专利名称：石英微机械音叉陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及惯性器件技术领域，特别是涉及一种石英微机械音叉陀螺仪。
背景技术：
随着国内姿态控制和导航技术的发展，对国产化高精度陀螺仪产品的需求越来越急迫。现有的石英微机械陀螺仪应用最广泛，主要包括U型结构石英微机械陀螺仪和H型结构石英微机械陀螺仪。U型结构石英微机械陀螺仪侧面敏感电极需要分块，制造工艺难度大，并且其叉指厚度与宽度接近，驱动信号和检测信号耦合严重。而H型结构石英微机械陀螺仪同样需要采用侧面分块检测电极才能够获得较高的检测灵敏度，目前国内分块电极制作技术还不成熟，加工难度较大。

发明内容
(一)要解决的技术问题本发明提供一种石英微机械音叉陀螺仪，用以解决现有结构石英微机械陀螺仪侧·面需要分块敏感电极和检测电极，而分块电极制作技术不成熟，加工难度较大的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种石英微机械音叉陀螺仪，包括音叉结构，其中，所述音叉结构为双H结构，包括两个驱动臂、两个敏感臂和一个“王”字型承载梁；所述“王”字型承载梁为音叉结构，由上横梁、中横梁、下横梁三个横梁和一个纵梁构成；所述两个驱动臂和两个敏感臂均设置在所述中横梁上，分别对称位于所述纵梁的两侧，且所述两个驱动臂的形状及质量完全相同，所述两个敏感臂的形状及质量完全相同；所述上横梁的顶端及下横梁的底端各连接一固定块，所述微机械音叉结构通过所述固定块固定在基座上；其中，所述音叉结构以所述纵梁为对称轴呈镜像对称，同时以所述中横梁为对称轴呈镜像对称。如上所述的石英微机械音叉陀螺仪，优选的是，所述两个驱动臂的两端均设置有
第一质量微调块。如上所述的石英微机械音叉陀螺仪，优选的是，其特征在于，所述两个敏感臂的两
端均设置有第二质量微调块。如上所述的石英微机械音叉陀螺仪，优选的是，所述驱动臂距离所述纵梁的距离大于所述敏感臂距离所述纵梁的距离。如上所述的石英微机械音叉陀螺仪，优选的是，所述驱动臂和敏感臂的宽度相同。如上所述的石英微机械音叉陀螺仪，优选的是，所述驱动臂和敏感臂的宽度尺寸大于厚度尺寸。
如上所述的石英微机械音叉陀螺仪，优选的是，其中一个所述驱动臂为反馈电极，与外电路连接构成反馈电路。如上所述的石英微机械音叉陀螺仪，优选的是，所述驱动臂与所述中横梁的直角连接处具有70°倒角。如上所述的石英微机械音叉陀螺仪，优选的是，所述敏感臂与 所述中横梁的直角连接处具有70°倒角。(三)有益效果本发明所提供的微机械音叉陀螺仪的音叉结构包括两个驱动臂、两个敏感臂和一个“王”字型承载梁，该“王”字型承载梁由上、中、下三个横梁和一个纵梁构成，并将两个驱动臂和两个敏感臂设置在中横梁上，且分别对称位于纵梁的两侧，敏感电荷在叉指上左右对称分布，不需要再对侧面电极进行分块，克服了分块电极加工难度大的问题。同时，利用结构的对称性可以消除加速度及各种耦合的影响。通过增加叉指数，提高了灵敏度，而且吸收了 H型结构对称性及引入反馈电极的优点，也吸收了平面型结构电极易于制作的优点。


图I为本发明实施例中石英微机械音叉陀螺仪音叉结构的结构示意图；图2为图I沿A-A方向的局部剖视图；图3为本发明实施例中石英微机械音叉陀螺仪音叉结构的制作工艺流程图；其中，a、音叉结构；1 :第一质量微调块；2 :驱动臂；3 :第二质量微调块；4 :敏感臂;5 王”字型承载梁；6 :固定块；7 :上横梁；8 :中横梁；9 :下横梁；10 :纵梁。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。图I所示为本发明实施例中石英微机械音叉陀螺仪音叉结构的结构示意图。如图I所示，本发明实施例中的石英微机械音叉陀螺仪音叉结构a为双H结构，包括两个驱动臂2、两个敏感臂4和一个“王”字型承载梁5，两个驱动臂2作为驱动电极，两个敏感臂4作为敏感电极，其中，“王”字型承载梁5为音叉结构，由上横梁7、中横梁8、下横梁9三个横梁和一个纵梁10构成，两个驱动臂2和两个敏感臂4均设置在中横梁8上，分别对称位于纵梁10的两侧，即两个驱动臂2以纵梁10为对称轴呈镜像对称，两个敏感臂4也以纵梁10为对称轴呈镜像对称。