本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)領域，具體地涉及一種微殼體諧振器及其諧振子制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，高對稱三維MEMS結(jié)構(gòu)的精確制備得到一定的發(fā)展，為殼體諧振器的微型化奠定了基礎。基于MEMS工藝的高對稱的二維或三維第二類哥式振動陀螺的設計和制備使MEMS速率積分陀螺成為可能，速率積分陀螺的輸出是角度而不是角速度，可帶來高動態(tài)范圍和高線性度的優(yōu)點。微殼體諧振器作為MEMS陀螺中最有可能實現(xiàn)慣導級性能速率積分陀螺的一類器件，已成為國內(nèi)外研究熱點。

實現(xiàn)高性能微殼體諧振器的困難在于微殼體諧振子的制備、電極的制備與組裝和真空封裝。微殼體諧振子作為微殼體諧振器的核心組件，直接決定了器件的性能；除此之外，電極與諧振子的間距和真空封裝也影響器件的工作。微殼體諧振器的研發(fā)目標是基于小體積、低成本、輕重量、低功耗和高性能以獲取實現(xiàn)微殼體器的批量制備技術(shù)。在此基礎上，為實現(xiàn)大沖擊和高振動環(huán)境下的高動態(tài)范圍、低噪聲、高精度的慣性導航，需提高微殼體諧振器的抗沖擊能力。

技術(shù)實現(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殼體諧振器及其諧振子制備方法，以提高微殼體諧振器的抗沖擊能力和抗振動能力。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種微殼體諧振器，包括：

一個封裝殼蓋；

一個微殼體諧振子；

一個用于固定微殼體諧振子的支撐結(jié)構(gòu)；

一個嵌入有驅(qū)動檢測電極和導電結(jié)構(gòu)的基底；

其中，所述微殼體諧振子內(nèi)有一自對準柱子；所述自對準柱子插入所述用于固定微殼體諧振子的支撐結(jié)構(gòu)中，通過一層金屬導電層與基底中的導電結(jié)構(gòu)連接引出，用于固定微殼體諧振子的支撐結(jié)構(gòu)位于基底中心；所述基底中嵌入有多個驅(qū)動檢測電極，多個驅(qū)動檢測電極包括偶數(shù)個驅(qū)動電極、偶數(shù)個檢測電極，驅(qū)動檢測電極數(shù)量為4的倍數(shù)；所述封裝殼蓋與嵌入有驅(qū)動檢測電極和導電結(jié)構(gòu)的基底封裝，其內(nèi)部為真空。

所述微殼體諧振子直徑范圍為1mm-10mm；所述微殼體諧振子的深寬比范圍為0.7-1.2；所述微殼體諧振子的殼體圓周處的厚度范圍為10um-500um。

所述微殼體諧振子的材質(zhì)為石英玻璃、超低熱膨脹系數(shù)ULE玻璃、因瓦合金、超因瓦合金中的一種。

所述微殼體諧振子的殼體圓周處有緣邊，緣邊的厚度和長度范圍均為10um-500um。

所述微殼體諧振子在基底上的投影區(qū)域位于驅(qū)動檢測電極內(nèi)邊沿和外邊沿之間。

所述自對準柱子為空柱、半實柱或?qū)嵵械囊环N。

一種微殼體諧振子制備方法，其步驟如下：

步驟一，在襯底圓片上加工形成帶柱子的腔室；

步驟二，在上述襯底圓片上的腔室內(nèi)以水溶液或懸濁液的形式引入發(fā)泡劑；

步驟三，加熱去掉上述襯底圓片上的腔室內(nèi)溶液或懸濁液中的水，留下發(fā)泡劑；

步驟四，將上述步驟得到的襯底圓片與結(jié)構(gòu)圓片通過鍵合實現(xiàn)腔室密封形成鍵合圓片；

步驟五，將上述步驟得到的鍵合圓片升溫至高于結(jié)構(gòu)圓片的軟化點或熔點，形成微殼體諧振子。

步驟一中，所述加工為微電火花加工、微超聲加工、濕法刻蝕的一種或濕法刻蝕與其他一種方式相結(jié)合的加工方式。

步驟二中，所述發(fā)泡劑為氫化鈦、氫化鋯、碳酸鈣、碳酸鍶、碳酸氫鈣中的一種或一種以上的混合物。

本發(fā)明的有益效果是：

1.微殼體諧振器采用支撐結(jié)構(gòu)固定微殼體諧振子，相比于無支撐結(jié)構(gòu)的微殼體諧振器，極大提高了微殼體諧振器的抗沖擊能力和抗振動能力，器件的可靠性和穩(wěn)定性得到提高；

