表贴石英音叉陀螺及其加工方法与流程

1.本发明涉及惯性器件技术领域，尤其涉及一种表贴石英音叉陀螺及其连接方法。


背景技术：

2.陀螺仪又称角速度计，可以用来检测角速度和角度。正如我们所熟知，传统的机械式陀螺仪、精密光纤陀螺和激光陀螺等已经在航空、航天或其他军事领域得到广泛的应用。然而，这些陀螺仪由于成本太高和体积太大而不适合应用于消费电子中。
3.微机械陀螺仪由于内部无需集成旋转部件，而是通过一个由半导体制成的微机械部件来检测角速度，凭借其体积小、质量轻、功耗低、可批量化生产及成本低等优势，已广泛应用于消费电子、航空航天等技术领域。随着性能的不断提升，微机械陀螺仪成为微型惯性系统的核心和推动导航系统微小型化发展的关键器件。其中可靠性是评价微陀螺性能的关键因素，零偏稳定性是影响微机械陀螺仪与惯性系统精度、限制微机械陀螺仪应用范围的重要因素。随着应用需求的不断提升，减小微机械陀螺仪零偏误差，提高微机械陀螺的可靠性是微机械陀螺在高精度领域广泛应用的关键。
4.现有技术中，微机械陀螺仪的陀螺结构和基座的连接方式采用键合金丝的方式来实现电气连接，例如，或者在cn111256673b中，公开的石英音叉和基座的连接结构，包括孤岛、凸台和金属连接层，金属连接层在孤岛处将石英音叉和基座固定连接，但由于是孤岛位于石英音叉的中部位置，则需要金丝键合来实现电气连接。键合效果的好坏直接决定了微机械陀螺仪的电气性能以及产品的使用可靠性。
5.微机械陀螺仪的性能受工艺误差和环境等多种因素的影响，键合金丝的存在容易引入静电耦合误差，导致其输出存在零偏、零偏易发生偏移等问题，同时键合强度影响了微机械陀螺的产品可靠性，而键合强度的优化不能通过改变某个工艺参数即可实现，需要对多个工序的工艺进行调节，才能达到最佳效果，增加了工艺难度以及工艺一致性的需求。
6.另外，在现有技术cn103245339b和cn1818553a专利文件中，公开了压电震动陀螺元件，但是中心位置的基部并未特殊设计，这样给能量耦合带来一定的困难。