且两个驱动臂2的形状及质量完全相同，两个敏感臂4的形状及质量也完全相同，以实现敏感电荷左右对称分布，不再需要分块电极，规避了侧面分块电极的加工难题。并在上横梁7的顶端及下横梁9的底端各连接一固定块6，音叉结构a通过固定块6固定在基座上。音叉结构a以纵梁10为对称轴呈镜像对称，同时以中横梁8为对称轴呈镜像对称。通过设置两个驱动臂2和两个敏感臂4，增加了音叉结构a的叉指数，提高了石英微机械音叉陀螺仪的灵敏度。音叉结构a的双H结构对称性，可以消除线加速度及各种耦合的影响。其中，两个驱动臂2和两个敏感臂4与“王”字型承载梁5之间为刚性连接，从而两个敏感臂4可以在两个驱动臂2的驱动下振动。
由于加工的精度问题，不可能确保音叉结构a的完全对称结构，该对称结构包括两个驱动臂2的形状及质量完全相同，和两个敏感臂4的形状及质量也完全相同，这就会在石英微机械陀螺仪测量角速度的时候产生较大的噪声。为了给石英微机械陀螺仪降噪，本实施例中优选在两个驱动臂2的两端均设置第一质量微调块I，进一步地，还可以在两个敏感臂4的两端均设置第二质量微调块3，通过外接测试电路和微调电路，可以利用激光修调的方式对第一质量微调块I和第二质量微调块3进行质量修调，从而降低声噪，同时还可以保证石英微机械陀螺仪的精度。本实施例中可以设置驱动臂2距离纵梁10的距离大于敏感臂4距离纵梁10的距离，增大驱动力臂，提高驱动振幅。其中，由于驱动臂2和敏感臂4分开，可以设置驱动臂2和敏感臂4的宽度尺寸相同，因为叉指的厚度与工作模态谐振频率无关，从而对叉指的厚度要求降低，可以很小，如图2所示，有利于音叉结构a制作工艺中的化学腐蚀工艺。
为了吸收单H型结构引入反馈电机的优点，本实施例中还优选将其中一个驱动臂2作为反馈电极，与外电路连接构成反馈电路，为解决谐振、稳幅、同步问题提供条件。音叉结构a是基于科里奥利力(亦称为科氏惯性力)来设计的，本实施例中石英微机械陀螺仪的具体工作原理为首先通过外接测试电路和微调电路，利用激光修调的方式对第一质量微调块I和第二质量微调块3进行质量修调；然后给驱动臂2施加一稳定电压，驱动臂2在外加电场的作用下产生X方向弯曲振动。当石英微机械陀螺仪绕其对称轴(即纵梁10)旋转时，即绕Z轴旋转，如图I所示，其中，旋转角速度为ω，则作用在音叉结构a上的科氏惯性力使敏感臂4产生Y方向的振动，这样利用石英的压电效应，敏感电极上就出现与科氏惯性力成比例的电荷，这些电荷形成的电流经过放大解调后，便得到一个正比于输入旋转角速度ω的直流输出，从而测出旋转角速度值。本实施例中优选驱动臂2与中横梁8的直角连接处具有70°倒角α，同时驱动臂2与中横梁8的直角连接处也可以具有70°倒角β，以增强音叉结构a的抗震动冲击性能。由以上实施例可以看出，本发明所提供的石英微机械音叉陀螺仪的双H音叉结构包括两个驱动臂、两个敏感臂和一个“王”字型承载梁，该“王”字型承载梁由上、中、下三个横梁和一个纵梁构成，并将两个驱动臂和两个敏感臂设置在中横梁上，且分别对称位于纵梁的两侧，敏感电荷在叉指上呈左右对称分布，不需要再对侧面电极进行分块，克服了分块电极加工难度大的问题。同时，利用结构的对称性可以消除加速度及各种耦合的影响。通过增加叉指数，提高了灵敏度，而且吸收了 H型结构对称性及引入反馈电极的优点，也吸收了平面型结构电极易于制作的优点。现有技术中，对于石英音叉结构a的加工方法有两种切割+镀膜法和光刻+化学腐蚀法。其中，切割+镀膜法主要是采用金属丝、金刚石刀具或激光切割出石英音叉结构a的结构图，再用电极图形制作的掩模板遮挡音叉不需要金属膜的部位，进行物理气相镀膜，从而获得所需的电极图形，这种方法制作的音叉结构边沿整齐，尺寸精度主要由加工设备决定，但电极走线较粗，石英音叉体积较大。本发明实施例中采用光刻+化学腐蚀法来制备双H结构石英音叉，光刻+化学腐蚀法是基于半导体工艺的微细加工方法，通过镀膜、光刻、化学腐蚀等工艺在石英晶体基片上批量制作石英音叉结构a的结构图，从而大大地降低了石英陀螺的生产成本。本发明石英音叉结构a的基本制作工艺流程为如图3所示，石英薄片双面镀掩模一双面光刻音叉图形一音叉掩模刻蚀一光刻电极图形一石英音叉化学腐蚀一电极刻蚀一镀制侧面电极。石英基片要求双面镜面抛光，并做清洁处理，以去除附着在石英表面的颗粒、有机物及金属残留物。清洗方法主要有酸洗、碱洗、洗涤剂洗和有机溶剂洗等，或其中几种方法结合以去除基板上不同的残留物。用Cr/Au膜作石英音叉结构a腐蚀的掩蔽膜，掩蔽膜的双面音叉的图形通过两次光刻及腐蚀所得。为保证石英音叉结构制作工艺的正常进行，本发明实施例中重点解决了以下几个问题 (I) Cr/Au掩蔽模的制作

