本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)(mems)領(lǐng)域，具體涉及了一種三維振動傳感器。

背景技術(shù)：

為實現(xiàn)高性能微殼體諧振陀螺，中國發(fā)明專利申請“微玻璃半球諧振陀螺及其圓片級制備方法”(專利公開號：cn105540530a)提出了一種嵌入式硅電極，這種電極嵌入在復(fù)合結(jié)構(gòu)基底中，驅(qū)動和檢測微殼體諧振子，但電極與微殼體諧振子的面積較小，導(dǎo)致電容較小，如果增大電容，則需減小電極與微殼體諧振子的間距，但這種設(shè)計提高了后續(xù)封裝的難度，尤其對于mems器件的封裝，封裝的真空度較難達到10^-2pa-10^-5pa，間距減小到1um后需要很高的真空度，因此設(shè)計時傾向于增大面積；“微玻璃半球諧振陀螺及其圓片級制備方法”中的電容取決于殼體邊緣的厚度，而厚度由于工作頻率的限制，一般在300um以下，這就大大降低了面積，并且陀螺的控制和檢測需要多個電極，一般為16個或20個等4的倍數(shù)個，當電極數(shù)量較多時，單個電極與微殼體諧振子的電容進一步減小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供集成雙維電極的帶非常規(guī)邊緣的微三維軸對稱振動傳感器，解決微殼體諧振陀螺中電容較小的問題以及如何有利于陀螺的控制和檢測的問題。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

集成雙維電極的帶非常規(guī)邊緣的微三維軸對稱振動傳感器，包括微殼體諧振子、雙維電極和基底，所述微殼體諧振子包括殼體、單端柱和非常規(guī)邊緣，所述單端柱位于殼體的內(nèi)部中心軸處，單端柱的底部與非常規(guī)邊緣的底部齊平，所述雙維電極包括平面電極和非平面電極，所述平面電極用于感應(yīng)微殼體諧振子的徑向運動，所述非平面電極用于感應(yīng)微殼體諧振子的軸向運動，且非平面電極位于非常規(guī)邊緣的下方，所述基底中嵌有導(dǎo)電通孔，基底的背面設(shè)有導(dǎo)電引出層，單端柱的底部通過導(dǎo)電粘附層與導(dǎo)電通孔連接，且導(dǎo)電通孔通過導(dǎo)電引出層引出。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述非常規(guī)邊緣的底面與非平面電極平行，且非常規(guī)邊緣的底面的投影位于非平面電極的內(nèi)邊沿和外邊沿之間，非常規(guī)邊緣的底面與非平面電極形成電容。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述非平面電極為柱狀電極，且所述柱狀電極包括至少一層工作電極，各層工作電極同軸設(shè)置但直徑不同，每層工作電極包括4n個均勻排布的子電極，n取正整數(shù)。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述非平面電極還包括隔離電極，用于將每層工作電極中相鄰的子電極隔開。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，當非平面電極包括m層工作電極時，在相鄰層工作電極之間設(shè)有環(huán)形激勵電極，m≥2。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述非常規(guī)邊緣的內(nèi)、外兩側(cè)面中至少有一側(cè)為光滑柱面；當非常規(guī)邊緣僅內(nèi)側(cè)面為光滑柱面時，所述平面電極僅包括位于微殼體諧振子內(nèi)側(cè)的內(nèi)電極，非常規(guī)邊緣的內(nèi)側(cè)面與內(nèi)電極形成電容；當非常規(guī)邊緣僅外側(cè)面為光滑柱面時，所述平面電極僅包括位于微殼體諧振子外側(cè)的外電極，非常規(guī)邊緣的外側(cè)面與外電極形成電容；當非常規(guī)邊緣的內(nèi)、外兩側(cè)面均為光滑柱面時，所述平面電極包括位于微殼體諧振子內(nèi)側(cè)的內(nèi)電極和位于微殼體諧振子外側(cè)的外電極，非常規(guī)邊緣的內(nèi)側(cè)面與內(nèi)電極形成電容，非常規(guī)邊緣的外側(cè)面與外電極形成電容。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述內(nèi)電極和外電極均為柱狀電極，且所述柱狀電極包括一層工作電極，該層工作電極包括4n個均勻排布的子電極，n取正整數(shù)。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，內(nèi)電極的各子電極與非常規(guī)邊緣的內(nèi)側(cè)面的間距相等，外電極的各子電極與非常規(guī)邊緣的外側(cè)面的間距相等。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述微殼體諧振子的材質(zhì)為無定形材料、鐵鎳合金、單一氧化物和多氧化物混合物中的一種；當微殼體諧振子的材質(zhì)為不導(dǎo)電材料時，微殼體諧振子的表面完全或部分覆蓋有導(dǎo)電層。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述非平面電極設(shè)置在基底的表面或嵌入基底內(nèi)部。

