖2C描述內(nèi)容的三維透視圖，其中離散電極層4(例如8個(gè)電極)均勻的輻射在下玻璃層4的表面。
[0065]如圖4所示，為第一半球形泡5和第二半球形泡10的大小關(guān)系示意圖，其中:第二半球形泡10的邊緣直徑L2比第一半球形泡5的最大直徑L1大，以允許第二半球形泡10可以套在第一半球形泡5的外面。
[0066]如圖5所示，為根據(jù)圖2A-2J的過(guò)程制作的半球形諧振器陀螺儀的剖面?zhèn)纫晥D，圖中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)明中構(gòu)成半球諧振體的第一半球形泡和第二半球形泡有著類(lèi)似的加工方法，且具有高度對(duì)稱(chēng)性，可以使半球諧振體達(dá)到優(yōu)良的性能；第二半球形泡的邊緣長(zhǎng)度小于第一半球形泡的邊緣長(zhǎng)度，可以方便的引出電極線；半球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。本發(fā)明加工工藝步驟簡(jiǎn)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(duì)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】
1.一種微型吹塑半球諧振器陀螺，其特征在于，包括: 一個(gè)具有上表面的長(zhǎng)方形基底； 一個(gè)位于所述基底中心部分的圓柱形空腔； 一個(gè)位于所述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所述基體的上表面，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:下玻璃層、離散電極層、上玻璃層、連續(xù)電極層，其中:所述下玻璃層與離散電極層構(gòu)成一個(gè)整體的第一半球形泡，所述上玻璃層與連續(xù)電極層構(gòu)成一個(gè)整體的第二半球形泡，所述第一半球形泡與所述第二半球形泡通過(guò)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所述的一種微型吹塑半球諧振器陀螺，其特征在于，所述基底的上表面的中心限定了所述圓柱形空腔的中心，所述圓柱形空腔的中心與所述半球諧振體的中心重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型吹塑半球諧振器陀螺，其特征在于，所述基底的材料為硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型吹塑半球諧振器陀螺，其特征在于，所述下玻璃層、所述上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1-4任一項(xiàng)所述的一種微型吹塑半球諧振器陀螺，其特征在于，所述離散電極層、所述連續(xù)電極層的材料為可伐合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種微型吹塑半球諧振器陀螺，其特征在于，所述連續(xù)電極層的厚度小于200埃。
7.—種權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的微型吹塑半球諧振器陀螺的制備方法，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下玻璃層； 第三步、將第一導(dǎo)電層沉積于所述下玻璃層之上； 第四步、對(duì)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下玻璃層并超過(guò)所述下玻璃層的軟化點(diǎn)，以在所述第一圓柱形空腔之上的所述下玻璃層內(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(zhǎng)度比所述第一基底長(zhǎng)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以及在所述第二圓柱形空腔之上沉積上玻璃層； 第八步、將第二導(dǎo)電層沉積于所述上玻璃層的上表面； 第九步、加熱所述第二基底、所述上玻璃層及所述第二導(dǎo)電層并超過(guò)所述上玻璃層的軟化點(diǎn)，以在所述第二圓柱形空腔之上的所述上玻璃層內(nèi)形成第二半球形泡； 第十步、對(duì)所述第二基底進(jìn)行蝕刻，得到?jīng)]有第二基底的第二半球形泡。 第十一步、將蝕刻掉第二基底的所述第二半球形泡陽(yáng)極地鍵合在第一基底上的第一半球形泡上，從而形成具有且層梯狀邊緣的微型吹塑半球諧振器陀螺；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(dòng)，且第二半球形泡的邊緣長(zhǎng)度比第一半球形泡邊緣長(zhǎng)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所述的一種微型吹塑半球諧振器陀螺的制備方法，其特征在于，第一步中，在第一長(zhǎng)方形基底的上表面形成第一圓柱形空腔，是指使用光掩膜對(duì)所述第一圓柱形腔進(jìn)行蝕刻。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種微型吹塑半球諧振器陀螺的制備方法，其特征在于，第五步中，在加熱所述第一長(zhǎng)方形基底和所述下玻璃層之前，將所述下玻璃層削薄到約10微米到100微米范圍內(nèi)的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種微型吹塑半球諧振器陀螺的制備方法，其特征在于，第六步中，在第二長(zhǎng)方形基底的上表面上形成第二圓柱形空腔，是指使用光掩膜對(duì)所述第二圓柱形空腔進(jìn)行蝕刻。
【文檔編號(hào)】G01C19/56GK104197914SQ201410390494
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)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, 汪濙海, 劉亞?wèn)|, 成宇翔, 孫殿竣, 陳文元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)