專利名稱：石英微機械音叉陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及慣性器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種石英微機械音叉陀螺儀。
背景技術(shù)：
隨著國內(nèi)姿態(tài)控制和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，對國產(chǎn)化高精度陀螺儀產(chǎn)品的需求越來越急迫。現(xiàn)有的石英微機械陀螺儀應(yīng)用最廣泛，主要包括U型結(jié)構(gòu)石英微機械陀螺儀和H型結(jié)構(gòu)石英微機械陀螺儀。U型結(jié)構(gòu)石英微機械陀螺儀側(cè)面敏感電極需要分塊，制造工藝難度大，并且其叉指厚度與寬度接近，驅(qū)動信號和檢測信號耦合嚴(yán)重。而H型結(jié)構(gòu)石英微機械陀螺儀同樣需要采用側(cè)面分塊檢測電極才能夠獲得較高的檢測靈敏度，目前國內(nèi)分塊電極制作技術(shù)還不成熟，加工難度較大。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明提供一種石英微機械音叉陀螺儀，用以解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)石英微機械陀螺儀側(cè)·面需要分塊敏感電極和檢測電極，而分塊電極制作技術(shù)不成熟，加工難度較大的問題。(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種石英微機械音叉陀螺儀，包括音叉結(jié)構(gòu)，其中，所述音叉結(jié)構(gòu)為雙H結(jié)構(gòu)，包括兩個驅(qū)動臂、兩個敏感臂和一個“王”字型承載梁；所述“王”字型承載梁為音叉結(jié)構(gòu)，由上橫梁、中橫梁、下橫梁三個橫梁和一個縱梁構(gòu)成；所述兩個驅(qū)動臂和兩個敏感臂均設(shè)置在所述中橫梁上，分別對稱位于所述縱梁的兩側(cè)，且所述兩個驅(qū)動臂的形狀及質(zhì)量完全相同，所述兩個敏感臂的形狀及質(zhì)量完全相同；所述上橫梁的頂端及下橫梁的底端各連接一固定塊，所述微機械音叉結(jié)構(gòu)通過所述固定塊固定在基座上；其中，所述音叉結(jié)構(gòu)以所述縱梁為對稱軸呈鏡像對稱，同時以所述中橫梁為對稱軸呈鏡像對稱。如上所述的石英微機械音叉陀螺儀，優(yōu)選的是，所述兩個驅(qū)動臂的兩端均設(shè)置有
第一質(zhì)量微調(diào)塊。如上所述的石英微機械音叉陀螺儀，優(yōu)選的是，其特征在于，所述兩個敏感臂的兩
端均設(shè)置有第二質(zhì)量微調(diào)塊。如上所述的石英微機械音叉陀螺儀，優(yōu)選的是，所述驅(qū)動臂距離所述縱梁的距離大于所述敏感臂距離所述縱梁的距離。如上所述的石英微機械音叉陀螺儀，優(yōu)選的是，所述驅(qū)動臂和敏感臂的寬度相同。如上所述的石英微機械音叉陀螺儀，優(yōu)選的是，所述驅(qū)動臂和敏感臂的寬度尺寸大于厚度尺寸。
如上所述的石英微機械音叉陀螺儀，優(yōu)選的是，其中一個所述驅(qū)動臂為反饋電極，與外電路連接構(gòu)成反饋電路。如上所述的石英微機械音叉陀螺儀，優(yōu)選的是，所述驅(qū)動臂與所述中橫梁的直角連接處具有70°倒角。如上所述的石英微機械音叉陀螺儀，優(yōu)選的是，所述敏感臂與 所述中橫梁的直角連接處具有70°倒角。(三)有益效果本發(fā)明所提供的微機械音叉陀螺儀的音叉結(jié)構(gòu)包括兩個驅(qū)動臂、兩個敏感臂和一個“王”字型承載梁，該“王”字型承載梁由上、中、下三個橫梁和一個縱梁構(gòu)成，并將兩個驅(qū)動臂和兩個敏感臂設(shè)置在中橫梁上，且分別對稱位于縱梁的兩側(cè)，敏感電荷在叉指上左右對稱分布，不需要再對側(cè)面電極進行分塊，克服了分塊電極加工難度大的問題。同時，利用結(jié)構(gòu)的對稱性可以消除加速度及各種耦合的影響。