本發(fā)明涉及一種測量角運動的微型傳感器，具體地，涉及一種金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動盤微陀螺及其制備方法。

背景技術(shù)：

當前運用廣泛的陀螺主要為半球諧振陀螺及光線陀螺儀等。其中半球諧振陀螺所使用的振子為三維的半球薄殼結(jié)構(gòu)，加工難度大，占用空間更多，較難得到高的品質(zhì)因子，而光纖陀螺儀成本高昂。多環(huán)振動盤微陀螺的結(jié)構(gòu)主要由四個部分組成，基板，電極，振子和封裝裝置，具有加工簡單，占用空間小的特性，能夠達到更穩(wěn)定的效果。振子被驅(qū)動以后在一定的模態(tài)下振動，當外界有一個角運動時，該模態(tài)發(fā)生變化，通過電極檢測該變化并且輸出，經(jīng)過解調(diào)計算以后，得到實際的角運動量。目前所使用的多環(huán)振動盤微陀螺多使用硅或熔融石英作為振子材料，裝置的其他部分也以硅為主要材料，加工復雜度和加工成本相對較高。

經(jīng)檢索，公開號為105466407A的中國發(fā)明申請，其公開了一種圓盤多環(huán)外雙梁孤立圓環(huán)諧振陀螺，包括：一個基底；一個圓盤多環(huán)外雙梁孤立圓環(huán)諧振器，包含最外一圈圓環(huán)、多個雙梁孤立圓環(huán)、多個同心圓環(huán)和多個輻條，其中：最外一圈圓環(huán)與基底相連，多個同心圓環(huán)之間均通過多個輻條相連，多個雙梁孤立圓環(huán)的兩端均分別與最外一圈圓環(huán)內(nèi)側(cè)和多個同心圓環(huán)中的最大圓環(huán)外側(cè)相連；一組分布在圓盤多環(huán)外雙梁孤立圓環(huán)諧振器內(nèi)側(cè)邊緣的電極，且每個電極分別與基底相連。

上述專利：1.采用硅材料和深硅刻蝕、結(jié)構(gòu)鍵合工藝制作；2.采用外圈固定，內(nèi)圈激勵與檢測。硅材料和深硅刻蝕、結(jié)構(gòu)鍵合工藝造價昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動盤微陀螺及其制備方法，增加了微陀螺器件的驅(qū)動力以及檢測靈敏度，能實現(xiàn)以更低的成本和條件要求來達到更高的器件精度和品質(zhì)的目的。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動盤微陀螺，由上到下包括封裝蓋、金屬多環(huán)振子和基片，其中：

所述封裝蓋與所述基片之間形成一真空封閉的空間，所述金屬多環(huán)振子封裝在該真空封閉的空間中；

所述金屬多環(huán)振子包括金屬振子結(jié)構(gòu)和支撐柱，所述支撐柱位于所述金屬多環(huán)振子中心，所述金屬振子結(jié)構(gòu)由多個同心金屬圓環(huán)組成，相鄰的兩個金屬圓環(huán)由在圓周方向上均勻分布的輻條聯(lián)結(jié)，最內(nèi)圈金屬圓環(huán)通過輻條形成聯(lián)結(jié)，相鄰的金屬圓環(huán)與輻條在金屬多環(huán)振子內(nèi)局部圍成槽，形成的多個槽在金屬振子結(jié)構(gòu)上均勻分布；

所述金屬振子結(jié)構(gòu)與基片之間存在間隙，形成懸空結(jié)構(gòu)，支撐柱設(shè)置在基片上表面，和基片形成固定聯(lián)結(jié)，金屬振子結(jié)構(gòu)通過最內(nèi)圈的輻條與支撐柱聯(lián)結(jié)；

