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一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺及其制備方法，所述陀螺包括一個長方體硅基底、一個半球殼式中央諧振子、一個支撐半球殼式中央諧振子的支撐柱、八個通過離子摻雜形成的電極，其中八個電極環(huán)繞中央諧振子均勻分布配置，包含四個驅(qū)動電極和四個檢測電極，并通過金屬引線連接至引腳處；通過在對應(yīng)引腳處施加正負電壓，驅(qū)動電極和檢測電極可以實現(xiàn)靜電驅(qū)動與檢測。所述中央半球殼諧振子采用圖形轉(zhuǎn)移的壓印方式制成。本發(fā)明采用MEMS工藝加工，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度較高，極具發(fā)展前景。
【專利說明】一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺及其制備方法

【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，涉及一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺及其制備方法。

【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。基于MEMS技術(shù)的微陀螺儀采用批量制造技術(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]佐治亞理工大學的Johari等人在其論文“Capacitive bulk acoustic wavesilicon disk gyroscopes”中,提出了一種圓盤式體聲波陀螺,雖然具有較好的性能，但是其制作工藝較為復雜，工藝誤差不容易控制。在MEMS微陀螺中，半球諧振微陀螺具有體積小、功耗低、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點，具備較高的研究價值，應(yīng)用前景很大。
[0004]然而，由于我國目前的微加工技術(shù)水平不高，這在一定程度上限制了我國微型半球諧振陀螺的發(fā)展與應(yīng)用。因此，研究出一種適合當前加工技術(shù)水平的微型半球諧振陀螺的意義不言而喻。


【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圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺及其制備方法，采用MEMS工藝加工，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度較高，極具發(fā)展前景。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺，包括:
[0007]一個長方體娃基底；
[0008]一個半球殼式中央諧振子；
[0009]一個支撐半球殼式中央諧振子的支撐柱；
[0010]八個通過離子摻雜形成的電極，包含四個驅(qū)動電極和四個檢測電極，并通過金屬引線連接至引腳處。
[0011]其中，驅(qū)動電極與半球殼式中央諧振子均非接觸，檢測電極與半球殼式中央諧振子均非接觸，且四個驅(qū)動電極的空間位置與四個檢測電極的空間位置依次間隔分布；
[0012]四個所述驅(qū)動電極在中央諧振子外圍的長方體硅基底上依次間隔分配布置，用于激勵中央諧振子產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)振型，當四個所述驅(qū)動電極中的兩個相對的驅(qū)動電極，即分布在中央半球諧振子兩側(cè)的硅基底上、在一條直線上的兩個電極被施加交流電壓時，由電容感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生半球殼式中央諧振子在驅(qū)動模態(tài)的振動；當存在輸入角速度時，半球殼式中央諧振子的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，利用檢測電極處電容感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的敏感電信號進行信號檢測；所述述驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)互相匹配。
[0013]優(yōu)選地，所述微陀螺進一步包括連接引腳和驅(qū)動電極、檢測電極的連接線，所述引腳通過連接線將外部的電信號引入驅(qū)動電極或者將檢測電極處產(chǎn)生的電信號通過連接線導出。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺的制備方法，包括以下步驟:
[0015]第一步、對單晶硅片進行清洗；
[0016]第二步、對硅片進行離子摻雜，用以制作驅(qū)動電極和檢測電極；
[0017]第三步、對單晶硅片進行ICP刻蝕，去膠后得到一個中央凹槽；
[0018]第四步、對中央凹槽內(nèi)的硅基體進行局部離子摻雜，并再次進行ICP刻蝕，去膠后得到支撐柱；
[0019]第五步、在中央凹槽上方鍵合一層玻璃金屬，并進行圖形化刻蝕；
[0020]第六步、在中央凹槽上方的玻璃金屬上放置一個半球型模具，對半球型模具施加足夠的應(yīng)力，從而把玻璃金屬壓制成半球殼形狀，并和支撐柱緊密固定，初步形成所需要的半球殼式中央諧振子；
[0021]第七步、制作引線，對硅片進行局部刻蝕并沉積一層金屬，圖形化刻蝕金屬行程引線；引線用于將外部的電信號引入驅(qū)動電極或者將檢測電極處產(chǎn)生的電信號通過連接線導出；
[0022]第八步、對玻璃金屬的半球殼體進行局部刻蝕，得到最終的半球殼式中央諧振子。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0024]1、采用硅片基體作為主要加工結(jié)構(gòu)，通過MEMS的方法進行加工，工藝簡單，成本較低，并可實現(xiàn)批量生產(chǎn)；
[0025]2、提出了一種加工該種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺的方法，該方法僅僅采用常用的微加工技術(shù)，可以得到更好的性能；
[0026]3、采用該方法制作的圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺，具有簡單的結(jié)構(gòu)和較高的性能，小尺寸和較高的品質(zhì)因數(shù)使其具有較廣泛的應(yīng)用范圍；
[0027]4、中央諧振子材料為玻璃金屬，使其剛度較大，具有較好的抗沖擊性。
[0028]5、可以一次性地進行離子摻雜，形成驅(qū)動電極和檢測電極，可以一次性地沉積、刻蝕金屬形成連接線和引腳，且引腳對稱、整齊地分布在長方體底座的邊緣，便于封裝；

