一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪及其制备方法

本发明涉及微机电，具体是一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪及其制备方法。

背景技术：

1、陀螺仪是一种能够测量运动载体相对惯性空间角度或角速度信息的惯性传感器，是惯性导航系统的核心器件，在现代工业控制、航空航天和消费电子，尤其是国防军事等领域有着极其重要的作用。

2、mems（micro electro-mechanical systems，微机电系统）陀螺仪从二十世纪八十年代开始出现，与光学陀螺和传统机械转子陀螺相比具有体积小、功耗低、可批量生产、易集成化等特点，符合产品小型化集成化信息化的发展方向，在消费电子和国防军事领域都具有较为广泛的应用前景，成为人们重点关注的方向。目前的高精度mems陀螺仪大多采用静电驱动，并且利用振动引起的电容值变化检测角速度，其电容间距通常在微米量级，这种陀螺仪在过载条件下电容间距容易发生变化，从而导致测量误差的产生。另外，在高过载条件下，mems陀螺仪的敏感结构与电极可能发生碰撞产生吸合效应，导致陀螺仪无法正常工作。

3、此外，mems陀螺仪还可以采用电磁驱动，这种驱动方式能够保持高过载条件下的驱动力恒定，因而使陀螺仪具有较好的性能稳定性，能够满足高过载弹药制导化改造的军事应用需求。经过查询现有资料发现，ian david hopkin等人在一项专利（公开号us5932804a）中介绍了一种电磁驱动的mems陀螺仪，并且在silicon sensing公司的相关产品中得到了应用。由于该产品使用单晶硅材料基于mems工艺进行加工制造，因而能够较好地实现批量化生产。然而由于硅材料的热弹性阻尼较大，且陀螺仪的形状结构和尺寸都受到磁体和磁场的限制，因此采用硅材料的mems陀螺仪的品质因数相对较低，难以满足高精度的测量要求，从而限制了未来发展的空间。

4、基于此，迫切需要寻求能够替代硅的新材料，以提高mems陀螺仪的品质因数，从而大幅提升其性能精度，同时还需要提升陀螺仪在振动和冲击等恶劣环境下的工作稳定性。熔融石英材料具有极小的热弹性阻尼、较低的热膨胀系数以及较大的弹性极限，是制造高精度高过载mems陀螺仪的理想选择。

5、目前基于熔融石英材料的微半球谐振陀螺仪已实现极高的品质因数。然而这种陀螺仪的微半球结构是一种三维结构，通常采用高温吹制法成型，其基本原理是通过创造高温环境将玻璃态材料软化，利用材料上下表面的压力差与内部张力实现曲面壳体谐振结构成形加工。这种结构难以使用传统的平面化mems工艺加工制造，因此生产效率相对较低，加工一致性也相对较差。

6、此外，现有的mems工艺主要是基于各向异性的单晶硅材料进行加工，而熔融石英是一种各向同性材料且化学性质十分稳定，也难以使用现有的平面化mems工艺进行加工。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种新型的mems陀螺仪，这种新型的mems陀螺仪(即微陀螺仪)采用熔融石英材料、利用平面化的mems工艺制备而成，同时采用电磁驱动方式。

2、为实现上述目的，本发明提供一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪，包括环形谐振器、永磁体、导磁部件和基底，所述基底与所述环形谐振器采用相同的熔融石英材料制成；

