[发明专利]一种曲面电极的微半球陀螺结构及其制备方法

说明书

本发明涉及微机电系统制造技术领域，特别涉及一种曲面电极的微半球陀螺结构及其制备方法；所述方法包括对微半球谐振子的外表面镀膜，对微半球曲面电极的内外表面镀膜并喷涂光刻胶；采用含光学透镜结构的光刻板与微半球曲面电极的内表面对准，光刻显影并使曲面结构的光刻胶图形化；以光刻胶为掩膜使微半球曲面电极上的金属膜图形化，形成激励检测电极、屏蔽电极、锚点电极；将微半球谐振子与微半球曲面电极同轴对准，将谐振子锚点与曲面电极锚点固化导通，将曲面电极外沿基准面固定在缓冲板上，形成具有曲面电极的微半球陀螺结构；本发明可以有效降低曲面电极制作的工艺难度与成本，且具备更好的热适配性能。

技术领域

本发明涉及微机电系统制造技术领域，特别涉及一种曲面电极的微半球陀螺结构及其制备方法。

背景技术

陀螺仪是惯性导航系统的核心器件之一，用于测量运动物体的角速度及角度变化。微半球陀螺具有全轴对称的三维薄壳体结构形式，采用微加工工艺制备，由于其兼具体积、成本、性能的综合优势，可以广泛应用于航空、航天、船舶、车辆、机器人等设备的导航和姿态测量领域。

微半球陀螺的核心器件由微半球谐振子与电极构成，谐振子需要在一定的外力激励条件下形成四波腹振动，从而具备敏感角速率的性能，静电激励与电容检测基于电极芯片与镀膜后的谐振子形成的微电容结构实现：一方面，微电容受交变电压影响产生周期变化的电场，可以激励谐振壳体产生振动。另一方面，通过读取微电容单元的电容变化，也可以实时解算谐振子振动的幅度和相位变化，从而得到被测物体运动的角度和角速度信息。

传统的微半球陀螺微电容结构采用了平面电极结构形式，谐振子与电极都采用石英玻璃制备，通过在谐振子唇沿与平面电极基板间形成10微米左右的间隙构造微电容单元。平面电极具有结构简单，易加工组装的优势，是目前国内相关研究者主要采用的技术方案。但这种结构的有效电容面积仅为谐振子唇口很小的区域，电容较小将不利于陀螺工作时静电激励与电容信号拾取，从而限制了陀螺精度的提升。

国外有研究学者也提出硅基底的柱面电极和曲面电极的制备方法。其方法是将硅片与玻璃基片相键合，以玻璃片为基底，采用深硅刻蚀工艺在硅片上沉积图形并刻蚀制作柱面/曲面电极，通过干法刻蚀及电镀工艺制备电极图案，柱面/曲面电极与谐振子同轴装配，在谐振子曲面区域构造微电容单元。该方法可以有效增大电容面积，提高陀螺的静电激励效率与微电容读出精度，从而提升微半球陀螺机械灵敏度。但由于深硅刻蚀工艺的柱面/曲面电极工艺难度较大，且制造成本不菲，因此具有一定的局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种曲面电极的微半球陀螺结构及其制备方法，采用石英玻璃材料的微半球谐振子与微半球曲面电极均采用火焰吹制法成型，微半球曲面电极保留外沿结构；使用含光学透镜结构的光刻板实现曲面电极图形制备；将谐振壳体、曲面电极与缓冲板装配固定形成微半球陀螺敏感器。该方案可以有效降低曲面电极制作的工艺难度与成本，且具备更好的热适配性能。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种曲面电极的微半球陀螺结构，包括微半球谐振子、微半球曲面电极和缓冲板，所述微半球谐振子中心设置有谐振子锚点，所述微半球曲面电极中心设置有曲面电极锚点；所述微半球曲面电极球边缘设置有曲面电极外沿基准面；将含有光学透镜结构的光刻板与曲面电极的内表面对准，在所述微半球曲面电极上形成激励检测电极、屏蔽电极和锚点电极；所述微半球谐振子与所述微半球曲面电极同轴对准，所述谐振子锚点与所述曲面电极锚点之间固化导通；将所述曲面电极外沿基准面固定在所述缓冲板上。

进一步的，所述微半球曲面电极具有和微半球谐振子适配的结构尺寸，微半球曲面电极的内径大于微半球谐振子的外径，曲面电极锚点直径小于谐振子锚点直径；且曲面电极内球面与谐振子外球面形成配合间隙。

进一步的，微半球谐振子的外表面镀设有金属膜；微半球曲面电极的内外表面均镀设有金属膜。

优选的，所述微半球谐振子和所述微半球曲面电极镀设的金属膜材料可以采用铬金。