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]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:
[0030]圖1為本發(fā)明一較優(yōu)實施例剖面示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明一較優(yōu)實施例離子摻雜電極與刻蝕的中央凹槽的分布關(guān)系示意圖；
[0032]圖3(a)?圖⑴為圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺加工工藝流程圖；
[0033]圖中:1-長方體硅基底，2-離子摻雜單晶硅形成的電極，3-中央凹槽，4-支撐柱，5-玻璃金屬，6-用于壓制半球殼式中央諧振子的半球型模具，7-初步形成的半球殼式中央諧振子，8-電極,9-半球殼式中央諧振子。

【具體實施方式】
[0034]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。
[0035]實施例1
[0036]如圖1、2所示，本實施例提供一種種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺，包括:
[0037]一個長方體娃基底I ;
[0038]一個半球殼式中央諧振子9 ;
[0039]一個支撐半球殼式中央諧振子的支撐柱4 ；
[0040]八個通過離子摻雜形成的電極8，包含四個驅(qū)動電極和四個檢測電極，并通過金屬引線連接至引腳處。
[0041]其中，驅(qū)動電極與半球殼式中央諧振子9均非接觸，檢測電極與半球殼式中央諧振子9均非接觸，且四個驅(qū)動電極的空間位置與四個檢測電極的空間位置依次間隔分布；
[0042]四個所述驅(qū)動電極在半球殼式中央諧振子9外圍的長方體硅基底I上依次間隔分配布置，即驅(qū)動電極和檢測電極依次分布排列，每兩個驅(qū)動電極之間是一個檢測電極，同樣，每兩個檢測電極之間是一個驅(qū)動電極，用于激勵半球殼式中央諧振子9產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)振型，當四個所述驅(qū)動電極中的兩個相對的驅(qū)動電極，即分布在中央半球諧振子兩側(cè)的硅基底上、在一條直線上的兩個電極被施加交流電壓時，由電容感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生半球殼式中央諧振子9在驅(qū)動模態(tài)的振動；當存在輸入角速度時，半球殼式中央諧振子9的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，利用檢測電極處電容感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的敏感電信號進行信號檢測；所述述驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)互相匹配。
[0043]本實施例中，所述長方體硅基底I上預先刻蝕出了所需要的方形中央凹槽3，并在長方體硅基底上鍵合一層玻璃金屬5，圖形化之后，用于半球殼式中央諧振子9圖形轉(zhuǎn)移的壓印式制作，具體為將一個用于壓制半球殼式中央諧振子的半球型模具6置于覆蓋中央凹槽3的玻璃金屬5上，并對其施加一定的應(yīng)力，從而得到所需要的半球殼式中央諧振子9。
[0044]本實施例中，所述微陀螺還可以進一步包括連接引腳和驅(qū)動電極、檢測電極的連接線，所述引腳通過連接線將外部的電信號引入驅(qū)動電極或者將檢測電極處產(chǎn)生的電信號通過連接線導出。
[0045]本實施例中，所述支撐柱4用于對半球殼式中央諧振子9的固定支撐，位于長方體硅基底I的底部，通過刻蝕硅基體形成，離子摻雜后具有導電性，可以將外部電信號引入半球殼式中央諧振子9。
[0046]本實施例中，所述半球殼式中央諧振子9的材料為玻璃金屬，使用電容感應(yīng)效應(yīng)進行驅(qū)動和檢測。
[0047]實施例2
[0048]本實施例提供一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺的制備方法，包括以下步驟:
[0049]第一步，如圖3(a)所示，對單晶長方體硅基底I進行清洗；
[0050]第二步，如圖3(b)所示，對長方體硅基底I進行離子摻雜，用以制作驅(qū)動電極和檢測電極；
[0051]第三步，如圖3(c)所示，對單晶長方體硅基底I進行ICP刻蝕，去膠后得到一個中央凹槽3 ;
[0052]第四步，如圖3 (d)所示，對中央凹槽3內(nèi)的長方體硅基底I進行局部離子摻雜，并再次進行ICP刻蝕，去膠后得到支撐柱4 ；
[0053]第五步，如圖3(e)所示，在中央凹槽3上方鍵合一層玻璃金屬5，并進行圖形化刻蝕；
[0054]第六步，如圖3(f)所示，在中央凹槽3上方的玻璃金屬5上放置一個用于壓制半球殼式中央諧振子的半球型模具6，對其施加應(yīng)力，從而把玻璃金屬5壓制成半球殼形狀，并和支撐柱4緊密固定，形成所需要的初步的半球殼式中央諧振子7，如圖3(g)；