通過增加叉指數(shù)，提高了靈敏度，而且吸收了 H型結(jié)構(gòu)對稱性及引入反饋電極的優(yōu)點，也吸收了平面型結(jié)構(gòu)電極易于制作的優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明實施例中石英微機械音叉陀螺儀音叉結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I沿A-A方向的局部剖視圖；圖3為本發(fā)明實施例中石英微機械音叉陀螺儀音叉結(jié)構(gòu)的制作工藝流程圖；其中，a、音叉結(jié)構(gòu)；1 :第一質(zhì)量微調(diào)塊；2 :驅(qū)動臂；3 :第二質(zhì)量微調(diào)塊；4 :敏感臂;5 王”字型承載梁；6 :固定塊；7 :上橫梁；8 :中橫梁；9 :下橫梁；10 :縱梁。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖I所示為本發(fā)明實施例中石英微機械音叉陀螺儀音叉結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，本發(fā)明實施例中的石英微機械音叉陀螺儀音叉結(jié)構(gòu)a為雙H結(jié)構(gòu)，包括兩個驅(qū)動臂2、兩個敏感臂4和一個“王”字型承載梁5，兩個驅(qū)動臂2作為驅(qū)動電極，兩個敏感臂4作為敏感電極，其中，“王”字型承載梁5為音叉結(jié)構(gòu)，由上橫梁7、中橫梁8、下橫梁9三個橫梁和一個縱梁10構(gòu)成，兩個驅(qū)動臂2和兩個敏感臂4均設(shè)置在中橫梁8上，分別對稱位于縱梁10的兩側(cè)，即兩個驅(qū)動臂2以縱梁10為對稱軸呈鏡像對稱，兩個敏感臂4也以縱梁10為對稱軸呈鏡像對稱。且兩個驅(qū)動臂2的形狀及質(zhì)量完全相同，兩個敏感臂4的形狀及質(zhì)量也完全相同，以實現(xiàn)敏感電荷左右對稱分布，不再需要分塊電極，規(guī)避了側(cè)面分塊電極的加工難題。并在上橫梁7的頂端及下橫梁9的底端各連接一固定塊6，音叉結(jié)構(gòu)a通過固定塊6固定在基座上。音叉結(jié)構(gòu)a以縱梁10為對稱軸呈鏡像對稱，同時以中橫梁8為對稱軸呈鏡像對稱。通過設(shè)置兩個驅(qū)動臂2和兩個敏感臂4，增加了音叉結(jié)構(gòu)a的叉指數(shù)，提高了石英微機械音叉陀螺儀的靈敏度。音叉結(jié)構(gòu)a的雙H結(jié)構(gòu)對稱性，可以消除線加速度及各種耦合的影響。其中，兩個驅(qū)動臂2和兩個敏感臂4與“王”字型承載梁5之間為剛性連接，從而兩個敏感臂4可以在兩個驅(qū)動臂2的驅(qū)動下振動。
由于加工的精度問題，不可能確保音叉結(jié)構(gòu)a的完全對稱結(jié)構(gòu)，該對稱結(jié)構(gòu)包括兩個驅(qū)動臂2的形狀及質(zhì)量完全相同，和兩個敏感臂4的形狀及質(zhì)量也完全相同，這就會在石英微機械陀螺儀測量角速度的時候產(chǎn)生較大的噪聲。為了給石英微機械陀螺儀降噪，本實施例中優(yōu)選在兩個驅(qū)動臂2的兩端均設(shè)置第一質(zhì)量微調(diào)塊I，進一步地，還可以在兩個敏感臂4的兩端均設(shè)置第二質(zhì)量微調(diào)塊3，通過外接測試電路和微調(diào)電路，可以利用激光修調(diào)的方式對第一質(zhì)量微調(diào)塊I和第二質(zhì)量微調(diào)塊3進行質(zhì)量修調(diào)，從而降低聲噪，同時還可以保證石英微機械陀螺儀的精度。本實施例中可以設(shè)置驅(qū)動臂2距離縱梁10的距離大于敏感臂4距離縱梁10的距離，增大驅(qū)動力臂，提高驅(qū)動振幅。其中，由于驅(qū)動臂2和敏感臂4分開，可以設(shè)置驅(qū)動臂2和敏感臂4的寬度尺寸相同，因為叉指的厚度與工作模態(tài)諧振頻率無關(guān)，從而對叉指的厚度要求降低，可以很小，如圖2所示，有利于音叉結(jié)構(gòu)a制作工藝中的化學(xué)腐蝕工藝。