采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：

本發(fā)明設(shè)計的微殼體諧振子的非常規(guī)邊緣可以增大或減小微殼體諧振子的有效質(zhì)量，有效質(zhì)量對陀螺的隨機游走、工作頻率、剛度等有重要的影響，通過改變非常規(guī)邊緣可以調(diào)節(jié)以上各個參數(shù)以達到最優(yōu)。

本發(fā)明采用了雙維電極，雙維電極包括平面電極和非平面電極，平面電極感應(yīng)微殼體諧振子的徑向運動，非平面電極感應(yīng)微殼體諧振子的軸向運動。微殼體諧振子的非常規(guī)邊緣內(nèi)、外側(cè)至少有一側(cè)為光滑柱面，這種情形下分別可制作對應(yīng)的內(nèi)電極或外電極，電極制作的難度大大降低；此外，增加內(nèi)電極或外電極，可以減少非平面電極中的一般工作電極的數(shù)量，因此增大了電容。增加內(nèi)電極或外電極，電極工作的方式的選擇性大大增加：可以非平面電極全部用作檢測，內(nèi)電極或外電極全部用作激勵或控制；可以內(nèi)電極或外電極全部用作檢測，非平面電極全部用作激勵或控制；可以部分內(nèi)電極或部分外電極用作檢測，可以部分非平面電極用作激勵或控制等等，電極工作功能的選擇性大大增強；如果只有非平面電極，非平面電極需檢測、激勵和控制諧振子，因此數(shù)量不少于8個，相應(yīng)的電容不大，需要減小非平面電極與諧振子的間距或增大電壓。

附圖說明

圖1-圖4分別為4種集成雙維電極的帶非常規(guī)邊緣的微三維軸對稱振動傳感器的截面示意圖；

圖5a-圖5f分別為6種微殼體諧振子的截面示意圖；。

圖6是平面電極在基底上的投影圖；

圖7a-圖7e分別為5種非平面電極在基底上的俯視圖或者是非平面電極嵌入基底中的俯視圖。

標號說明：10-微殼體諧振子，12-殼體，14-單端柱，16-空心處，20-非常規(guī)邊緣，22-非常規(guī)邊緣的外側(cè)面，23-殼體外表面與非常規(guī)邊緣的外側(cè)面的連接處，24-非常規(guī)邊緣的內(nèi)側(cè)面，25-殼體內(nèi)表面與非常規(guī)邊緣的內(nèi)側(cè)面的連接處，26-非常規(guī)邊緣的底面，27-非常規(guī)邊緣在基底的投影，32-外電極，34-內(nèi)電極，40-基底，42-基底的主體部分，44-導(dǎo)電通孔，50-非平面電極，52-工作電極，52a-非平面電極外邊沿，52b-非平面電極內(nèi)邊沿，54-環(huán)形激勵電極，56-隔離電極，60-導(dǎo)電粘附層，62-隔離粘附層，70-導(dǎo)電引出層，72-第一引出層，74-第二引出層，100-集成雙維電極的帶非常規(guī)邊緣的微三維軸對稱振動傳感器。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。下列實施例僅用于說明本發(fā)明，但并不用來限定本發(fā)明的實施范圍。

集成雙維電極的帶非常規(guī)邊緣的微三維軸對稱振動傳感器100，包括微殼體諧振子10、雙維電極和基底40，所述微殼體諧振子10包括殼體12、單端柱14和非常規(guī)邊緣20，所述單端柱14位于殼體12的內(nèi)部中心軸處，單端柱14的底部與非常規(guī)邊緣20的底部齊平，所述雙維電極包括平面電極和非平面電極50，所述平面電極用于感應(yīng)微殼體諧振子10的徑向運動，所述非平面電極50用于感應(yīng)微殼體諧振子10的軸向運動，且非平面電極50位于非常規(guī)邊緣20的下方，所述基底40中嵌有導(dǎo)電通孔44，基底40的背面設(shè)有導(dǎo)電引出層70，單端柱14的底部通過導(dǎo)電粘附層60與導(dǎo)電通孔44連接，且導(dǎo)電通孔44通過導(dǎo)電引出層70引出。

作為優(yōu)選方案，微殼體諧振子10的材質(zhì)為無定形材料、鐵鎳合金、單一氧化物和多氧化物混合物中的一種。所述無定形材料包括硼硅酸鹽玻璃、石英玻璃、超低膨脹系數(shù)玻璃鈦硅酸鹽玻璃、金屬玻璃等。所述氧化物包括氧化鋁、63hfo2·37tio2、hfo2·wo3·ta2o5、al2o3·tio2、55ta2o5·45wo3、37ta2o5·63wo3等。所述鐵鎳合金為由鐵、鎳和其他少量成分組成的鐵鎳合金，包括因瓦合金、超因瓦合金、熱膨脹系數(shù)極小的低膨脹鐵鎳合金carpertersuperinvar32-5。