所述金屬多環(huán)振子，其內(nèi)圈的槽內(nèi)設(shè)置有數(shù)對驅(qū)動電極，其外圈的槽內(nèi)設(shè)置有數(shù)對檢測電極，驅(qū)動電極和檢測電極分別用于陀螺參考振動的激勵和振動的檢測。

優(yōu)選地，所述封裝蓋包括一個頂部，以及位于頂部下方的鍵合金屬層和真空吸氣裝置。

優(yōu)選地，所述基片上設(shè)有封裝蓋的鍵合層，所述鍵合層與所述鍵合金屬層進行鍵合形成一真空封閉的空間。

優(yōu)選地，所述基片上設(shè)有互聯(lián)層，所述互聯(lián)層將檢測電極和驅(qū)動電極上的電信號引出和引入，所述互聯(lián)層上設(shè)有絕緣層，絕緣層位于檢測電極和驅(qū)動電極的底部，形成和周圍結(jié)構(gòu)之間的電絕緣。

優(yōu)選地，所述驅(qū)動電極和檢測電極制作在基片上表面，和基片形成固定聯(lián)結(jié)。

優(yōu)選地，當所述金屬多環(huán)振子處于靜止狀態(tài)時，通過驅(qū)動電極施加一個交變的激勵信號，金屬多環(huán)振子會發(fā)生參考振動即第一振動模態(tài)，振型介于橢圓與圓形之間變換，此時，外界對正在振動的金屬多環(huán)振子在平面上輸入一個逆時針角速度，若金屬多環(huán)振子上某點正向金屬多環(huán)振子中心運動，根據(jù)科氏效應，該點受到科氏力影響向上偏移，由于轉(zhuǎn)動量守恒，陀螺產(chǎn)生進動，進動角度為θ，因此，金屬多環(huán)振子的振動模態(tài)發(fā)生了逆時針的偏移現(xiàn)象，振動模態(tài)偏轉(zhuǎn)一角度即第二振動模態(tài)。

本發(fā)明金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動盤微陀螺采用金屬材料和電鍍工藝制作，成本更低，同時金屬結(jié)構(gòu)具有更大的密度，有利于提高科氏力，提高陀螺的靈敏度。本發(fā)明采用內(nèi)圈固定、內(nèi)圈激勵、外圈檢測結(jié)構(gòu)，由于外圈可獲得更大的參考振動和感應振動，可提高檢測靈敏度。同時本發(fā)明巧妙地將檢測電極和驅(qū)動電極嵌入到金屬多環(huán)振動盤振子的內(nèi)部，這增強了結(jié)構(gòu)的緊湊性。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動盤微陀螺的制備方法，包括如下步驟：

在基片上沉積一層金屬薄膜，并通過光刻薄膜進行圖形化，定義導線的布置，即為互聯(lián)層；

在互聯(lián)層上沉積絕緣層，并通過光刻進行圖形化，打開后續(xù)電鍍金屬多環(huán)振子、電極及焊點所需的窗口；

在絕緣層上濺射一層種子層，為后續(xù)電鍍工藝做準備；

先在種子層上電鍍一層薄膜，根據(jù)金屬多環(huán)振子的結(jié)構(gòu)需要，對薄膜進行光刻圖形化，最后進行磨平工藝，作為后續(xù)電鍍工藝的犧牲層；

在犧牲層上旋涂光刻膠，并對其進行圖形化；

圖形化完成后通過電鍍工藝，一次加工成型金屬多環(huán)振子的金屬振子結(jié)構(gòu)和支撐柱、檢測電極、驅(qū)動電極和封裝蓋的鍵合層，然后進行磨平工藝，保證金屬振子表面的平整和對稱性；

完成金屬振子及電極的電鍍工藝以后，去除犧牲層；然后，去除多余的種子層；

在封裝蓋的頂部上電鍍封裝鍵合金屬層；在封裝蓋內(nèi)置入真空吸氣裝置，在鍵合后為振子的振動提供真空、封閉的環(huán)境；

通過鍵合金屬層、鍵合層，將金屬多環(huán)振子封裝起來，得到金屬多環(huán)圓盤振動微陀螺。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明金屬多環(huán)振子采用了平面環(huán)狀結(jié)構(gòu)，容易獲得更高的幾何對稱性和品質(zhì)因子，所需的工藝成本也較低。