3、所述环形谐振器固定设在所述基底顶部，所述环形谐振器的中心设有谐振环，且所述谐振环套设在所述永磁体上；

4、所述导磁部件为两个，其中一个所述导磁部件覆盖在所述永磁体的第一端且位于所述环形谐振器上方，另一个所述导磁部件覆盖在所述永磁体的第二端且嵌入所述基底；

5、所述环形谐振器还包括锚点区与若干导电回路；

6、所述锚点区间隔环绕在所述谐振环周围，且所述锚点区与所述谐振环通过若干呈环向间隔分布的支撑梁相连；

7、所述导电回路设在所述环形谐振器顶部，且所述导电回路的两端位于所述锚点区顶部，所述导电回路的中段位于所述支撑梁、所述谐振环顶部。

8、在其中一个实施例，所述锚点区的底部与所述基底的顶部键合粘接。

9、在其中一个实施例，所述永磁体为圆柱结构，所述导磁部件为一端封口的圆筒结构。

10、在其中一个实施例，所述基底的顶部设有凹槽或通孔，以用于嵌入所述导磁部件。

11、在其中一个实施例，所述永磁体采用耐高温的钐钴永磁体。

12、在其中一个实施例，所述导磁部件采用坡莫合金制成。

13、在其中一个实施例，所述导电回路采用铬和金制成。

14、为实现上述目的，本发明还提供一种上述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：

15、步骤1，取一张熔融石英圆片，将掩膜覆盖于熔融石英圆片表面，其中，掩膜与熔融石英圆片尺寸相同，且掩膜上具有导电回路的镂空图形；

16、步骤2，依次将铬、金沉积到熔融石英圆片上，再取下掩膜，即得到附着有导电回路的熔融石英圆片；

17、步骤3，根据熔融石英圆片上的导电回路进行二次定位，使用激光对熔融石英圆片上的环形谐振器轮廓进行照射；

18、步骤4，将经过步骤3处理的熔融石英圆片置于刻蚀液中，待激光照射区域腐蚀完毕后将熔融石英圆片取出，即得到带有多个环形谐振器的熔融石英圆片；

19、步骤5，在另一张较厚的熔融石英圆片上加工设有凹槽的基底，基底的位置和数量与步骤4得到的带有多个环形谐振器的熔融石英圆片位置对应、数量相同；

20、步骤6，在每个基底的凹槽中安装一个导磁部件，得到带有基底和导磁部件的熔融石英圆片；

21、步骤7，将步骤4和步骤6分别得到的两张熔融石英圆片的锚点区键合在一起，再把永磁体从每个谐振环的中央穿过，安装在导磁部件当中，然后将另一个导磁部件安装在每个永磁体的另一端；

22、步骤8，按照陀螺仪的外廓对熔融石英圆片切割，即得到若干个电磁式熔融石英环形微陀螺仪。

23、与现有技术相比，本发明的具有如下有益技术效果：

24、1、本发明提出的mems陀螺仪采用电磁驱动和电磁检测方案，避免了传统电容式微陀螺仪高过载条件下敏感结构与电极之间的吸合效应，有效地提升了陀螺仪的抗高过载能力；

25、2、本发明提出的mems陀螺仪使用熔融石英材料制造环形谐振器和基底，利用熔融石英材料具有极小的热弹性阻尼、较低的热膨胀系数以及较大的弹性极限的特点，同时保证环形谐振器和基底的形变一致，提升陀螺仪的品质因数，大幅提升了陀螺仪的性能精度；

26、3、基于本发明提出的微陀螺仪结构基于mems工艺加工制造，可以实现微陀螺仪的圆片级批量化生产，具有较大的应用前景；

27、4、本发明提出的mems陀螺仪结构，具有体积小、功耗低的特点。

技术特征：

1.一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，包括环形谐振器、永磁体、导磁部件和基底，所述基底与所述环形谐振器采用相同的熔融石英材料制成；

2.根据权利要求1所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述锚点区的底部与所述基底的顶部键合粘接。

3.根据权利要求1或2所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述永磁体为圆柱结构，所述导磁部件为一端封口的圆筒结构。

4.根据权利要求1或2所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述基底的顶部设有凹槽或通孔，以用于嵌入所述导磁部件。

5.根据权利要求1或2所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述永磁体采用耐高温的钐钴永磁体。

6.根据权利要求1或2所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述导磁部件采用坡莫合金制成。

7.根据权利要求1或2所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪，其特征在于，所述导电回路采用铬和金制成。

8.一种权利要求1至7任一项所述的电磁式熔融石英环形微陀螺仪的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种电磁式熔融石英环形微陀螺仪及其制备方法，陀螺仪包括环形谐振器、永磁体、导磁部件和基底；环形谐振器的中心设有谐振环，谐振环套设在永磁体上；导磁部件为两个，一个覆盖在永磁体的第一端，另一个覆盖在永磁体的第二端且嵌入基底。本发明应用于微机电系统和惯性制导领域，采用电磁驱动和电磁检测方案，避免了传统电容式微陀螺仪高过载条件下敏感结构与电极的吸合效应，有效提升了陀螺仪的抗高过载能力。同时利用熔融石英材料具有极小的热弹性阻尼、较低的热膨胀系数以及较大的弹性极限的特点，相比传统单晶硅材料大幅提升陀螺仪的品质因数以及陀螺仪的性能精度，且可实现批量化生产，具有较大应用前景。

技术研发人员：肖定邦,吴锴,吴学忠,李青松,王呈祥,张勇猛,席翔
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12