基于杯形波动陀螺的压电电极及其制备方法与流程

本发明涉及一种基于杯形波动陀螺的压电电极及其设计方法，主要是结构优化、改进以及工艺制作，属于执行器、传感器设计制造技术领域。

背景技术：

锆钛酸铅(pzt)材料是一种具有高机电常数、高介电常数和高剩余极化强度的功能材料，因其具有介电、压电、铁电等优异特性，目前已成为制备mems与纳米器件的主要材料,同时pzt材料易于半导体工艺相集成，可用于制作传感器、铁电存储器、微型压电驱动装置和声表面波器件等。

pzt材料存在正压电效应和逆压电效应，也是压电执行传感器的工作基础。通过正压电效应，可以将材料的变形以材料表面产生的电荷输出量来表征。利用材料的逆压电效应，可以将施加在材料的电信号转化为材料本身的变形量。杯形波动陀螺是一种固体固体波动陀螺，利用杯形谐振谐振子固体弹性波动、以及压电驱动和检测技术，实现对角速度的测量。杯形波动陀螺具有精度高，能耗小，且使用寿命长，抗冲击性能好等优点，应用前景十分广泛。

经过现有技术的文献检索发现，组合式石英杯形波动陀螺谐振子(专利号：cn102353369a)详细介绍了杯形波动陀螺谐振子的详细组成情况，八个独立的压电电极贴附在石英谐振子的底面。在论文杯形陀螺压电片粘结胶层对谐振子振动特性的影响规律研究(zhub.researchonadhensivelayeranditseffectsonvibtationcharacteristicsofresonatorandpztofcuppedgyro[j].chinesejournalofsensors&actuators,2011,24(9):1248-1252.)也详细探讨了粘结压电片的胶层对杯形波动陀螺的影响。由于压电电极与石英基底之间有胶层的存在，属于柔性连接，胶层的位置、材料、厚度以及胶层的均匀性对谐振子的输入增益以及能量传递有很大的影响，因此迫切需要一种新的压电电极制作方法，使其避免或减少上述因素的对陀螺仪性能的影响。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于杯形波动陀螺石英基底上的压电电极的设计与制作方法，无需使用胶层黏贴压电电极，避免上述因素对陀螺仪性能的影响。

本发明的技术方案：

一种基于杯形波动陀螺的压电电极，为三层结构，从下到上依次为公共底电极、pzt层和顶电极；为了保证杯形波动陀螺谐振子的质量平衡，同时也结合mems工艺中的相关尺寸补偿，公共底电极主体为八个矩形电极块，通过圆环结构将八个矩形电极块连为一体结构，且材料、厚度均相同；pzt层的结构与公共底电极的结构相同，在pzt层的圆环结构上设有8个引线孔，每两矩形电极块之间设有一引线孔；顶电极为八个矩形电极块，其溅射于pzt层的对应矩形电极块处，矩形电极块的端部设有顶电极引线位置。

杯形石英基底表面镜面抛光，底电极通过端部pt连接，称为公共电极，且位于pzt层和石英基底之间，pzt层的形状与信号电极的形状相同。

所述压电电极的工作原理是，采用压电材料的逆压电效应驱动，激励石英谐振子进入驱动模态，驱动模态与敏感模态相互匹配，采用压电材料的正压电效应检测。本专利的压电材料是pzt层。