2.微殼體諧振器采用支撐結(jié)構(gòu)固定微殼體諧振子，而非將自對準柱子插入基底中，可降低工藝難度，同時這種采用工藝方式可保證諧振子與基底中的電極間的間距的一致性；

3.微殼體諧振子采用石英玻璃、超低熱膨脹系數(shù)ULE玻璃、因瓦合金、超因瓦合金等低熱膨脹系數(shù)材料作為結(jié)構(gòu)材料，而非采用熱膨脹系數(shù)相對較大的材料(如硼硅酸鹽玻璃、多晶硅等)，性能大大提高，具體表現(xiàn)在能量損耗方面，真空中的Q值能在優(yōu)化設計和制備后大幅增大；微殼體諧振子采用熱成型工藝制備而成，諧振子的對稱性高，本征頻率分裂相對較??；

4.在制備微殼體諧振子的工藝過程中，發(fā)泡劑以溶液或懸濁液的形式引入襯底圓片中的腔內(nèi)，可大大提高發(fā)泡劑量的均勻性，提高了同一批次的殼體諧振子的均一性，并且相對容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是微殼體諧振器的示意圖；

圖2a-圖2e是微殼體諧振子的工藝流程圖；

圖3是一種微殼體諧振子的示意圖，其自對準柱子為半實心柱半空心柱；其中，圖3a是此微殼體諧振子的鳥瞰圖；圖3b是此微殼體諧振子的剖面圖；

圖4是一種微殼體諧振子的示意圖，其自對準柱子為全空心柱；其中，圖4a是此微殼體諧振子的鳥瞰圖；圖4b是此微殼體諧振子的剖面圖；

圖5是一種微殼體諧振子的示意圖，其自對準柱子為半實心柱半空心柱；其中，圖5a是此微殼體諧振子的鳥瞰圖；圖5b是此微殼體諧振子的剖面圖；

圖中，100-微殼體諧振器，110-基底，112-基底主體部分，114-絕緣部分，116-驅(qū)動檢測電極，118-導電結(jié)構(gòu)，120-微殼體諧振子，120A-殼體，120B-自對準柱子，120C-緣邊，120D-自對準柱子實心處，120E-自對準柱子空心處，121-襯底圓片，122-柱子，123-腔室，124-溶液或懸濁液，125-發(fā)泡劑，126-結(jié)構(gòu)圓片，127-殘余物，130-封裝殼蓋，140-金屬導電層，150-用于固定殼體諧振子的支撐結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。下列實施例僅用于說明本發(fā)明，但并不用來限定本發(fā)明的實施范圍。

名詞解釋：

超低熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)小于1ppm/℃；

超低熱膨脹系數(shù)ULE玻璃為含二氧化鈦的玻璃TiO₂+SiO₂，具體型號為Titanium silicate glass ULE^TM，其熱膨脹系數(shù)小于15ppb/℃(5-35℃)；

深寬比：單個殼體高度與半徑的比值。

實施例

如圖1、圖3-圖5所示，本實例提供一種微殼體諧振器100，包括：

一個封裝殼蓋130；

一個微殼體諧振子120；

一個用于固定微殼體諧振子的支撐結(jié)構(gòu)150；

一個嵌入有驅(qū)動檢測電極116和導電結(jié)構(gòu)118的基底110；

其中，所述微殼體諧振子120內(nèi)有一自對準柱子120B，自對準柱子120B 為空柱、半實柱或?qū)嵵械囊环N；所述自對準柱子120B插入所述用于固定殼體諧振子120的支撐結(jié)構(gòu)150中，通過一層金屬導電層140與基底110中的導電結(jié)構(gòu)118連接引出，用于固定微殼體諧振子的支撐結(jié)構(gòu)150位于基底中心；所述基底110中嵌入有8個驅(qū)動檢測電極116；所述封裝殼蓋130通過鍵合的方式與嵌入有驅(qū)動檢測電極116和導電結(jié)構(gòu)118的基底110實現(xiàn)真空封裝，真空封裝通過以下方法實現(xiàn)：在真空封裝前腔室內(nèi)放置有吸氣劑，吸氣劑在真空封裝完成后激活。