為了吸收單H型結(jié)構(gòu)引入反饋電機的優(yōu)點，本實施例中還優(yōu)選將其中一個驅(qū)動臂2作為反饋電極，與外電路連接構(gòu)成反饋電路，為解決諧振、穩(wěn)幅、同步問題提供條件。音叉結(jié)構(gòu)a是基于科里奧利力(亦稱為科氏慣性力)來設(shè)計的，本實施例中石英微機械陀螺儀的具體工作原理為首先通過外接測試電路和微調(diào)電路，利用激光修調(diào)的方式對第一質(zhì)量微調(diào)塊I和第二質(zhì)量微調(diào)塊3進行質(zhì)量修調(diào)；然后給驅(qū)動臂2施加一穩(wěn)定電壓，驅(qū)動臂2在外加電場的作用下產(chǎn)生X方向彎曲振動。當(dāng)石英微機械陀螺儀繞其對稱軸(即縱梁10)旋轉(zhuǎn)時，即繞Z軸旋轉(zhuǎn)，如圖I所示，其中，旋轉(zhuǎn)角速度為ω，則作用在音叉結(jié)構(gòu)a上的科氏慣性力使敏感臂4產(chǎn)生Y方向的振動，這樣利用石英的壓電效應(yīng)，敏感電極上就出現(xiàn)與科氏慣性力成比例的電荷，這些電荷形成的電流經(jīng)過放大解調(diào)后，便得到一個正比于輸入旋轉(zhuǎn)角速度ω的直流輸出，從而測出旋轉(zhuǎn)角速度值。本實施例中優(yōu)選驅(qū)動臂2與中橫梁8的直角連接處具有70°倒角α，同時驅(qū)動臂2與中橫梁8的直角連接處也可以具有70°倒角β，以增強音叉結(jié)構(gòu)a的抗震動沖擊性能。由以上實施例可以看出，本發(fā)明所提供的石英微機械音叉陀螺儀的雙H音叉結(jié)構(gòu)包括兩個驅(qū)動臂、兩個敏感臂和一個“王”字型承載梁，該“王”字型承載梁由上、中、下三個橫梁和一個縱梁構(gòu)成，并將兩個驅(qū)動臂和兩個敏感臂設(shè)置在中橫梁上，且分別對稱位于縱梁的兩側(cè)，敏感電荷在叉指上呈左右對稱分布，不需要再對側(cè)面電極進行分塊，克服了分塊電極加工難度大的問題。同時，利用結(jié)構(gòu)的對稱性可以消除加速度及各種耦合的影響。通過增加叉指數(shù)，提高了靈敏度，而且吸收了 H型結(jié)構(gòu)對稱性及引入反饋電極的優(yōu)點，也吸收了平面型結(jié)構(gòu)電極易于制作的優(yōu)點?，F(xiàn)有技術(shù)中，對于石英音叉結(jié)構(gòu)a的加工方法有兩種切割+鍍膜法和光刻+化學(xué)腐蝕法。其中，切割+鍍膜法主要是采用金屬絲、金剛石刀具或激光切割出石英音叉結(jié)構(gòu)a的結(jié)構(gòu)圖，再用電極圖形制作的掩模板遮擋音叉不需要金屬膜的部位，進行物理氣相鍍膜，從而獲得所需的電極圖形，這種方法制作的音叉結(jié)構(gòu)邊沿整齊，尺寸精度主要由加工設(shè)備決定，但電極走線較粗，石英音叉體積較大。本發(fā)明實施例中采用光刻+化學(xué)腐蝕法來制備雙H結(jié)構(gòu)石英音叉，光刻+化學(xué)腐蝕法是基于半導(dǎo)體工藝的微細(xì)加工方法，通過鍍膜、光刻、化學(xué)腐蝕等工藝在石英晶體基片上批量制作石英音叉結(jié)構(gòu)a的結(jié)構(gòu)圖，從而大大地降低了石英陀螺的生產(chǎn)成本。本發(fā)明石英音叉結(jié)構(gòu)a的基本制作工藝流程為如圖3所示，石英薄片雙面鍍掩模一雙面光刻音叉圖形一音叉掩模刻蝕一光刻電極圖形一石英音叉化學(xué)腐蝕一電極刻蝕一鍍制側(cè)面電極。石英基片要求雙面鏡面拋光，并做清潔處理，以去除附著在石英表面的顆粒、有機物及金屬殘留物。清洗方法主要有酸洗、堿洗、洗滌劑洗和有機溶劑洗等，或其中幾種方法結(jié)合以去除基板上不同的殘留物。用Cr/Au膜作石英音叉結(jié)構(gòu)a腐蝕的掩蔽膜，掩蔽膜的雙面音叉的圖形通過兩次光刻及腐蝕所得。為保證石英音叉結(jié)構(gòu)制作工藝的正常進行，本發(fā)明實施例中重點解決了以下幾個問題 (I) Cr/Au掩蔽模的制作

從工藝流程圖中可以看出，制備附著力強、耐腐蝕性好、應(yīng)力小的Cr/Au膜是保證各工序正常進行的基礎(chǔ)。目前主要用真空熱蒸發(fā)和真空濺射鍍制Cr/Au膜，兩種方法各有優(yōu)缺點。利用真空熱蒸發(fā)鍍制Cr/Au膜時，將石英基片加熱升至一定的溫度，一方面可以使吸附在基片表面的殘余氣體分子減少，從而增加薄膜淀積分子在基片上的附著力，另一方面減少蒸汽分子再結(jié)晶溫度與基片溫度之差，從而有效地減小了膜層的內(nèi)應(yīng)力。但膜層的聚集密度小，在腐蝕石英過程中，膜層經(jīng)長時間腐蝕液的浸泡，腐蝕液透過膜層空隙對石英表面進行鉆蝕，并使膜層結(jié)構(gòu)變得疏松；利用真空濺射法制備的薄膜聚集密度大、膜層空隙小、耐鉆蝕的能力比熱蒸發(fā)的強。本發(fā)明實施例中采用真空濺射鍍制Cr/Au膜。( 2 )石英音叉結(jié)構(gòu)a的化學(xué)腐蝕石英晶體的化學(xué)各向異性腐蝕由石英晶體結(jié)構(gòu)的各向異性所決定。