[發明專利]微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法

在審

• 申請號: 201510671505.5
• 申請日: 2015-10-19
• 公開（公告）號: CN105387852A
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發明（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: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發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了超過50年了。半球諧振陀螺作為一種新型的慣性姿態測量單位的器件，具有很高的測量精度，超強的穩定性和可靠性，常用于空間飛行器、衛星、戰略武器等裝備中。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“優選傳感器”。俄羅斯的HRG在陀螺儀的設計、信號處理及系統設計上，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（MEMS）為主向微型化方向發展，并作為航天任務和制導系統的首選陀螺。

近年來，隨著微加工技術的不斷發展，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。法國現在研發的諧振子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。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述現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新的方向。

本發明是通過如下技術方案實現的：

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，光刻形成后續深硅刻蝕工藝所用的第一掩膜；