本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域的一種微單殼體諧振器。

背景技術(shù)：

為實(shí)現(xiàn)高性能微殼體諧振陀螺，發(fā)明專利“微玻璃半球諧振陀螺及其圓片級制備方法”(專利申請?zhí)枺?01510963681.6)提出一種嵌入式硅電極，這種電極嵌入在復(fù)合結(jié)構(gòu)基底中，但電極與電極間的面積較大，工作時(shí)容易產(chǎn)生較大的寄生電容和信號干擾，影響器件的性能。為解決這一問題，需要減小電極間的面積以減小寄生電容和信號干擾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種微單殼體諧振器，以減小電極間的面積以減小寄生電容和信號干擾。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種微單殼體諧振器，包括：

封裝殼蓋；

微單殼體諧振子；

平面電極；

帶有多個(gè)導(dǎo)電通孔的復(fù)合結(jié)構(gòu)基底；

其中，所述微單殼體諧振子由單殼體、位于單殼體內(nèi)部中心軸處的單端柱組成，所述單端柱的底部與單殼體邊沿的底部齊平；所述單端柱的底部通過一層導(dǎo)電粘附層與復(fù)合結(jié)構(gòu)基底中的一個(gè)導(dǎo)電通孔連接引出；所述復(fù)合結(jié)構(gòu)基底上有平面電極，所述平面電極通過位于其下方的導(dǎo)電通孔引出；所述導(dǎo)電通孔在復(fù)合結(jié)構(gòu)基底背面通過導(dǎo)電引出層引出；所述封裝殼蓋與帶有多個(gè)導(dǎo)電通孔的復(fù)合結(jié)構(gòu)基底封裝，其內(nèi)部為真空，內(nèi)部放置有吸氣劑。

所述微單殼體諧振子的材質(zhì)為無定形材料、鐵鎳合金、氧化物的一種；所述微單殼體諧振子的材質(zhì)為不導(dǎo)電材料時(shí)，微單殼體諧振子的內(nèi)表面覆蓋有或部分覆蓋有導(dǎo)電層。

所述微單殼體諧振子的單殼體邊沿有緣邊。

所述微單殼體諧振子在復(fù)合結(jié)構(gòu)基底上的投影區(qū)域在平面電極內(nèi)邊沿和外邊沿之間。

所述復(fù)合結(jié)構(gòu)基底由導(dǎo)電通孔部分、電隔離部分和主體部分組成。

所述平面電極包括一般工作電極；所述一般工作電極包括偶數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)電極、偶數(shù)個(gè)檢測電極；所述驅(qū)動(dòng)電極和檢測電極為扇形圓環(huán)，并中心對稱。

所述平面電極還包括一個(gè)環(huán)形激勵(lì)電極。

所述平面電極還包括一個(gè)或多個(gè)隔離電極。

所述封裝殼蓋與復(fù)合結(jié)構(gòu)基底直接鍵合或通過一層中間層鍵合實(shí)現(xiàn)真空封裝。

所述微單殼體諧振子與復(fù)合結(jié)構(gòu)基底之間的間距均勻。

有益效果：本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)勢：

1.微單殼體諧振子的邊沿設(shè)有緣邊，可采用激光對緣邊或緣邊上的調(diào)制層進(jìn)行整修，從而提高結(jié)構(gòu)的對稱性，降低工作模態(tài)的頻率分裂值，提高器件的性能；此外，調(diào)節(jié)緣邊尺寸，可對于工作頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)；緣邊長度和厚度可調(diào)，長度可從十微米到八百微米，對于毫米尺寸的微單殼體諧振子，大大增大電極間相互作用的面積，增大了電容。電容越大對微單殼體諧振子的啟振和信號檢測有利，平面電極對微單殼體諧振子的振動(dòng)引起的電容變化越敏感，有利于提高器件的性能。

2.微單殼體諧振子的材質(zhì)采用低熱系數(shù)膨脹系數(shù)的材料，有利于降低熱彈性損耗，提高諧振子的Q值；微單殼體諧振子的材質(zhì)為導(dǎo)電材料，則不需要導(dǎo)電層，有利于降低表面損耗。

