外套電極的半球諧振陀螺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種外套電極的半球諧振陀螺，包括：一個正方體基體、一個半球諧振體、八個內(nèi)部電極、一個位于正方體基體中的空腔、一個外套電極基體、八個外套電極和一個位于外套電極基體中的空腔，其中：半球諧振體的八個內(nèi)部電極和八個外套電極位置一一對應，半球諧振體位于外套電極基體中；正方體基體和外套電極基體通過鍵合連接在一起。本發(fā)明具有工藝簡單，可靠性高，利于真空封裝等特點。
【專利說明】外套電極的半球諧振陀螺

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機電【技術(shù)領域】的半球諧振陀螺，具體地，涉及一種外套電極的半球諧振陀螺。

【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(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外套電極的半球諧振陀螺，該陀螺具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、抗沖擊能力、利于真空封裝好等特點，解決了半球諧振陀螺需要另外特制外部電極的問題，將外部電極作為泛用設備進行制作。
[0006]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種外套電極的半球諧振陀螺，包括:
[0007]一個正方體基體；
[0008]一個半球諧振體；
[0009]八個內(nèi)部電極；
[0010]一個位于正方體基體中的空腔；
[0011]一個外套電極基體；
[0012]八個外套電極；
[0013]—個位于外套電極基體中的空腔；
[0014]其中:半球諧振體的八個內(nèi)部電極和八個外套電極位置--對應，半球諧振體位于外套電極基體中；正方體基體和外套電極基體連接在一起；
[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；通過在八個外套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小；所述驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)模態(tài)匹配。
[0016]優(yōu)選地，所述半球諧振體的材料為表面濺射金屬條的鈉玻璃，其形成方法為由在所述位于正方體基體中的空腔中充入空氣形成半球形狀。
[0017]本發(fā)明所述的外套電極的半球諧振陀螺，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)過加工后的正方體基體、正方體基體中的空腔，以及外套電極基體、外套電極、和外套電極基體中的空腔；再通過加熱空氣膨脹或者充空氣的方式得到一個半球諧振體和內(nèi)部電極；最后，將正方體基體和外套電極基體通過鍵合的方式連接在一起，形成外套電極的半球諧振陀螺的整體結(jié)構(gòu)。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0019]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)；
[0020]2、陀螺整體結(jié)構(gòu)含有外套電極，無需另配外部電極；
[0021]3、將陀螺半球諧振體通過外套電極基體保護，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；
[0022]4、正方體基體和外套電極基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)境下的應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]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:
[0024]圖1為本發(fā)明一較佳實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明一較佳實施例的制備流程圖；
[0026]圖3為本發(fā)明一較佳實施例的未吹玻璃前正方體基體的上視圖；
[0027]圖中:1為正方體基體，2為半球諧振體，3為內(nèi)部電極，4為正方體基體中的空腔；5為外套電極基體，6為外套電極，7為外套電極基體中的空腔。