本發(fā)明實施例中采用氫氟酸(HF) +氟化氨(NH4F)溶液對石英晶體進行化學(xué)腐蝕，z切割石英在該腐蝕液中表現(xiàn)出X及y截面?zhèn)让娑加胁煌潭鹊睦饨牵@些棱角是由于石英晶體各組晶面腐蝕速率不同的結(jié)果。在X截面中，隨著腐蝕時間的延長，X負(fù)方向側(cè)面的棱角先行消失，形成陡直的側(cè)面，通過繼續(xù)增加腐蝕時間，能夠進而去掉X正方向側(cè)面的棱角，得到形貌完好的雙H結(jié)構(gòu)的音叉結(jié)構(gòu)a。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種石英微機械音叉陀螺儀，包括音叉結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述音叉結(jié)構(gòu)為雙H結(jié)構(gòu)，包括兩個驅(qū)動臂、兩個敏感臂和一個“王”字型承載梁；所述“王”字型承載梁為音叉結(jié)構(gòu)，由上橫梁、中橫梁、下橫梁三個橫梁和一個縱梁構(gòu)成； 所述兩個驅(qū)動臂和兩個敏感臂均設(shè)置在所述中橫梁上，分別對稱位于所述縱梁的兩側(cè)，且所述兩個驅(qū)動臂的形狀及質(zhì)量完全相同，所述兩個敏感臂的形狀及質(zhì)量完全相同； 所述上橫梁的頂端及下橫梁的底端各連接一固定塊，所述微機械音叉結(jié)構(gòu)通過所述固定塊固定在基座上； 其中，所述音叉結(jié)構(gòu)以所述縱梁為對稱軸呈鏡像對稱，同時以所述中橫梁為對稱軸呈鏡像對稱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石英微機械音叉陀螺儀，其特征在于，所述兩個驅(qū)動臂的兩端均設(shè)置有第一質(zhì)量微調(diào)塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石英微機械音叉陀螺儀，其特征在于，所述兩個敏感臂的兩端均設(shè)置有第二質(zhì)量微調(diào)塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石英微機械音叉陀螺儀，其特征在于，所述驅(qū)動臂距離所述縱梁的距離大于所述敏感臂距離所述縱梁的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石英微機械音叉陀螺儀，其特征在于，所述驅(qū)動臂和敏感臂的寬度相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石英微機械音叉陀螺儀，其特征在于，所述驅(qū)動臂和敏感臂的寬度尺寸大于厚度尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石英微機械音叉陀螺儀，其特征在于，其中一個所述驅(qū)動臂為反饋電極，與外電路連接構(gòu)成反饋電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求Γ7任一所述的石英微機械音叉陀螺儀，其特征在于，所述驅(qū)動臂與所述中橫梁的直角連接處具有70°倒角。
9.根據(jù)權(quán)利要求Γ7任一所述的石英微機械音叉陀螺儀，其特征在于，所述敏感臂與所述中橫梁的直角連接處具有70°倒角。
全文摘要
本發(fā)明屬于慣性器件技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種微機械音叉陀螺儀。該微機械音叉陀螺儀的音叉結(jié)構(gòu)包括兩個驅(qū)動臂、兩個敏感臂和一個“王”字型承載梁，該“王”字型承載梁由上、中、下三個橫梁和一個縱梁構(gòu)成，并將兩個驅(qū)動臂和兩個敏感臂設(shè)置在中橫梁上，且分別對稱位于縱梁的兩側(cè)，敏感電荷在叉指上左右對稱分布，不需要再對側(cè)面電極進行分塊，克服了分塊電極加工難度大的問題。同時，利用結(jié)構(gòu)的對稱性可以消除加速度及各種耦合的影響。通過增加叉指數(shù)，提高了靈敏度，而且吸收了H型結(jié)構(gòu)對稱性及引入反饋電極的優(yōu)點，也吸收了平面型結(jié)構(gòu)電極易于制作的優(yōu)點。
文檔編號G01C19/5621GK102889887SQ20121037633
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者楊鵬遠(yuǎn), 劉超 申請人:北京晨晶電子有限公司