3.微單殼體諧振子的殼體的厚度從邊沿到極點(diǎn)沿經(jīng)度方向減小，這種情況下有效質(zhì)量較大，有利于保證較低的熱機(jī)械噪聲。

4.復(fù)合結(jié)構(gòu)基底的作用包含以下幾點(diǎn)：其一，支撐微單殼體諧振子和平面電極；其二，包含導(dǎo)電通孔，可實(shí)現(xiàn)垂直引出；其三，也是最重要的一點(diǎn)，復(fù)合結(jié)構(gòu)基底用于真空封裝，作為封裝罩的一部分。復(fù)合結(jié)構(gòu)基底集合了支撐、垂直引出、真空封裝三大功能于一體。

5.平面電極的厚度小于一微米，相比于上百微米厚的復(fù)合結(jié)構(gòu)基底，平面電極間的面積相比與嵌入式硅電極的面積至少減小100倍，大大減小了寄生電容。

6.平面電極還可以包括隔離電極，隔離電極用于隔離驅(qū)動(dòng)電極與檢測電極之間的串?dāng)_、驅(qū)動(dòng)電極與驅(qū)動(dòng)電極之間的串?dāng)_、檢測電極與檢測電極之間的串?dāng)_，進(jìn)一步減小了寄生電容的影響。

附圖說明

圖1是一種微單殼體諧振器的截面示意圖。

圖2是一種微單殼體諧振器的截面示意圖。

圖3是一種微單殼體諧振器的截面示意圖。

圖4是一種微單殼體諧振子的截面示意圖。

圖5A-圖5F是復(fù)合結(jié)構(gòu)基底的俯視圖，表明平面電極的形式和分布。

其中，2-單殼體，4-單端柱，6-邊沿，8-空心處，10-導(dǎo)電層，12-緣邊，14-調(diào)制層，20-微單殼體諧振子，30-封裝殼蓋，32-平面部分，34-殼體部分，40-復(fù)合結(jié)構(gòu)基底，42-外圍絕緣部分，43-中間絕緣部分，44-內(nèi)圍絕緣部分，46-第二主體部分，48-導(dǎo)電通孔，50-平面電極，52-一般工作電極，52A-外邊沿，52B-內(nèi)邊沿，54-環(huán)形激勵(lì)電極，56-隔離電極，60-導(dǎo)電粘附層，62-隔離粘附層，70-導(dǎo)電引出層，72-第一引出層，74-第二引出層，80-中間層，100-微單殼體諧振器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。下列實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，但并不用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。

實(shí)施例1

一種微單殼體諧振器100，包括：

封裝殼蓋30；

微單殼體諧振子20；

平面電極50；

帶有多個(gè)導(dǎo)電通孔48的復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40；

其中，所述微單殼體諧振子20由單殼體2、位于單殼體2內(nèi)部中心軸處的單端柱4組成；所述單端柱4的底部與單殼體2邊沿6的底部齊平；所述單端柱4通過一層導(dǎo)電粘附層60與復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40中的一個(gè)導(dǎo)電通孔48連接引出；所述復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上有平面電極50；所述平面電極50通過位于其下方的導(dǎo)電通孔48垂直引出；所述導(dǎo)電通孔48在復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40背面通過導(dǎo)電引出層70引出；所述封裝殼蓋30與帶有多個(gè)導(dǎo)電通孔48的復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40封裝，其內(nèi)部為真空，內(nèi)部放置有吸氣劑。

所述微單殼體諧振子20的單殼體2邊沿6有緣邊12。

所述微單殼體諧振子20在復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上的投影區(qū)域在平面電極50內(nèi)邊沿52A和外邊沿52B之間。

所述微單殼體諧振子20的材質(zhì)為不導(dǎo)電材料時(shí)，微單殼體諧振子20的表面覆蓋有或部分覆蓋有導(dǎo)電層10。

所述帶導(dǎo)電通孔48的復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40為復(fù)合型基底，由導(dǎo)電通孔部分、電隔離部分和主體部分組成。

所述平面電極50包括一般工作電極52，一般工作電極52包括偶數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)電極、偶數(shù)個(gè)檢測電極；所述驅(qū)動(dòng)電極和檢測電極為扇形圓環(huán)，并中心對稱。

所述平面電極50還包括一個(gè)環(huán)形激勵(lì)電極54。

所述平面電極50還包括一個(gè)或多個(gè)隔離電極56。

所述封裝殼蓋30與復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40直接鍵合或通過一層中間層80鍵合實(shí)現(xiàn)真空封裝。

所述微單殼體諧振子20與復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40之間的間距均勻，最佳間距由微單殼體諧振子20尺寸和真空封裝后的真空度決定。