[0055]第七步，如圖3(h)所示，制作引線，對長方體硅基底I進行局部刻蝕并沉積一層金屬，圖形化刻蝕金屬行程引線；引線用于將外部的電信號引入驅(qū)動電極或者將檢測電極處產(chǎn)生的電信號通過連接線導出；
[0056]第八步，如圖3(i)所示，對玻璃金屬的半球殼體進行局部刻蝕，得到最終的半球殼式中央諧振子9。
[0057]本發(fā)明所述陀螺采用硅片基體作為主要加工結(jié)構(gòu)，通過MEMS的方法進行加工，工藝簡單，成本較低，并可實現(xiàn)批量生產(chǎn)；采用本發(fā)明所述制備方法制作的圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺，具有簡單的結(jié)構(gòu)和較高的性能，小尺寸和較高的品質(zhì)因數(shù)使其具有較廣泛的應(yīng)用范圍。
[0058]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】
1.一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺，其特征在于，包括: 一個長方體娃基底； 一個半球殼式中央諧振子； 一個支撐半球殼式中央諧振子的支撐柱； 八個通過離子摻雜形成的電極，包含四個驅(qū)動電極和四個檢測電極； 其中，驅(qū)動電極與半球殼式中央諧振子均為非接觸，檢測電極與半球殼式中央諧振子均為非接觸，且四個驅(qū)動電極的空間位置與四個檢測電極的空間位置依次間隔分布； 四個所述驅(qū)動電極在中央諧振子外圍的長方體硅基底上依次間隔分配布置，用于激勵中央諧振子產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)振型，當四個所述驅(qū)動電極中的兩個相對的驅(qū)動電極被施加交流電壓時，由電容感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生半球殼式中央諧振子在驅(qū)動模態(tài)的振動；當存在輸入角速度時，半球殼式中央諧振子的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，利用檢測電極處電容感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的敏感電信號進行信號檢測；所述述驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)互相匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺，其特征在于，所述微陀螺進一步包括連接引腳和驅(qū)動電極、檢測電極的連接線，所述引腳通過連接線將外部的電信號引入驅(qū)動電極或者將檢測電極處產(chǎn)生的電信號通過連接線導出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺，其特征在于，所述長方體硅基底上預先刻蝕出了所需要的方形凹槽，并在刻蝕有凹槽的硅基底上方鍵合一層玻璃金屬，圖形化之后，用于半球殼式中央諧振子圖形轉(zhuǎn)移的壓印式制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺，其特征在于，所述支撐柱用于對半球殼式中央諧振子的固定支撐，位于長方體硅基底的底部，通過刻蝕硅基體形成，離子摻雜后具有導電性，將外部電信號引入半球殼式中央諧振子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺，其特征在于，所述半球殼式中央諧振子的材料為玻璃金屬，使用電容感應(yīng)效應(yīng)進行驅(qū)動和檢測。
6.一種如權(quán)利要求1-5任一項所述的圖形轉(zhuǎn)移的壓印式微型半球諧振陀螺的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，對單晶長方體硅基底(I)進行清洗； 第二步，對長方體硅基底(I)進行離子摻雜，用以制作驅(qū)動電極和檢測電極； 第三步，對單晶長方體硅基底(I)進行ICP刻蝕，去膠后得到一個中央凹槽(3)；第四步，對中央凹槽(3)內(nèi)的長方體硅基底(I)進行局部離子摻雜，并再次進行ICP刻蝕,去膠后得到支撐柱(4)； 第五步，在中央凹槽(3)上方鍵合一層玻璃金屬(5)，并進行圖形化刻蝕； 第六步，在中央凹槽(3)上方的玻璃金屬(5)上放置一個用于壓制半球殼式中央諧振子的半球型模具￠)，對其施加應(yīng)力，從而把玻璃金屬(5)壓制成半球殼形狀，并和支撐柱(4)緊密固定，形成所需要的初步的半球殼式中央諧振子(7)； 第七步，制作引線，對長方體硅基底(I)進行局部刻蝕并沉積一層金屬，圖形化刻蝕金屬行程引線；引線用于將外部的電信號引入驅(qū)動電極或者將檢測電極處產(chǎn)生的電信號通過連接線導出； 第八步，對玻璃金屬的半球殼體進行局部刻蝕，得到最終的半球殼式中央諧振子(9)。
【文檔編號】G01C19/5691GK104197921SQ201410390501
【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, 劉亞東, 唐健, 汪濙海, 成宇翔, 孫殿竣, 陳文元 申請人:上海交通大學