[發(fā)明專利]基于杯形波動(dòng)陀螺的壓電電極及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710316397.9
• 申請(qǐng)日: 2017-05-08
• 公開（公告）號(hào): CN107227458A
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔巖;虞夢(mèng)琳;曲天良;劉兵;孔祥新;谷旺
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C28/00
• 分類號(hào): C23C28/00;G01C19/5691
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心21200
• 代理人: 溫福雪,侯明遠(yuǎn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于杯形波動(dòng)陀螺的壓電電極及其設(shè)計(jì)方法，主要是結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改進(jìn)以及工藝制作，屬于執(zhí)行器、傳感器設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋯鈦酸鉛(PZT)材料是一種具有高機(jī)電常數(shù)、高介電常數(shù)和高剩余極化強(qiáng)度的功能材料，因其具有介電、壓電、鐵電等優(yōu)異特性，目前已成為制備MEMS與納米器件的主要材料,同時(shí)PZT材料易于半導(dǎo)體工藝相集成，可用于制作傳感器、鐵電存儲(chǔ)器、微型壓電驅(qū)動(dòng)裝置和聲表面波器件等。

PZT材料存在正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，也是壓電執(zhí)行傳感器的工作基礎(chǔ)。通過正壓電效應(yīng)，可以將材料的變形以材料表面產(chǎn)生的電荷輸出量來表征。利用材料的逆壓電效應(yīng)，可以將施加在材料的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為材料本身的變形量。杯形波動(dòng)陀螺是一種固體固體波動(dòng)陀螺，利用杯形諧振諧振子固體彈性波動(dòng)、以及壓電驅(qū)動(dòng)和檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的測量。杯形波動(dòng)陀螺具有精度高，能耗小，且使用壽命長，抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣泛。

經(jīng)過現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，組合式石英杯形波動(dòng)陀螺諧振子(專利號(hào)：CN102353369A)詳細(xì)介紹了杯形波動(dòng)陀螺諧振子的詳細(xì)組成情況，八個(gè)獨(dú)立的壓電電極貼附在石英諧振子的底面。在論文杯形陀螺壓電片粘結(jié)膠層對(duì)諧振子振動(dòng)特性的影響規(guī)律研究(Zhu B.Research on Adhensive Layer and Its Effects on Vibtation Characteristics of Resonator and PZT of Cupped Gyro[J].Chinese Journal of Sensors&Actuators,2011,24(9):1248-1252.)也詳細(xì)探討了粘結(jié)壓電片的膠層對(duì)杯形波動(dòng)陀螺的影響。由于壓電電極與石英基底之間有膠層的存在，屬于柔性連接，膠層的位置、材料、厚度以及膠層的均勻性對(duì)諧振子的輸入增益以及能量傳遞有很大的影響，因此迫切需要一種新的壓電電極制作方法，使其避免或減少上述因素的對(duì)陀螺儀性能的影響。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于杯形波動(dòng)陀螺石英基底上的壓電電極的設(shè)計(jì)與制作方法，無需使用膠層黏貼壓電電極，避免上述因素對(duì)陀螺儀性能的影響。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于杯形波動(dòng)陀螺的壓電電極，為三層結(jié)構(gòu)，從下到上依次為公共底電極、PZT層和頂電極；為了保證杯形波動(dòng)陀螺諧振子的質(zhì)量平衡，同時(shí)也結(jié)合MEMS工藝中的相關(guān)尺寸補(bǔ)償，公共底電極主體為八個(gè)矩形電極塊，通過圓環(huán)結(jié)構(gòu)將八個(gè)矩形電極塊連為一體結(jié)構(gòu)，且材料、厚度均相同；PZT層的結(jié)構(gòu)與公共底電極的結(jié)構(gòu)相同，在PZT層的圓環(huán)結(jié)構(gòu)上設(shè)有8個(gè)引線孔，每兩矩形電極塊之間設(shè)有一引線孔；頂電極為八個(gè)矩形電極塊，其濺射于PZT層的對(duì)應(yīng)矩形電極塊處，矩形電極塊的端部設(shè)有頂電極引線位置。

杯形石英基底表面鏡面拋光，底電極通過端部Pt連接，稱為公共電極，且位于PZT層和石英基底之間，PZT層的形狀與信號(hào)電極的形狀相同。

所述壓電電極的工作原理是，采用壓電材料的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)，激勵(lì)石英諧振子進(jìn)入驅(qū)動(dòng)模態(tài)，驅(qū)動(dòng)模態(tài)與敏感模態(tài)相互匹配，采用壓電材料的正壓電效應(yīng)檢測。本專利的壓電材料是PZT層。

一種基于杯形波動(dòng)陀螺的壓電電極的制備方法，步驟如下：

第一步，對(duì)杯形波動(dòng)陀螺的諧振子底面進(jìn)行拋光、清洗、甩膠、光刻和顯影；

第二步，在諧振子底面先濺射一層30～50nm Ti層、再濺射一層150～200nmPt層，去膠并剝離濺射的Ti、Pt層，得到公共底電極；

第三步，清洗第二步制得的諧振子底面表面，并制備PZT前驅(qū)液；采用溶膠-凝膠法在諧振子底面制備PZT薄層，經(jīng)過多次重復(fù)操作，得到PZT層；

第四步，在PZT層表面進(jìn)行甩膠、光刻和顯影，并濺射Pt層，去膠并剝離，去除電極之外多余的Pt層，得到頂電極；

第五步，在頂電極的表面，甩膠、光刻和顯影，并利用PZT腐蝕液腐蝕多余的PZT，形成所需圖案的PZT層，同時(shí)露出底電極引線孔。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明中的杯形波動(dòng)陀螺諧振子的壓電電極結(jié)合MEMS加工工藝進(jìn)行制作，在杯形波動(dòng)陀螺儀諧振子的壓電電極加工制作中，改變?cè)械膲弘婋姌O采用膠粘的方式，將原來的柔性連接改為剛性連接，同時(shí)減小壓電電極尺寸和位置誤差，加工工藝可以重復(fù)進(jìn)行，避免膠層和壓電電極尺寸和位置精度對(duì)陀螺儀性能的影響，提高了壓電電極對(duì)振動(dòng)的靈敏度和能量傳遞的可靠性。

附圖說明

圖1(a)是壓電電極的公共底電極。