所述微單殼體諧振子20的材質(zhì)為無定形材料、鐵鎳合金、氧化物的一種；所述無定形材料包括硼硅酸鹽玻璃、石英玻璃、超低膨脹系數(shù)玻璃鈦硅酸鹽玻璃、金屬玻璃；所述金屬玻璃為由金屬成分組成的無定形類玻璃材料；所述氧化物是單一氧化物或者多種氧化物，包括氧化鋁、63HfO₂·37TiO₂、HfO₂·WO₃·Ta₂O₅、Al₂O₃·TiO₂、55Ta₂O₅·45WO₃、37Ta₂O₅·63WO₃，所述氧化鋁可以是含有其他少量雜質(zhì)的氧化鋁，如藍(lán)寶石、紅寶石；所述鐵鎳合金為由鐵、鎳和其他少量成分組成的鐵鎳合金，包括因瓦合金、超因瓦合金、熱膨脹系數(shù)極小的低膨脹鐵鎳合金Carperter Super Invar 32-5。

作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述微單殼體諧振子20直徑小于10mm；所述單殼體2邊沿6的厚度小于800um；所述微單殼體諧振子20的深寬比(即高度與半徑的比值)范圍為0.5-1.2；所述導(dǎo)電層10的厚度小于100nm；所述緣邊12厚度和長度范圍均小于800um；所述緣邊12上有調(diào)制層14；所述平面電極50的厚度小于1um。

所述單殼體2的外表面與緣邊12的上表面曲率連續(xù)(圖4中的單殼體2的外表面與緣邊12的上表面曲率不連續(xù))。

所述微殼體諧振子20的工作頻率選在3kHz-15kHz之間。

所述微單殼體諧振子20的殼體2的厚度從邊沿6到極點(diǎn)沿經(jīng)度方向減小。

所述單端柱4的形狀不是圓柱體，而是直徑從單端柱4的底面隨高度變化的軸對稱結(jié)構(gòu)。

所述單端柱4為實(shí)心柱、空心柱、實(shí)心柱與空心柱的結(jié)合體中的一種。

所述電隔離部分材質(zhì)為玻璃，所述主體部分的材料為硅或玻璃；所述導(dǎo)電通孔部分材質(zhì)為導(dǎo)電材料，所述導(dǎo)電材料為高摻雜導(dǎo)電硅、因瓦合金、超因瓦合金、金屬或金屬玻璃中的一種。

所述封裝殼蓋30結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)與復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40主體部分材料的熱膨脹系數(shù)匹配。

所述微單殼體諧振子20與復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40的間距小于100um。

所述中間層80的材質(zhì)是金屬、硅、玻璃、有機(jī)物的一種。

所述吸氣劑在真空封裝前放入，吸氣劑在封裝殼蓋30上或在復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上，真空封裝后進(jìn)行激活。

所述吸氣劑是鋯基吸氣劑，比如鋯鋁吸氣劑(質(zhì)量比鋯為84％、鋁為16％的金屬粒子經(jīng)高溫熔煉制成的合金，激活溫度為900℃)、鋯釩鐵吸氣劑(鋯、釩、鐵組成的合金，其中鋯占70％、釩占24.6％、鐵占5.4％，激活溫度為350℃左右)、鈦鋯釩吸氣劑(合金的最低激活溫度為300℃，其完全的激活溫度為400℃)。

所述真空封裝后的真空度優(yōu)于0.1Pa，可以是0.01Pa、0.001Pa、0.0001Pa、0.00001Pa。圖1是一種微單殼體諧振器的截面示意圖。圖中微單殼體諧振器100，包括封裝殼蓋30、微單殼體諧振子20、平面電極50和帶有多個(gè)導(dǎo)電通孔48的復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40；封裝殼體30包括平面部分32和殼體部分34；微單殼體諧振子20包括單殼體2和位于單殼體2內(nèi)部中心軸處的單端柱4，單端柱4有一空心處8；復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40的主體部分為第一主體部分46；復(fù)合結(jié)構(gòu)基底的電隔離部分包括外圍絕緣部分42、中間絕緣部分43和內(nèi)圍絕緣部分44。導(dǎo)電粘附層60和導(dǎo)電引出層70的材料為導(dǎo)電材料，但導(dǎo)電粘附層60的材料選擇傾向于粘附性更好的材料。導(dǎo)電通孔48在復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40背面通過導(dǎo)電引出層70實(shí)現(xiàn)電引出，導(dǎo)電引出層70包括第一引出層72和第二引出層74，其中第一引出層72的材料除了導(dǎo)電還有較強(qiáng)的粘附作用，比如金屬鉻、鈦。