从工艺流程图中可以看出，制备附着力强、耐腐蚀性好、应力小的Cr/Au膜是保证各工序正常进行的基础。目前主要用真空热蒸发和真空溅射镀制Cr/Au膜，两种方法各有优缺点。利用真空热蒸发镀制Cr/Au膜时，将石英基片加热升至一定的温度，一方面可以使吸附在基片表面的残余气体分子减少，从而增加薄膜淀积分子在基片上的附着力，另一方面减少蒸汽分子再结晶温度与基片温度之差，从而有效地减小了膜层的内应力。但膜层的聚集密度小，在腐蚀石英过程中，膜层经长时间腐蚀液的浸泡，腐蚀液透过膜层空隙对石英表面进行钻蚀，并使膜层结构变得疏松；利用真空溅射法制备的薄膜聚集密度大、膜层空隙小、耐钻蚀的能力比热蒸发的强。本发明实施例中采用真空溅射镀制Cr/Au膜。( 2 )石英音叉结构a的化学腐蚀石英晶体的化学各向异性腐蚀由石英晶体结构的各向异性所决定。本发明实施例中采用氢氟酸(HF) +氟化氨(NH4F)溶液对石英晶体进行化学腐蚀，z切割石英在该腐蚀液中表现出X及y截面侧面都有不同程度的棱角，这些棱角是由于石英晶体各组晶面腐蚀速率不同的结果。在X截面中，随着腐蚀时间的延长，X负方向侧面的棱角先行消失，形成陡直的侧面，通过继续增加腐蚀时间，能够进而去掉X正方向侧面的棱角，得到形貌完好的双H结构的音叉结构a。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种石英微机械音叉陀螺仪，包括音叉结构，其特征在于，所述音叉结构为双H结构，包括两个驱动臂、两个敏感臂和一个“王”字型承载梁；所述“王”字型承载梁为音叉结构，由上横梁、中横梁、下横梁三个横梁和一个纵梁构成； 所述两个驱动臂和两个敏感臂均设置在所述中横梁上，分别对称位于所述纵梁的两侧，且所述两个驱动臂的形状及质量完全相同，所述两个敏感臂的形状及质量完全相同； 所述上横梁的顶端及下横梁的底端各连接一固定块，所述微机械音叉结构通过所述固定块固定在基座上； 其中，所述音叉结构以所述纵梁为对称轴呈镜像对称，同时以所述中横梁为对称轴呈镜像对称。
2.根据权利要求I所述的石英微机械音叉陀螺仪，其特征在于，所述两个驱动臂的两端均设置有第一质量微调块。
3.根据权利要求I所述的石英微机械音叉陀螺仪，其特征在于，所述两个敏感臂的两端均设置有第二质量微调块。
4.根据权利要求I所述的石英微机械音叉陀螺仪，其特征在于，所述驱动臂距离所述纵梁的距离大于所述敏感臂距离所述纵梁的距离。
5.根据权利要求I所述的石英微机械音叉陀螺仪，其特征在于，所述驱动臂和敏感臂的宽度相同。
6.根据权利要求I所述的石英微机械音叉陀螺仪，其特征在于，所述驱动臂和敏感臂的宽度尺寸大于厚度尺寸。
7.根据权利要求I所述的石英微机械音叉陀螺仪，其特征在于，其中一个所述驱动臂为反馈电极，与外电路连接构成反馈电路。
8.根据权利要求Γ7任一所述的石英微机械音叉陀螺仪，其特征在于，所述驱动臂与所述中横梁的直角连接处具有70°倒角。
9.根据权利要求Γ7任一所述的石英微机械音叉陀螺仪，其特征在于，所述敏感臂与所述中横梁的直角连接处具有70°倒角。
全文摘要
本发明属于惯性器件技术领域，公开了一种微机械音叉陀螺仪。该微机械音叉陀螺仪的音叉结构包括两个驱动臂、两个敏感臂和一个“王”字型承载梁，该“王”字型承载梁由上、中、下三个横梁和一个纵梁构成，并将两个驱动臂和两个敏感臂设置在中横梁上，且分别对称位于纵梁的两侧，敏感电荷在叉指上左右对称分布，不需要再对侧面电极进行分块，克服了分块电极加工难度大的问题。同时，利用结构的对称性可以消除加速度及各种耦合的影响。通过增加叉指数，提高了灵敏度，而且吸收了H型结构对称性及引入反馈电极的优点，也吸收了平面型结构电极易于制作的优点。
文档编号G01C19/5621GK102889887SQ20121037633
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者杨鹏远, 刘超 申请人:北京晨晶电子有限公司