微壳体振动陀螺及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微壳体振动陀螺及其制备方法，该微壳体振动陀螺包括微壳体陀螺谐振子和玻璃基板，微壳体陀螺谐振子设于玻璃基板上，微壳体陀螺谐振子包括回转壳体和多个敏感质量元件，敏感质量元件均布于回转壳体底部的外圆周，回转壳体和多个敏感质量元件相对于玻璃基板的面上设有金属膜，玻璃基板包括多个固定电容板，多个固定电容板上与多个敏感质量元件一一对应。制备方法包括：高精度靠模制备微壳体陀螺谐振子和微装配。该微壳体振动陀螺基于面外驱动和检测，具有便于加工且加工精度高、驱动和检测效率高、便于模态和频率修调、鲁棒性好、成本低廉等优点，该制备方法能极大提高微壳体陀螺谐振子的三维曲面面形加工精度和结构对称度。

【技术实现步骤摘要】
微壳体振动陀螺及其制备方法
本专利技术属于微机械传感器领域，尤其涉及一种微壳体振动陀螺及其制备方法。
技术介绍
陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。目前，基于微机械加工技术可在圆片上实现传感器的批量加工，实现了体积小、成本低、功耗小的微陀螺仪的加工。经过这些年的发展，MEMS陀螺仪的精度已达速率级别，在汽车和消费电子领域有着广泛的应用（在50Hz的带宽内分辨率大概为0.1˚/s）。然而，对于精度要求更高的领域，例如在卫星信号盲区为导弹提供短距离导航（分辨率至少要求0.1˚/h），现有结构的MEMS陀螺仪还难以满足要求。随着微机械加工工艺的发展和微陀螺技术研究的不断深入，微壳体振动陀螺成为最具发展潜力的微陀螺之一，是近年来研究的焦点和热点。微壳体振动陀螺是在宏观的壳体振动陀螺的基础上小型化而来，有望继承宏观壳体振动陀螺的一切性能优点，并同时具有体积小、成本低、功耗小等优异性能。壳体振动陀螺的高性能归根于其高度对称的敏感结构，需要采用高精度制造方法。随着体积的减小，微壳体振动陀螺的相对误差会显著增加，制造误差、非对称应力等因数制约着微陀螺性能的提升，急需高精度的三维微加工技术；另外，如何提高微壳体振动陀螺的驱动和检测面积，是提高微壳体振动陀螺性能面临的重要挑战。目前，基于静电驱动和电容检测的壳体谐振陀螺工作方式主要有圆弧面电极驱动和检测（面内）和平行板电极驱动和检测（面外）两种。虽然采用圆弧面工作电极的面内工作方式能够极大增加驱动和检测电极的面积，但是受目前三维微加工技术的限制，难以实现微尺度高精度电极间隙的圆弧面电容的加工。基于平行板工作电极的面外工作方式，电极间隙易于保证，一致性较好，但是电容面积的相对较小，驱动和检测效率较低。所以，迫切需要高效率且易于实现的驱动和检测方式。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于面外驱动和检测、便于加工且加工精度高、驱动和检测效率高、便于模态和频率修调、鲁棒性好、成本低廉的微壳体振动陀螺及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种微壳体振动陀螺，包括微壳体陀螺谐振子和玻璃基板，所述微壳体陀螺谐振子设于所述玻璃基板之上，所述微壳体陀螺谐振子包括回转壳体和多个敏感质量元件，所述多个敏感质量元件均匀分布于所述回转壳体底部的外圆周，所述回转壳体和多个敏感质量元件相对于所述玻璃基板的面上设有金属膜，所述玻璃基板包括多个固定电容板，所述多个固定电容板上与所述多个敏感质量元件一一对应。作为上述技术方案的进一步改进：所述多个敏感质量元件为T形质量块。所述多个敏感质量元件质量相等、形状相同。所述固定电容板包括驱动电容板和敏感电容板，所述驱动电容板与所述敏感电容板等间隔分布。所述回转壳体的中心位置朝所述玻璃基板方向凸起形成连接锚点，所述连接锚点与所述玻璃基板连接。所述玻璃基板上设有与所述连接锚点相对应的连接凸台。所述连接锚点与所述连接凸台通过导电胶粘接。所述玻璃基板上还设有多个接地引线，所述接地引线与所述固定电容板间隔分布。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的微壳体振动陀螺的制备方法，包括以下步骤：S1：制备微壳体陀螺谐振子将一石英片置于一成型空腔之上，对所述石英片进行加热，同时对所述成型空腔进行抽真空，将软化的石英片吸附至所述成型空腔的腔壁上，得到带回转壳体的微型三维曲面结构，在所述微型三维曲面结构上划片制作多个敏感质量元件，在所述回转壳体和所述多个敏感质量元件相对于玻璃基板的面上镀金属膜，得到微壳体陀螺谐振子；S2：微装配在一玻璃板上制作固定电容板，得到所述玻璃基板，将所述微壳体陀螺谐振子与所述玻璃基板连接，得到微壳体振动陀螺。作为上述技术方案的进一步改进：所述成型空腔位于一下模具中，所述下模具包括抽真空孔，所述抽真空孔与所述成型空腔连通，所述石英片定位于一上模具和所述下模具之间。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的微壳体振动陀螺，微壳体陀螺谐振子边缘周期分布的敏感质量元件与玻璃基板上的固定电容板构成陀螺面外驱动电容和敏感电容，此面外驱动和检测电容为上下平行板电容结构，电容间隙便于加工，也便于加工精度的提高，电容间隙尺寸容易保证，极大简化了微陀螺的加工工艺。2、回转壳体的外圆周均匀分布的敏感质量元件，可以在不改变谐振结构刚度的情况下，大大增加结构的敏感质量；同时敏感质量元件也增加了谐振结构的电容极板面积，极大的提高了基于面外驱动和检测方式的工作效率；并可以通过增加或去除敏感质量元件质量的方法实现对谐振结构的模态和频率修调，极大简化了谐振结构的模态和频率修调工艺。