圖2是一種微單殼體諧振器的截面示意圖。與圖1的區(qū)別在于微單殼體諧振器100的復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40的主體部分為外圍絕緣部分42。

圖3是一種微單殼體諧振器的截面示意圖。與圖1的區(qū)別在于微單殼體諧振器100封裝殼蓋30與復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40之間有一層中間層80。

圖4是一種微單殼體諧振子20的截面示意圖。微單殼體諧振子20包括單殼體2、位于單殼體2內(nèi)部中心軸處的單端柱4和緣邊12，微單殼體諧振子20的內(nèi)表面和緣邊12的下表面覆蓋或部分覆蓋有一層導(dǎo)電層10。緣邊12上有調(diào)制層14。

圖5A中復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上有八個(gè)包括驅(qū)動(dòng)電極、檢測電極的一般工作電極52(包括52.1-52.8)；八個(gè)一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上，且中心對稱；電隔離部分包括外圍絕緣部分42、中間絕緣部分43和內(nèi)圍絕緣部分44；復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40的主體部分為外圍絕緣部分42。

圖5B中復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上有八個(gè)包括驅(qū)動(dòng)電極、檢測電極的一般工作電極52(包括52.1-52.8)；八個(gè)一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上，且中心對稱；電隔離部分包括外圍絕緣部分42、中間絕緣部分43和內(nèi)圍絕緣部分44；復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40的主體部分為外圍絕緣部分42。導(dǎo)電粘附層60延伸至相鄰的一般工作電極52之間，形成隔離粘附層62。

圖5C中復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上有八個(gè)包括驅(qū)動(dòng)電極、檢測電極的一般工作電極52(包括52.1-52.8)和一個(gè)隔離電極56；八個(gè)一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上，且中心對稱；隔離電極56位于一般工作電極52的兩兩之間，且隔離電極56向內(nèi)延伸并相交；電隔離部分包括外圍絕緣部分42、中間絕緣部分43和內(nèi)圍絕緣部分44；復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40的主體部分為外圍絕緣部分42。

圖5D中復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上有八個(gè)包括驅(qū)動(dòng)電極、檢測電極的一般工作電極52(包括52.1-52.8)和一個(gè)隔離電極56；八個(gè)一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上，且中心對稱；隔離電極56包圍每個(gè)一般工作電極52，并將每個(gè)一般工作電極52隔離開來，但隔離電極56與一般工作電極52有一定的間距；電隔離部分包括外圍絕緣部分42、中間絕緣部分43和內(nèi)圍絕緣部分44；復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40的主體部分為外圍絕緣部分42。

圖5E中復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上有十六個(gè)包括驅(qū)動(dòng)電極、檢測電極的一般工作電極52(包括52.1.1-52.8.1及52.1.2-52.8.2)和一個(gè)環(huán)形激勵(lì)電極54；其中，八個(gè)一般工作電極52.1.1-52.8.1、八個(gè)一般工作電極52.1.1-52.8.1分別圍成兩個(gè)圓環(huán)形，環(huán)形激勵(lì)電極54位于這兩個(gè)圓環(huán)形之間；電隔離部分包括外圍絕緣部分42、中間絕緣部分43和內(nèi)圍絕緣部分44；復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40的主體部分為外圍絕緣部分42。

圖5F中復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40上有十六個(gè)包括驅(qū)動(dòng)電極、檢測電極的一般工作電極52(包括52.1.1-52.8.1及52.1.2-52.8.2)和一個(gè)環(huán)形激勵(lì)電極54；其中，八個(gè)一般工作電極52.1.1-52.8.1、八個(gè)一般工作電極52.1.1-52.8.1分別圍成兩個(gè)圓環(huán)形，環(huán)形激勵(lì)電極54位于這兩個(gè)圓環(huán)形之間；電隔離部分包括外圍絕緣部分42、中間絕緣部分43和內(nèi)圍絕緣部分44；復(fù)合結(jié)構(gòu)基底40的主體部分為第二主體部分46。

圖5A-F中平面電極50中的一般工作電極52數(shù)量不僅限于8個(gè)或16個(gè)，12個(gè)、20個(gè)、24個(gè)、28個(gè)和32個(gè)等其他偶數(shù)個(gè)也可以。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。