本發(fā)明振子采用了金屬結(jié)構(gòu)，相對于硅來說，密度更大，并且采用電鍍工藝來加工，更容易實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)加工，難度與相對成本更低。

本發(fā)明采用的多環(huán)結(jié)構(gòu)能夠獲得更大的振幅，從而達到更大的驅(qū)動力和更優(yōu)的檢測靈敏度。

附圖說明

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：

圖1為本發(fā)明一實施例中金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動盤微陀螺封裝后的剖面圖；

圖2為本發(fā)明一實施例中金屬多環(huán)振子及電極俯視圖；

圖3為本發(fā)明一實施例中金屬多環(huán)振子振動模態(tài)圖；

圖4為本發(fā)明一實施例中制備方法流程圖；

圖中：金屬多環(huán)振子100，頂部200；

支撐柱101，驅(qū)動電極102、103，檢測電極104、105，輻條106，金屬圓環(huán)107，槽108；

金屬振子結(jié)構(gòu)201，絕緣層202、203，互聯(lián)層204，窗口205，真空吸氣裝置206，鍵合金屬層207，鍵合層208。

具體實施方式

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。

如圖1所示，一種金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動盤微陀螺封裝后的剖面圖，所述金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動盤微陀螺由上到下包括封裝蓋、金屬多環(huán)振子100和基片。

所述封裝蓋為金屬多環(huán)振子100提供一個真空的、封閉的環(huán)境，提高陀螺的檢測精度。

所述金屬多環(huán)振子作為主要振動結(jié)構(gòu)，被檢測的對象，內(nèi)置于所述封裝蓋與基片之間形成的真空的、封閉的環(huán)境中；

基片作為支撐的同時，負責導出電極等接口的工作。

具體的，所述封裝蓋包括一個頂部200，以及位于頂部200下方的鍵合金屬層207和真空吸氣裝置206；真空吸氣裝置206通過化學反應，將封閉環(huán)境中殘留或泄露進去的氣體消耗掉，來持續(xù)保持高真空度。

所述基片上設(shè)有封裝蓋的鍵合層208以及互聯(lián)層引出焊點205，基片作為支撐的同時，負責導出電極接口的工作；所述鍵合層208與所述鍵合金屬層207進行鍵合形成形成一真空封閉的空間，所述金屬多環(huán)振子100封裝在該真空封閉的空間中；提高陀螺的檢測精度。

如圖2所示，為金屬多環(huán)振子100俯視圖，所述金屬多環(huán)振子包括金屬振子結(jié)構(gòu)201和支撐柱101，所述支撐柱101位于所述金屬多環(huán)振子100中心，通過導線引出封裝外。所述金屬振子結(jié)構(gòu)201由多個同心金屬圓環(huán)107組成，相鄰的兩個金屬圓環(huán)107由在圓周方向上均勻分布的輻條106聯(lián)結(jié)，最內(nèi)圈金屬圓環(huán)107通過輻條106形成聯(lián)結(jié)，相鄰的金屬圓環(huán)107與輻條106在金屬多環(huán)振子100內(nèi)局部圍成槽108，形成的多個槽108在金屬振子結(jié)構(gòu)201上均勻分布；

所述金屬振子結(jié)構(gòu)201與基片之間存在間隙，形成懸空結(jié)構(gòu)，支撐柱101設(shè)置在基片上表面，和基片形成固定聯(lián)結(jié)，金屬振子結(jié)構(gòu)201通過最內(nèi)圈的輻條106與支撐柱101聯(lián)結(jié)；

