[發(fā)明專利]微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法

在審

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• 申請日: 2015-10-19
• 公開（公告）號: CN105387852A
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發(fā)明（設計）人: 王任鑫;白冰;唐軍;曹慧亮;劉源;劉俊;薛晨陽;張文棟
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01C19/5691
• 分類號: G01C19/5691;G01C25/00;B81C1/00
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發(fā)明屬于微機械加工技術領域，特別涉及一種用腐蝕的方法制備和加工微半球陀螺諧振子，具體是一種微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法。

背景技術

人類對半球諧振陀螺的研究已持續(xù)了超過50年了。半球諧振陀螺作為一種新型的慣性姿態(tài)測量單位的器件，具有很高的測量精度，超強的穩(wěn)定性和可靠性，常用于空間飛行器、衛(wèi)星、戰(zhàn)略武器等裝備中。世界上最早研制半球諧振陀螺的事美國Delco公司（后并入NorthropGrumman公司），自1996年以來，它首次將半球諧振陀螺儀用于空間中之后，半球諧振陀螺（HRG）成為高價值任務的“優(yōu)選傳感器”。俄羅斯的HRG在陀螺儀的設計、信號處理及系統(tǒng)設計上，其理論都是相當領先的。HRG俄羅斯拉明斯克儀器制造設計局早期研制直徑為?90mm的半球諧振陀螺，又開發(fā)了直徑為?50mm的半球諧振陀螺。俄羅斯SIEMedicon研究直徑為?30mm的半球諧振陀螺。半球諧振陀螺儀技術從長遠來看，未來的陀螺技術將以HRG和微機電系統(tǒng)（MEMS）為主向微型化方向發(fā)展，并作為航天任務和制導系統(tǒng)的首選陀螺。

近年來，隨著微加工技術的不斷發(fā)展，人類利用MEMS技術也生產出了體積更小，質量更輕，成本更低，易于批量生產的半球諧振陀螺。法國現(xiàn)在研發(fā)的諧振子20mm的半球諧振陀螺，美國NorthropGrumman公司于2012年推出了微型半球諧振陀螺儀，并開始了超微型半球諧振陀螺儀的研究。MEMS技術制造的半球諧振陀螺儀正在飛速發(fā)展，而半球諧振陀螺儀的核心是半球陀螺諧振子，如何在保證陀螺儀品質的情況下，用MEMS技術制備出結構更合理的諧振子成為現(xiàn)在面臨的問題。為此，美國加州大學歐文分校的A.M.Shkel等在文章“TITANIASILICATE/FUSEDQUARTZGLASSBLOWINGFOR3-DFABRICATIONOFLOWINTERNALLOSSWINEGLASSMICRO-STRUCTURES”中給出了一種以石英為材料，利用高溫下石英在熔融狀態(tài)易被吹起的特性，制作出半球陀螺諧振子，并給出了利用Lasercut的方法將半球陀螺諧振子和硅表面分離。此制備方法的優(yōu)點是正通過高溫下熔融石英在壓力差的作用下能被均勻的吹起，并且表面粗糙程度非常優(yōu)秀，但不足之處在于首先利用Lasercut需要先將激光器與半球陀螺諧振子邊緣進行對準，這就對對準的精度要求非常高，如果沒有對準切割，半球陀螺的對稱性就沒有保證，這樣會直接影響到半球諧振陀螺的測量精度和壽命；其次，利用Lasercut切割出來的模型邊緣不規(guī)則，這也會導致半球諧振子的對稱性。

另外，微型半球諧振陀螺的諧振子制備完成后，還需要制備檢測電極和激勵電極，如何讓每個檢測電極、激勵電極同諧振子的距離都相等，并且盡可能同諧振子平行成為下一個需要解決的問題。為此，SergeiA.Zotov,AlexanderA.Trusov和AndreiM.Shkel在文章“Three-DimensionalSphericalShellResonatorGyroscopeFabricatedUsingWafer-ScaleGlassblowing”中給出了一種球形結構的諧振子制備方法，文章中提出了將激勵電極和檢測電極同諧振子同時吹起的制備方法。由于在相同條件下制備諧振子和電極，所以它們的形狀大小都應該是相同的。這種方法大大增加了諧振子和電極的對稱性，但它也有不足之處，首先由于吹出的諧振子接近空球殼，而傘型、Y型的諧振子相對其他形狀的諧振子擁有更高的品質因數(shù)Q；其次，由于激勵電極和檢測電極都為近似球體，它們與諧振子之間的距離是不均勻的。這兩個問題對陀螺儀的精度是有影響的。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術中存在的問題，而提供一種微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法。此方法制備出來的半球陀螺諧振子，綜合了諧振子的“傘型”、“Y型”結構的高精度、激勵電極和檢測電極與諧振子接近平行的特點，有望在超微型半球陀螺諧振子制備技術中開創(chuàng)新的方向。

本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的：

一種傘型微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法，包括如下步驟：

1）選擇圓形硅片作為襯底并清洗硅襯底，并在硅襯底上表面上旋涂光刻膠，光刻形成后續(xù)深硅刻蝕工藝所用的第一掩膜；