【具體實施方式】
[0028]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。應當指出的是，對本領域的普通技術(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。
[0029]如圖1所示，本實施例提供一種外套電極的半球諧振陀螺，包括:
[0030]一個正方體基體I ;
[0031]一個半球諧振體2;
[0032]八個內(nèi)部電極3;
[0033]一個位于正方體基體中的空腔4 ;
[0034]一個外套電極基體5;
[0035]八個外套電極6;
[0036]—個位于外套電極基體中的空腔7 ;
[0037]其中:半球諧振體2的八個內(nèi)部電極3和八個外套電極6位置一一對應，半球諧振體2位于外套電極基體5中；正方體基體I和外套電極基體5連接在一起。
[0038]本實施例中，所述半球諧振體2的材料為表面濺射金屬條的鈉玻璃，其形成方法為由在所述位于正方體基體I中的空腔4中充入空氣形成半球形狀。
[0039]本實施例中，八個所述內(nèi)部電極3的材料為金屬，即形成所述半球諧振體2的鈉玻璃上派射的金屬，所述內(nèi)部電極3在未充空氣膨脹時在所述正方體基體I上表面對稱分布，并分為在僅在所述正方體基體I上的部分和在位于所述正方體基體I中的空腔4上的部分，所述內(nèi)部電極3最終由在位于所述正方體基體I中的空腔4中充入空氣，隨著鈉玻璃的膨脹而膨脹所形成，形狀為條狀，對稱分布于半球諧振體2上。
[0040]本實施例中，八個所述外套電極6的材料為離子摻雜硅，形狀均為長方體；所述外套電極6對稱分布于外套電極基體5上,位置與八個所述內(nèi)部電極3 對應，用于施加電壓對所述半球諧振體2進行驅(qū)動，以及檢測垂直于半球諧振體2上表面的角速度。
[0041]本實施例中，所述外套電極基體5通過鍵合的方式與正方體基體I連接。
[0042]本實施例中，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；通過在八個外套電極6中在分布上成180°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。
[0043]如圖2所示為本實施例工藝流程示意圖:首先在正方體基體I上掩模光刻出空腔4，如圖2中(a)所示；然后在正方體基體I上平鋪一層鈉玻璃，并在鈉玻璃上濺射八條金屬條作為之后形成的半球諧振體2的內(nèi)部電極3，如圖2中(b)和圖2中(c)所示；其中未吹玻璃前正方體基體的上視圖如圖3所示，金屬條互相分離；接著加熱表面存在濺射金屬條的鈉玻璃，通過在空腔4中充入空氣使鈉玻璃結(jié)構(gòu)膨脹起來，獲得半球諧振體結(jié)構(gòu)2，同時金屬條也隨著鈉玻璃膨脹起來，獲得內(nèi)部電極3，如圖2中(d)所示；另外，同樣通過掩模光刻及摻雜的方式在另一片的硅片上形成如圖2中(e)所示的含有空腔7的外套電極基體5，其中摻雜部分為多晶硅作為外套電極6 ;最后，將經(jīng)過加工的正方體基體I和外套電極基體5通過鍵合的方式連接在一起，形成外套電極的半球諧振陀螺的整體結(jié)構(gòu)，如圖2中(f)所示，其中外套電極基體5中的空腔7的底面大小比半球諧振體2中的最大內(nèi)含圓面稍大，且外套電極基體5將所有內(nèi)部電極3都分為了在外套電極基體5內(nèi)的部分和在外套電極基體5外的部分，同時外套電極基體5與半球諧振體2非接觸；在最終形成的結(jié)構(gòu)中，外套電極6通過其在外套電極基體5外表面部分進行引線，內(nèi)部電極3通過其在外套電極基體5外的部分進行引線。
[0044]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??；當本實施例中的半球諧振體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。
[0045]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(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】
1.一種外套電極的半球諧振陀螺，其特征在于，包括: 一個正方體基體； 一個半球諧振體； 位于半球諧振體內(nèi)的八個內(nèi)部電極； 一個位于所述正方體基體中的空腔； 一個外套電極基體； 位于半球諧振體外的八個外套電極； 一個位于所述外套電極基體中的空腔； 其中:所述八個內(nèi)部電極和所述八個外套電極位置一一對應，所述半球諧振體位于所述外套電極基體中，所述正方體基體和所述外套電極基體連接； 所述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；通過在八個外套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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外套電極的半球諧振陀螺，其特征在于，所述半球諧振體的材料為表面濺射金屬條的鈉玻璃，其形成方法為由在所述位于正方體基體中的空腔中充入空氣形成半球形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種外套電極的半球諧振陀螺，其特征在于，所述八個內(nèi)部電極的材料為金屬，即形成所述半球諧振體的鈉玻璃上濺射的金屬，所述內(nèi)部電極在未充空氣膨脹時在所述正方體基體上表面對稱分布，并分為僅在所述正方體基體上的部分和在位于所述正方體基體中的空腔上的部分，所述內(nèi)部電極最終由位于所述正方體基體中的空腔中充入空氣，隨著鈉玻璃的膨脹而膨脹所形成，形狀為條狀，對稱分布于半球諧振體上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的一種外套電極的半球諧振陀螺，其特征在于，所述八個外套電極的材料為離子摻雜娃，形狀均為長方體；所述外套電極對稱分布于外套電極基體上，位置與八個所述內(nèi)部電極一一對應，用于施加電壓對所述半球諧振體進行驅(qū)動，以及檢測垂直于半球諧振體上表面的角速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的一種外套電極的半球諧振陀螺，其特征在于，所述外套電極基體通過鍵合的方式與所述正方體基體連接。
【文檔編號】G01C19/5656GK104197915SQ201410390503
【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