所述微殼體諧振子120直徑范圍為1mm-10mm；所述微殼體諧振子120的深寬比范圍為0.7-1.2；所述微殼體諧振子120的殼體120A圓周處的厚度范圍為10um-500um。

所述微殼體諧振子120的材質(zhì)為超低熱膨脹系數(shù)ULE玻璃；所述微殼體諧振子120的表面有一層導電金屬層。

所述微殼體諧振子120的殼體120A圓周處有緣邊120C，緣邊120C厚度和長度范圍均為10um-500um；所述殼體諧振子120在基底110上的投影區(qū)域位于驅(qū)動檢測電極116內(nèi)邊沿和外邊沿之間。

如圖2a-圖2e所示，本實例所提供的一種微殼體諧振子120制備方法，其步驟如下：

步驟一，濕法刻蝕石英玻璃圓片121形成帶柱子122的腔室123；

步驟二，在上述石英玻璃圓片121上的腔室內(nèi)123以溶液或懸濁液124的形式引入發(fā)泡劑氫化鈦125；

步驟三，加熱去掉上述石英玻璃圓片121上的腔室123內(nèi)溶液或懸濁液124中的水，留下發(fā)泡劑氫化鈦125；

步驟四，將上述步驟得到的石英玻璃圓片121與另一超低熱膨脹系數(shù)ULE玻璃結(jié)構(gòu)圓片126通過鍵合實現(xiàn)腔室密封形成鍵合圓片；

步驟五，將上述步驟得到的鍵合圓片升溫至高于超低熱膨脹系數(shù)ULE玻璃結(jié)構(gòu)圓片126的軟化點或熔點，發(fā)泡劑氫化鈦125在高溫下分解產(chǎn)生氣體，氣壓差驅(qū)使超低熱膨脹系數(shù)ULE玻璃結(jié)構(gòu)圓片126的軟化玻璃形成微殼體諧振子120，發(fā)泡劑氫化鈦125高溫分解后形成殘余物127。

圖3是一種微殼體諧振子的示意圖；微殼體諧振子120由殼體120A和自對準柱子120B構(gòu)成；自對準柱子120B為半實心柱半空心柱，自對準柱子實心處120D占自對準柱子120B的主要部分；圖3中的微殼體諧振子120剛好無緣邊，圓周處與電極相對應的面積居中；圖3中的微殼體諧振子120對應圖1中的微殼體諧振子120。

圖4是一種微殼體諧振子的示意圖；微殼體諧振子120由殼體120A和自對準柱子120B構(gòu)成；自對準柱子120B為空心柱；圖4中的微殼體諧振子120完全無緣邊，圓周處與電極相對應的面積較小。

圖5是一種微殼體諧振子的示意圖；微殼體諧振子120由殼體120A、自對準柱子120B和緣邊120C構(gòu)成；自對準柱子120B為半實心柱半空心柱，自對準柱子實心處120E占自對準柱子120B的主要部分；圖4中的微殼體諧振子120有較大面積的緣邊120C，圓周處與電極相對應的面積較大。

圖3-圖5中的微殼體諧振子120均可由圖2a-圖2e所示的熱成型工藝制備而成；圖3-圖5中的微殼體諧振子120的自對準柱子120B的實心部分大小可以通過改變結(jié)構(gòu)圓片126的厚度和襯底圓片121的腔室123內(nèi)的柱子122的尺寸調(diào)節(jié)；微殼體諧振器100中的微殼體諧振子120不僅限于圖3-圖5中的微殼體諧振子120，由圖2a-圖2e所示的熱成型工藝制備而成的其他微殼體諧振子120均可構(gòu)成微殼體諧振器100的組件。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術(shù)領域的普通技術(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和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。