3、本专利技术的微壳体振动陀螺的制备方法，采用高精度靠模法制备微壳体陀螺谐振子，所制备的微壳体陀螺谐振子通过微装配工艺与玻璃基板连接形成微壳体振动陀螺，该方法实现了带中心支撑的微壳体陀螺谐振子的一体化加工，极大提高了微壳体陀螺谐振子的三维曲面面形加工精度和结构对称度。附图说明图1为本专利技术微壳体振动陀螺的拆分结构示意图。图2为本专利技术微壳体振动陀螺的俯视示意图。图3为图2的A-A剖视示意图。图4为微壳体陀螺谐振子的俯视示意图。图5为玻璃基板的俯视示意图。图6为微壳体陀螺谐振子的制备示意图。图7为本专利技术微壳体振动陀螺的制备示意图。图8为本专利技术微壳体振动陀螺的驱动模态仿真示意图。图9为本专利技术微壳体振动陀螺的敏感模态仿真示意图。图例说明：1、微壳体陀螺谐振子；11、回转壳体；12、敏感质量元件；13、金属膜；2、玻璃基板；21、固定电容板；211、驱动电容板；212、敏感电容板；22、连接凸台；23、接地引线；31、上模具；32、石英片；33、下模具；34、抽真空孔；35、成型空腔。具体实施方式以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本专利技术作进一步描述，但并不因此而限制本专利技术的保护范围。实施例1：如图1至图5示出了本专利技术的微壳体振动陀螺实施例，该微壳体振动陀螺包括微壳体陀螺谐振子1和玻璃基板2，微壳体陀螺谐振子1设于玻璃基板2之上，微壳体陀螺谐振子1包括回转壳体11和多个敏感质量元件12，多个敏感质量元件12均匀分布于回转壳体11底部的外圆周，回转壳体11和多个敏感质量元件12相对于玻璃基板2的面上设有金属膜13，玻璃基板2包括多个固定电容板21，多个固定电容板21上与多个敏感质量元件12一一对应。每个固定电容板21与其对应的敏感质量元件12之间有间隙，构成陀螺面外电容，此面外电容为上下平行板电容结构，电容间隙便于加工，也便于加工精度的提高，电容间隙尺寸容易保证，极大简化了微陀螺的加工工艺。敏感质量元件12分布于回转壳体11底部的外圆周，可以在不改变谐振结构刚度的情况下，大大增加结构的敏感质量；同时敏感质量元件12也增加了谐振结构的电容极板面积，极大的提高了基于面外驱动和检测方式的工作效率；并可以通过在增加或去除敏感质量元件12的质量的方法实现对谐振结构的模态和频率修调，极大简化了谐振结构的模态和频率修调工艺。本实施例中，多个敏感质量元件12为T形质量块。本实施例中，多个敏感质量元件12质量相等、形状相同。本实施例中，固定电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微壳体振动陀螺，包括微壳体陀螺谐振子（1）和玻璃基板（2），所述微壳体陀螺谐振子（1）设于所述玻璃基板（2）之上，其特征在于，所述微壳体陀螺谐振子（1）包括回转壳体（11）和多个敏感质量元件（12），所述多个敏感质量元件（12）均匀分布于所述回转壳体（11）底部的外圆周，所述回转壳体（11）和多个敏感质量元件（12）相对于所述玻璃基板（2）的面上设有金属膜（13），所述玻璃基板（2）包括多个固定电容板（21），所述多个固定电容板（21）上与所述多个敏感质量元件（12）一一对应。

【技术特征摘要】
1.一种微壳体振动陀螺，包括微壳体陀螺谐振子（1）和玻璃基板（2），所述微壳体陀螺谐振子（1）设于所述玻璃基板（2）之上，其特征在于，所述微壳体陀螺谐振子（1）包括回转壳体（11）和多个敏感质量元件（12），所述多个敏感质量元件（12）均匀分布于所述回转壳体（11）底部的外圆周，所述回转壳体（11）和多个敏感质量元件（12）相对于所述玻璃基板（2）的面上设有金属膜（13），所述玻璃基板（2）包括多个固定电容板（21），所述多个固定电容板（21）上与所述多个敏感质量元件（12）一一对应，每个固定电容板（21）与其对应的敏感质量元件（12）之间有间隙，构成陀螺面外电容。2.根据权利要求1所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述多个敏感质量元件（12）为T形质量块。3.根据权利要求2所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述多个敏感质量元件（12）质量相等、形状相同。4.根据权利要求3所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述固定电容板（21）包括驱动电容板（211）和敏感电容板（212），所述驱动电容板（211）与所述敏感电容板（212）等间隔分布。5.根据权利要求1至4中任一项所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述回转壳体（11）的中心位置朝所述玻璃基板（2）方向凸起形成连接锚点，所述连接锚点与所述玻璃基板（2）连接。6.根据权利要求5所述的微壳体振动陀螺，其特征在于，所述玻璃基板（2）上设有与所述连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖定邦，吴学忠，侯占强，李微，陈志华，吴宇列，卢坤，石岩，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43