环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺及其制备方法，包括：一个长方体硅基底、一个半球壳式中央谐振子、一个环形玻璃壳体、八个制作在环形玻璃上的金属电极，其中：八个电极环绕中央谐振子均匀分布配置，包含四个驱动电极和四个检测电极，并通过引线连接至引脚处；通过在对应引脚处施加正负电压，驱动电极和检测电极可以实现静电驱动与检测；所述中央半球壳谐振子和外围的环形玻璃采用玻璃吹制过程制作。本发明专利技术采用MEMS工艺加工，结构简单、体积小、精度较高，极具发展前景。

【技术实现步骤摘要】
环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺及其制备方法
本专利技术涉及一种微机电
的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺及其制备方法。
技术介绍
陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。基于MEMS技术的微陀螺仪采用批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。佐治亚理工大学的Johari等人在其论文“Capacitivebulkacousticwavesilicondiskgyroscopes”中，提出了一种圆盘式体声波陀螺，虽然具有较好的性能，但是其制作工艺较为复杂，工艺误差不容易控制。在MEMS微陀螺中，半球谐振微陀螺具有体积小、功耗低、可靠性高、结构简单等诸多优点，具备较高的研究价值，应用前景很大。然而，由于我国目前的微加工技术水平不高，这在一定程度上限制了我国微型半球谐振陀螺的发展与应用。因此，研究出一种适合当前加工技术水平的微型半球谐振陀螺的意义不言而喻。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺及其制备方法，本专利技术采用MEMS工艺加工，结构简单、体积小、精度较高，极具发展前景。根据本专利技术的一个方面，提供一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺，包括：一个长方体硅基底；一个位于长方体硅基底中央的半球壳式中央谐振子；一个沿半球壳式中央谐振子环绕一周的环形玻璃壳体，半球壳式中央谐振子与环形玻璃壳体两者不接触；八个制作在环形玻璃壳体上的电极，包含四个驱动电极和四个检测电极，并通过引线连接至引脚处；其中：所述驱动电极与半球壳式中央谐振子均非接触，所述检测电极与半球壳式中央谐振子均非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置依次间隔分布；当四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由电容感应效应产生半球壳式中央谐振子在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，半球壳式中央谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；所述驱动模态和检测模态互相匹配。优选地，所述长方体硅基底上预先刻蚀出了所需要的中央圆形凹槽和环形凹槽，并在刻蚀出中央圆形凹槽和外围环形凹槽的长方体硅基底上键合一层玻璃金属，图形化之后，用于半球壳式中央谐振子和环形玻璃壳体的吹制。优选地，所述微陀螺进一步包括连接引脚和驱动电极、检测电极的连接线，所述引脚通过连接线将外部的电信号引入驱动电极或者将检测电极处产生的电信号通过连接线导出。优选地，所述半球壳式中央谐振子的材料为玻璃，通过在高温下吹制形成；在半球壳式中央谐振子上制作有电极。优选地，所述环形玻璃壳体通过在高温下对玻璃吹制形成；在环形玻璃壳体上制作有八个电极，分别为四个驱动电极和四个检测电极。优选地，所述驱动电极的材料为金属，驱动电极在半球壳式中央谐振子外围的环形玻璃壳体上依次间隔分配布置，即驱动电极和检测电极依次分布排列，每两个驱动电极之间是一个检测电极，同样，每两个检测电极之间是一个驱动电极，用于激励半球壳式中央谐振子产生驱动模态振型。根据本专利技术的另一个方面，提供一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺的制备方法，包括以下步骤：第一步，对单晶的长方体硅基底进行清洗；第二步，对长方体硅基底进行涂胶、光刻并显影,得到光刻胶；第三步，对长方体硅基底进行ICP刻蚀，去胶后得到一个中央圆形凹槽和外围环形凹槽，其中，外围环形凹槽环绕中央圆形凹槽一周，且中央圆形凹槽的外边缘与外围环形凹槽的内边缘保持一距离间隔；第四步，在刻蚀出中央圆形凹槽和外围环形凹槽的长方体硅基底上方键合一层玻璃；第五步，在玻璃上方沉积一层金属，涂胶、光刻、显影并刻蚀，去胶后得到覆盖在玻璃上的半球壳式中央谐振子上的圆形金属电极、环形玻璃壳体上的方形金属电极和长方形金属引脚；其中，圆形金属电极完全覆盖中央圆形凹槽，方形金属电极完全覆盖外围环形凹槽的其中一部分；长方形金属引脚与圆形金属电极、方形金属电极通过金属连接线一体化连接，通过刻蚀金属后直接形成；第六步，高温800℃-900℃下中央圆形凹槽和外围环形凹槽内的空气膨胀，将玻璃吹制成所需要的半球形状(即半球壳式中央谐振子)和环形壳体(即环形玻璃壳体)，得到环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、采用硅片基体作为主要加工结构，通过MEMS的方法进行加工，工艺简单，成本较低，并可实现批量生产；2、采用该方法制作的环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺，具有简单的结构和较高的性能，小尺寸和较高的品质因数使其具有较广泛的应用范围；3、提出了一种加工该种玻璃吹制式微型半球谐振陀螺的方法，该方法仅仅采用表面微加工技术，简化了加工流程，工艺误差减小，可以得到更好的性能；4、中央谐振子材料为石英玻璃，使其刚度较大，具有较好的抗冲击性。