一种基于杯形波动陀螺的压电电极的制备方法，步骤如下：

第一步，对杯形波动陀螺的谐振子底面进行抛光、清洗、甩胶、光刻和显影；

第二步，在谐振子底面先溅射一层30～50nmti层、再溅射一层150～200nmpt层，去胶并剥离溅射的ti、pt层，得到公共底电极；

第三步，清洗第二步制得的谐振子底面表面，并制备pzt前驱液；采用溶胶-凝胶法在谐振子底面制备pzt薄层，经过多次重复操作，得到pzt层；

第四步，在pzt层表面进行甩胶、光刻和显影，并溅射pt层，去胶并剥离，去除电极之外多余的pt层，得到顶电极；

第五步，在顶电极的表面，甩胶、光刻和显影，并利用pzt腐蚀液腐蚀多余的pzt，形成所需图案的pzt层，同时露出底电极引线孔。

本发明的有益效果：本发明中的杯形波动陀螺谐振子的压电电极结合mems加工工艺进行制作，在杯形波动陀螺仪谐振子的压电电极加工制作中，改变原有的压电电极采用胶粘的方式，将原来的柔性连接改为刚性连接，同时减小压电电极尺寸和位置误差，加工工艺可以重复进行，避免胶层和压电电极尺寸和位置精度对陀螺仪性能的影响，提高了压电电极对振动的灵敏度和能量传递的可靠性。

附图说明

图1(a)是压电电极的公共底电极。

图1(b)是压电电极的pzt层。

图1(c)是压电电极的顶电极。

图2是压电电极的结构样式图。

图3是实施例的制备流程图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细的说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，图1(a)表示的是杯形波动陀螺电极的底电极，底电极通过环形的结构连接在一起，所有均布的底电极之间都互相导通，底电极的材料为pt。图1(b)是压电执行传感器的核心材料pzt，pzt单独制备在石英基底上，会产生裂纹。需要制备在底电极表面上，才能保持其良好的压电性能。图1(c)是顶电极的结构分布，顶电极的材料为pt。

参阅图2，图2是杯形波动陀螺电极的效果图，共有8个矩形压电条，同在一条直线上的为一对，即4对。每一对都可以作为压电执行器或者是压电传感器。在杯形波动陀螺的工作原理中，一对作为驱动模态的激励电极，一对作为敏感模态的检测电极，一对作为驱动模态的补偿电极，一对作为敏感模态检测电极的补偿电极。其工作原理是，在激励电极上施加交流电压，利用压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷产生周期性的变形振动，带动基底产生微小变形，基底在以一定的速度旋转，根据科里奥利力原理，微小变形会产生移动，带动敏感模态的检测电极变形，利用压电材料的正压电效应，输出变形信号，从输出的电荷信号中解算出基底转动速度的大小。

图3指的是杯形波动陀螺电极的mems制作工艺步骤:

第一步，如图3所示，对杯形波动陀螺的谐振子底面进行抛光、清洗、甩胶、光刻和显影；

第二步，如图3所示，溅射厚度约为150～200nm的pt，去胶并剥离溅射层，得到长度约为8mm，宽度约为1mm的矩形金属层2，底电极整体形状如图1(a)所示。

第三步，如图3所示，清洗第二步制得的金属电极层表面，并制备pzt前驱液，采用溶胶-凝胶法在谐振子基底1底面制备pzt压电层，转速为3000转/分。经过多次重复操作，得到厚度为1～2μm的pzt压电薄膜3。

第四步，如图3所示，在pzt压电薄膜3表面进行甩胶、光刻和显影，并溅射pt金属层，厚度约为150～200nm，去胶并剥离，去除电极之外多余的溅射金属层，得到pt顶电极金属层4；

第五步，如图3所示，在金属层4的表面，甩胶、光刻和显影，并利用pzt腐蚀液腐蚀多余的pzt，形成特定图案的压电层，同时露出底电极引线孔5，位置分布和图案形状如图所示。

本发明中的杯形波动陀螺谐振子的压电电极结合mems加工工艺进行制作，在杯形波动陀螺仪谐振子的压电电极加工制作中，改变原有的压电电极采用胶粘的方式，将传统的柔性连接改为刚性连接，采用mems加工工艺制作，加工精度高，同时，加工工艺可以重复进行，如果压电电极的尺寸和位置误差较大，可以重复mems工艺，从而避免胶层和压电电极尺寸和位置精度对陀螺仪性能的影响。提高了压电电极对振动的灵敏度和能量传递的可靠性。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所做的进一步的详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于该发明的保护范围。