技术实现要素：

7.本发明提供一种表贴石英音叉陀螺及其加工方法，用以解决现有技术中微机械陀螺结构与基座采用金丝键合实现电气连接，容易引入静电耦合误差的缺陷，实现提高微机械陀螺仪的精度以及可靠性。
8.本发明提供一种表贴石英音叉陀螺，包括：石英音叉和基座，所述石英音叉包括：主体部，包括耦合梁、驱动叉指和检测叉指，所述驱动叉指和所述检测叉指分别设置在所述耦合梁相对的两侧，所述驱动叉指上设置有驱动电极，所述检测叉指上设置有检测电极；
连接梁，至少为两个且数量为偶数，所述连接梁对称设置于所述耦合梁的两侧；各个所述连接梁的一端与所述耦合梁连接，另一端设置有所述基部锚点；基座，所述基座与所述基部锚点一一对应并且通过导电银胶层粘接固定或者通过共晶焊接固定。
9.根据本发明提供的一种表贴石英音叉陀螺，所述耦合梁为工字型结构或内部中空的框体结构。
10.根据本发明提供的一种表贴石英音叉陀螺，所述驱动叉指的长度为d1，所述检测叉指的长度为d2，其中d1＜d2≤2d2。
11.根据本发明提供的一种表贴石英音叉陀螺，所述连接梁的宽度小于所述基部锚点的宽度。
12.根据本发明提供的一种表贴石英音叉陀螺，所述连接梁的厚度小于所述基部锚点的厚度。
13.根据本发明提供的一种表贴石英音叉陀螺，所述石英音叉和所述基部锚点为一体成型的石英晶体结构。
14.根据本发明提供的一种表贴石英音叉陀螺，所述导电银胶层的厚度为10
‑
20μm。
15.本发明还提供一种表贴石英音叉陀螺的加工方法，能够加工出上述的表贴石英音叉陀螺，包括步骤：在石英音叉的两侧设置基部锚点；将所述基部锚点通过导电银胶层固定粘贴于基座上。
16.根据本发明提供的一种表贴石英音叉陀螺的加工方法，步骤将所述基部锚点通过导电银胶层粘贴于基座上中；所述导电银胶层的厚度设置为10
‑
20μm。
17.本发明提供的表贴石英音叉陀螺及其加工方法，无需使用键合金丝，通过导电银胶或者共晶焊实现基部锚点和基座固定粘接，从而实现电连接，以消除键合金丝引入的静电耦合误差，减小静电耦合，提高表贴石英音叉陀螺的精度以及结构可靠性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明提供的表贴石英音叉陀螺的实施例一的结构示意图；图2是本发明提供的表贴石英音叉陀螺的实施例二的结构示意图；附图标记：1
‑
耦合梁；2
‑
连接梁；3
‑
驱动叉指；4
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检测叉指；5
‑
基部锚点。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳
动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.下面结合图1描述本发明的其中一个实施例，公开的表贴石英音叉陀螺，包括石英音叉和基座，石英音叉包括耦合梁1、连接梁2、驱动叉指3和检测叉指4，驱动叉指3和检测叉指4分别设置于耦合梁1相对的两侧，连接梁2具有两个，且对称设置于耦合梁1的两侧；各个连接梁2的一端与耦合梁1连接，另一端连接基部锚点5；基座与基部锚点5一一对应，且通过导电银胶层粘接固定。驱动叉指3的上下左右面均设置有驱动电极，检测叉指4的左右侧面设置有检测电极；信号引出在连接梁2上设置走线，最后在基部锚点5出通过导电银胶层或通过共晶焊接层与基座pad点实现电连接。
22.本发明的一实施例公开的表贴石英音叉陀螺，采用两端固定，无需键合金丝引线实现电气连接，工艺简单、容易装配，易于小型化，同时过导电银胶层或共晶焊接层实现基部锚点5和基座固定粘接，从而实现电连接，以消除键合金丝引入的静电耦合误差，减小静电耦合，提高微机械陀螺仪的精度以及结构可靠性。
23.其中，耦合梁1设置为工字型结构，且结构对称。
24.为了进一步地优化上述技术方案，驱动叉指3的长度为d1，检测叉指4的长度为d2，且d1＜d2≤2d2。采用此比例的驱动叉指3和检测叉指4的结构，能够实现音叉的驱动频率与检测频率的模态匹配。
25.更进一步地，连接梁2的宽度小于基部锚点5的宽度，即如图1所示，连接梁2在z方向的长度数值称为宽度，将连接梁2的宽度做窄，增加了连接梁2的能量耦合效率。而且，连接梁2的位置设置为关于表贴石英音叉陀螺的重心对称，能够确保检测叉指4的稳定振动。
26.需要说明的是，连接梁2与耦合梁1的角度设置不局限于90
°
，数量也不局限于两根，可以为多根，只要能实现石英音叉两侧的连接梁2关于表贴石英音叉陀螺的重心对称即可。
27.耦合梁1、连接梁2、驱动叉指3、检测叉指4和基部锚点5为一体成型的石英晶体结构，即石英音叉和基部锚点5为一整体。
28.其中，导电银胶层的厚度为10
‑
20μm，选用此数值范围既能够实现有效的电连接，又能保证结构稳定。
29.本发明一实施例的工作原理为：如图1所示，根据石英的逆压电效应，当给驱动叉指3的驱动电极加电时，会使驱动叉指3沿x方向振动，在y方向输入角速度时，根据柯氏效应原理，会产生沿z方向的柯氏力，在柯氏力作用下，驱动叉指3沿z方向振动，在耦合梁1作用下，检测叉指4会产生沿z方向的振动，通过对检测叉指4的电荷采集，可以得到输入角速度的大小。
30.下面结合图2描述本发明的另外一个实施例，公开的表贴石英音叉陀螺，包括石英音叉和基座，石英音叉包括耦合梁1、连接梁2、驱动叉指3和检测叉指4，驱动叉指3和检测叉指4分别设置于耦合梁1相对的两侧，连接梁2具有两个，且对称设置于耦合梁1的两侧；各个连接梁2的一端与耦合梁1连接，另一端连接基部锚点5；基座与基部锚点5一一对应，且通过导电银胶层或共晶焊接层粘接固定。驱动叉指3的上下左右面均设置有驱动电极，检测叉指4的左右侧面设置有检测电极；信号引出在连接梁2上设置走线，最后在基部锚点5出通过导电银胶层与基座pad点实现电连接。
31.本发明实施例提供的表贴石英音叉陀螺，通过导电银胶层或共晶焊接层将基座锚
点5和基座粘接，无需引入金丝，从而实现减小静电耦合，提升精度，提高结构可靠性。
32.其中，耦合梁1为内部中空的框体，且结构对称。
33.为了进一步地优化上述技术方案，驱动叉指3的长度为d1，检测叉指4的长度为d2，且d1＜d2≤2d2。采用此比例的驱动叉指3和检测叉指4的结构，能够实现音叉的驱动频率与检测频率的模态匹配。
34.更进一步地，连接梁2的厚度小于基部锚点5的厚度，即如图2所示，连接梁2在y方向的数值称为厚度，将连接梁2的厚度做薄，增加了连接梁2的能量耦合效率。而且，连接梁2的位置设置为关于表贴石英音叉陀螺的重心对称，能够确保检测叉指3的稳定振动，保证石英音叉陀螺的灵敏度。
35.需要说明的是，连接梁2与耦合梁1的角度设置不局限于90
°
，数量也不局限于两根，可以为多根，只要能实现两侧的连接梁2关于表贴石英音叉陀螺的中心对称即可。
36.耦合梁1、驱动叉指3、检测叉指4、连接梁2和基部锚点5为一体成型的石英晶体结构，即石英音叉和基部锚点5为一整体。
37.本发明的另一方面实施例还公开了表贴石英音叉陀螺的加工方法，能够加工出上述的表贴石英音叉陀螺，包括步骤：在石英音叉的两侧设置有基部锚点5；将基部锚点5通过导电银胶层或共晶焊接层固定粘贴于基座上。
38.其中，将基部锚点5通过导电银胶层固定粘贴于基座上的步骤中，导电银胶层的厚度选用10
‑
20微米。
39.需要说明的是，其中，上述步骤在石英音叉的两侧设置有基部锚点5中，具体为，将石英白片清洗、基膜制备、音叉光刻、金属掩膜刻蚀、电极光刻、连接梁光刻、通透腐蚀、电极掩膜刻蚀、减薄腐蚀、电极刻蚀和三维电极制备，得到一体连接的耦合梁、驱动音叉、检测音叉、连接梁和基部锚点；此加工过程为现有技术，在此不再赘述。
40.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。