所述金屬多環(huán)振子，其內(nèi)圈的槽108內(nèi)設(shè)置有數(shù)對驅(qū)動電極102、103，其外圈的槽108內(nèi)設(shè)置有數(shù)對檢測電極104、105，驅(qū)動電極102、103和檢測電極104、105由導線引出，分別用于陀螺參考振動的激勵和振動的檢測。

所述檢測電極104、105和驅(qū)動電極102、103均可以采用金屬電極。

如圖3所示，為金屬多環(huán)振子振動模態(tài)圖，具體工作原理：當金屬多環(huán)振子100處于靜止狀態(tài)(無外界角速度輸入)時，通過驅(qū)動電極102、103施加一個交變的激勵信號，振子會發(fā)生酒杯型振動(第一振動模態(tài))，振型介于橢圓與圓形之間變換，圖中橫軸為振動軸，為振幅最大處。此時，外界對正在振動的陀螺振子在平面上輸入一個逆時針角速度(外部轉(zhuǎn)動角度)，取橫軸上一點作分析，若該點正向圓盤中心運動，根據(jù)科式效應，該點受到科氏力影響向上偏移。該現(xiàn)象中由于轉(zhuǎn)動量守恒，陀螺產(chǎn)生進動(進動角度)，角度為θ，因此，振子的振動模態(tài)發(fā)生了逆時針的偏移現(xiàn)象，振動模態(tài)偏轉(zhuǎn)一定角度(第二振動模態(tài))。

如圖4所示，為上述微陀螺的制備流程圖，具體包括如下操作步驟：

A:在基片上沉積一層金屬薄膜，并通過光刻薄膜進行圖形化，定義導線的布置，即為互聯(lián)層204。

B:在互聯(lián)層204上沉積一層絕緣層202、203，并通過光刻進行圖形化，打開后續(xù)電鍍振子、電極及焊點所需的窗口205。

C:在絕緣層202、203上濺射一層種子層，為后續(xù)電鍍工藝做準備。

D:先在種子層上電鍍一層薄膜，根據(jù)振子的結(jié)構(gòu)需要，對薄膜進行光刻圖形化，最后進行磨平工藝，作為后續(xù)電鍍工藝的犧牲層。

E:在犧牲層上旋涂光刻膠，并對其進行圖形化。完成后通過電鍍工藝，一次加工成型金屬多環(huán)振子的金屬振子結(jié)構(gòu)201和支撐柱101、檢測電極104、105、驅(qū)動電極102、103和封裝蓋的鍵合層208，然后進行磨平工藝，保證金屬振子表面的平整和對稱性。

F:完成金屬多環(huán)振子及電極的電鍍工藝以后，去除犧牲層。

G:然后，去除多余的種子層。

H:在封裝蓋的頂部200上電鍍封裝鍵合金屬層207。

I:在封裝蓋內(nèi)置入真空吸氣裝置206，在鍵合后為振子的振動提供真空、封閉的環(huán)境。

J:通過鍵合金屬層207、鍵合層208，將金屬多環(huán)振子100封裝起來，得到金屬多環(huán)圓盤振動微陀螺。

本發(fā)明及到MEMS技術(shù)應用和MEMS微加工工藝。本發(fā)明采用平面環(huán)狀結(jié)構(gòu)，加工更易實現(xiàn)，加工成本更低，且能獲得更高的品質(zhì)因子，提高器件性能；金屬材料相對密度較大，采用電鍍工藝進行加工，加工門檻與成本更低，且更易實現(xiàn)；多環(huán)結(jié)構(gòu)增加了微陀螺器件的驅(qū)動力以及檢測靈敏度。為實現(xiàn)本方案，主要采用了MEMS為加工工藝中刻蝕、沉積以及電鍍的工藝，實現(xiàn)了以更低的成本和條件要求來達到更高的器件精度和品質(zhì)的目的。

以上對本發(fā)明的具實施例進行了描述。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。