一种集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪的制作方法

1.本发明涉及微机电半球谐振陀螺领域，具体是一种集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪。


背景技术：

2.陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的应用。随着消费电子、工业机器人、车辆、船舶导航、无人机制造业等工业的发展，对陀螺仪的需求也逐渐向着低成本、小体积、高精度、高可靠性的方向发展。基于微机电系统技术研发的微机电陀螺， 采用微纳加工技术， 具有批量生产成本低、 一致性好的特点，其中，微半球陀螺仪更是因为自身较强的抗冲击能力，具备加工成型高精度陀螺仪的潜力，目前已经成为微机电陀螺领域中的研究热点。
3.一般选取谐振子的四波腹振动模态作为陀螺仪的工作模态，在处于四波腹振动模态时，谐振子将会产生壳体的径向振动，即面内振动，以及边缘带的轴向振动，即面外振动，检测面内振动的即面内电极，检测面外振动的即面外电极。传统的微半球陀螺仪一般选择利用面内电极检测壳体的径向振动或者利用面外电极检测边缘带的轴向振动两种模式其中的一种。然而，采用单一的面内电极检测需要进行高精度的电极装配，否则难以保证电学一致性，因此其制造工艺十分复杂；同样，采用单一的面外电极检测则输出信号相对较弱，需要放大结构或高灵敏度的电路进行信息提取，对后处理电路要求高。
4.《内外双曲面立体电极的微半球陀螺仪》（专利号201710688341.6）提供了一种采用内外层双曲面电极进行检测的微半球陀螺仪，该陀螺仪具有两个曲面立体电极，分别是位于基底的内层曲面立体电极和位于顶盖的外层曲面立体电极。该陀螺虽然具有双层曲面电极，但是只能检测面外振动；同时，内层曲面立体电极与半球谐振子的同心度难以保证，从而难以保证微半球谐振陀螺的电学一致性；此外，内层曲面电极的结构也较复杂，加工难度较大。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪，该微半球谐振陀螺仪同时采用平面环形面外电极和立体球型面内电极进行陀螺仪的驱动和信号检测，其中，检测的是谐振子壳体在垂直于锚杆轴的平面内的振动的电极叫做面内电极，检测的是谐振子裙边在垂直于锚杆轴的平面外的振动的电极叫做面外电极，利用两种电极进行检测，既弥补了面外检测信号微弱的缺点，又弥补了面内检测安装精度和电学一致性差的缺点，并且尽可能简化了陀螺仪内部结构，便于批量生产。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪，包括一个半球谐振子，在半球谐振子内表面边缘设有裙边，裙边形状可以是环形，也可以是齿形，谐振子底部顶点设有锚杆；半球谐振子外表面下方是面内电极，电极呈立体球面排列，包含
支撑电极座、支撑电极以及功能电极组，其中，支撑电极个数大于等于2，在一个圆周角内等角间距排列，支撑电极底部通过支撑电极座相连，支撑电极座中央开有一锚点腔，供半球谐振子底部锚杆插入，从而固定半球谐振子，支撑电极之间的间隙等距插入功能电极组，并且每个单电极下方均设有金属pad电极，用于连接导线；半球谐振子裙边内表面与面外电极形成电容间隙，面外电极在顶盖的下表面呈平面环形排列，顶盖的边缘突出，并且在边缘上等距设有金属pad电极，金属pad电极与面外电极通过金属镀层导线相连；封底层的引线孔与面内电极底部的金属pad一一对应，实现芯片的引线键合；进一步的，所述面内电极各部分通过密封环进行固定，且密封环与面内电极之间设有应力释放环；进一步的，所述顶盖底部具有与面外电极同心圆形区域的吸气剂涂层。
7.本发明的有益效果是：本陀螺仪同时采用面内外两组电极进行陀螺的驱动和信号检测，面内电极与谐振子的裙边形成电容间隙，面外电极的球面与谐振子的曲面形成电容间隙，同时利用面内电极和面外电极进行检测可以取长补短，既提高了检测信号的强度，同时也保证了微半球陀螺仪的电学一致性；面内电极与谐振子的电容间隙均匀一致，传感面积大，面外电极与谐振子裙边的电容间隙均匀一致，可以充分感知谐振子体结构的振动信息；面外电极结构简单，方便加工，有利于进行大批量生产。
附图说明
8.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：图1是本发明中微半球陀螺仪的立体剖视图；图2是表示图1中所示微半球陀螺仪的半球谐振子的示意图；图3是表示图1中所示微半球陀螺仪的面内电极的立体剖视图；图4是表示图3中所示面内电极的俯视图；图5是表示图1中所示微半球陀螺仪的顶盖的仰视图；图6是表示图1中所示微半球陀螺仪的封底层的仰视图；图7是表示图6中所示封底层的剖视图。
具体实施方式
9.如图1所示，本发明提供一种集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪，包括半球谐振子2，半球谐振子的外顶点设有锚杆2b，内表面设有裙边，形状为环形2a或者齿形2c，两种结构均可，面外电极1c与谐振子裙边形成电容间隙。
10.结合图3和图4所示，半球谐振子2外表面下方设有球型立体排列的面内电极4，面内电极4包含支撑电极座4d、 支撑电极4b与功能电极4a。支撑电极4b的个数大于等于2，均连接在支撑电极座4d上，在一个圆周角内等角间距排列。功能电极4a等间隔设于支撑电极4b之间,支撑电极4b与功能电极4a底部分别设有一个金属pad电极4e，支撑电极4b与功能电极4a通过密封环5进行固定，密封环5、顶盖1与封底层6共同实现陀螺仪的气密性封装。支撑电极4b、功能电极4a与密封环5之间存在一个应力释放环3，面内电极4整体呈环形分布，且
形状与半球谐振子2的外表面相适应，支撑电极座4b中心设有用于和锚杆2b连接的锚点腔4c， 半球谐振子2的锚杆2b通过锚点腔4c与支撑电极座4b相固定。
11.结合图5所示，半球谐振子2内表面上方设有环形平面排列的面外电极1c，面外电极1c位于顶盖1下表面，顶盖1边缘向下突出，且突出部分镀有金属pad电极1a，金属pad电极用于连接外部导线，内部则通过金属镀层导线1b与面外电极1c相连，面外电极1c内部存在与其同心的圆形区域吸气剂涂层1d。
12.结合图6和图7所示，封底层6设有与面内电极底部的金属pad电极4e一一对应的锥形孔6a，面内电极4底部的金属pad电极4e通过锥形孔6a与封底层6进行连接。
13.本发明所述的集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪，利用绝缘的密封环5实现面外电极1c和面内电极4之间的绝缘、气密性组装，密封环5优选玻璃浆料，面外电极1c和面内电极4组装时，金属镀层导线1b被顶盖1、密封环3和面内电极4完全密封地包裹住，确保此处绝缘、气密性高。面外电极1c和面内电极4一一对应或者相互交错地排布在半球谐振子2的四周，并分别形成电极电容间隙。
14.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。 因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。