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一较优实施例立体结构示意图；图2为本专利技术一较优实施例在长方体基体上刻蚀出的凹槽结构示意图；图3(a)～图3(f)为环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺主要的加工工艺流程图。图中，1-长方体硅基底，2-半球壳式中央谐振子，3-环形玻璃壳体，4-中央圆形凹槽，5-外围环形凹槽，6-光刻胶，7-玻璃，8-圆形金属电极，9-方形金属电极，10-长方形金属引脚，11-中央圆形凹槽的外边缘，12-圆形金属电极的外边缘。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例1如图1-2所示，本实施例提供一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺，包括：一个长方体硅基底1；一个半球壳式中央谐振子2；八个制作在环形玻璃壳体3上的金属电极，包含四个驱动电极和四个检测电极，并通过引线连接至引脚10处；四个驱动电极与半球壳式中央谐振子2均非接触，四个检测电极与半球壳式中央谐振子2均非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置依次间隔分布；半球壳式中央谐振子2和环形玻璃壳体3均由玻璃吹制形成，半球壳式中央谐振子2位于长方体硅基底1的中央，环形玻璃壳体3沿半球壳式中央谐振子2环绕一周，二者不接触；当四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由电容感应效应产生半球壳式中央谐振子2在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，半球壳式中央谐振子2的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；所述驱动模态和检测模态互相匹配。实施例2如图3(a)～图3(f)，本实施例提供一种环形玻璃包围式玻璃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺，其特征在于，包括：一个长方体硅基底；一个位于长方体硅基底中央的半球壳式中央谐振子；一个沿半球壳式中央谐振子环绕一周的环形玻璃壳体，半球壳式中央谐振子与环形玻璃壳体两者不接触；八个制作在环形玻璃壳体上的电极，包含四个驱动电极和四个检测电极；其中：所述驱动电极与半球壳式中央谐振子为非接触，所述检测电极与半球壳式中央谐振子为非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置依次间隔分布；所述驱动电极和检测电极分布在围绕中央半球型谐振子一周的环形玻璃上，中央谐振子和外围的环形玻璃均由玻璃吹制过程形成。当四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由电容感应效应产生半球壳式中央谐振子在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，半球壳式中央谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；所述驱动模态和检测模态互相匹配。

【技术特征摘要】
1.一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺，其特征在于，包括：一个长方体硅基底；一个位于长方体硅基底中央的半球壳式中央谐振子；一个沿半球壳式中央谐振子环绕一周的环形玻璃壳体，半球壳式中央谐振子与环形玻璃壳体两者不接触；八个制作在环形玻璃壳体上的电极，包含四个驱动电极和四个检测电极；其中：所述驱动电极与半球壳式中央谐振子为非接触，所述检测电极与半球壳式中央谐振子为非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置依次间隔分布；所述驱动电极和检测电极分布在围绕中央半球型谐振子一周的环形玻璃上，中央谐振子和环形玻璃壳体均由玻璃吹制过程形成；当四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由电容感应效应产生半球壳式中央谐振子在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，半球壳式中央谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；所述驱动模态和检测模态互相匹配。2.根据权利要求1所述的一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述长方体硅基底上预先刻蚀出了所需要的中央圆形凹槽和外围的环形凹槽，并在刻蚀了中央圆形凹槽和外围环形凹槽的硅基底上方键合一层玻璃金属，图形化之后，用于半球壳式中央谐振子和环形玻璃壳体的吹制。3.根据权利要求2所述的一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述半球壳式中央谐振子的材料为玻璃，在半球壳式中央谐振子上制作有电极，该电极用以和环形玻璃上的电极配合实现对半球壳式中央谐振子的驱动和检测。4.根据权利要求1所述的一种环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述驱动电极的材料为金属，驱动电极在环形玻璃壳体上依次间隔分配布置，即驱动电极和检测电极依次分布排列，每两个驱动电极之间是一个检测电极，同样，每两...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，刘亚东，唐健，汪濙海，成宇翔，孙殿竣，陈文元，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31