作為優(yōu)選方案，微殼體諧振子10直徑小于10mm。對于直徑大于10mm的微殼體諧振子10，可以采用新型三維mems工藝(發(fā)泡法、玻璃吹制或玻璃模具成型等玻璃成型技術(shù))制備，也可以采用傳統(tǒng)的精密機械加工制備。

作為優(yōu)選方案，所述微殼體諧振子10的深寬比(即高度與半徑的比值)范圍為0.5-1.2。微殼體諧振子10的工作頻率選在3khz-30khz之間。

作為優(yōu)選方案，所述單端柱14的形狀可以是圓柱體，也可以是直徑隨高度變化的軸對稱結(jié)構(gòu)。單端柱4可以是全空心柱、全實心柱、實心柱與空心柱的結(jié)合體中的一種。

作為優(yōu)選方案，所述微殼體諧振子10與基底40的間距小于100um。

作為優(yōu)選方案，所述微殼體諧振子10與平面電極的間距小于100um。

非常規(guī)邊緣20的內(nèi)、外兩側(cè)面24、22中至少有一側(cè)為光滑柱面；當非常規(guī)邊緣20僅內(nèi)側(cè)面24為光滑柱面時，所述平面電極僅包括位于微殼體諧振子10內(nèi)側(cè)的內(nèi)電極34，非常規(guī)邊緣20的內(nèi)側(cè)面24與內(nèi)電極34形成電容；當非常規(guī)邊緣20僅外側(cè)面22為光滑柱面時，所述平面電極僅包括位于微殼體諧振子10外側(cè)的外電極32，非常規(guī)邊緣20的外側(cè)面22與外電極32形成電容；當非常規(guī)邊緣20的內(nèi)、外兩側(cè)面24、22均為光滑柱面時，所述平面電極包括位于微殼體諧振子10內(nèi)側(cè)的內(nèi)電極34和位于微殼體諧振子10外側(cè)的外電極32，非常規(guī)邊緣20的內(nèi)側(cè)面24與內(nèi)電極34形成電容，非常規(guī)邊緣20的外側(cè)面22與外電極32形成電容。

圖1是一種集成雙維電極的帶非常規(guī)邊緣的微三維軸對稱振動傳感器的截面示意圖。非平面電極50設(shè)置在基底40表面。導(dǎo)電粘附層60和導(dǎo)電引出層70的材料為導(dǎo)電材料，但導(dǎo)電粘附層60的材料選擇傾向于粘附性更好的材料。導(dǎo)電通孔44在基底40背面通過導(dǎo)電引出層70實現(xiàn)電引出，導(dǎo)電引出層70包括第一引出層72和第二引出層74，其中第一引出層72的材料除了導(dǎo)電還有較強的粘附作用，比如金屬鉻、鈦。非常規(guī)邊緣20內(nèi)、外側(cè)面24、22均為光滑柱面，相應(yīng)地，有外電極32和內(nèi)電極34。單端柱14有空心處16。

圖2是另一種集成雙維電極的帶非常規(guī)邊緣的微三維軸對稱振動傳感器的截面示意圖。與圖1的區(qū)別在于非平面電極50嵌入在基底40中，成為基底40的一部分。

圖3是另一種集成雙維電極的帶非常規(guī)邊緣的微三維軸對稱振動傳感器的截面示意圖。與圖1的區(qū)別在于非常規(guī)邊緣20只有內(nèi)側(cè)面24為光滑柱面，相應(yīng)地，只有內(nèi)電極34。

圖4是另一種集成雙維電極的帶非常規(guī)邊緣的微三維軸對稱振動傳感器的截面示意圖。與圖1的區(qū)別在于非常規(guī)邊緣20只有外側(cè)面22為光滑柱面，相應(yīng)地，只有外電極32。

圖5a為一種微殼體諧振子的截面示意圖，非常規(guī)邊緣20的內(nèi)、外側(cè)面24、22均為光滑柱面，殼體12外表面與非常規(guī)邊緣20的外側(cè)面22的連接處23曲率不連續(xù)，殼體12內(nèi)表面與非常規(guī)邊緣20的內(nèi)側(cè)面24的連接處25曲率不連續(xù)。

圖5b為另一種微殼體諧振子的截面示意圖，非常規(guī)邊緣20僅內(nèi)側(cè)面24為光滑柱面，殼體12內(nèi)表面與非常規(guī)邊緣20的內(nèi)側(cè)面24的連接處25曲率不連續(xù)。

圖5c為另一種微殼體諧振子的截面示意圖，非常規(guī)邊緣20僅外側(cè)面22為光滑柱面，殼體12外表面與非常規(guī)邊緣20的外側(cè)面22的連接處23曲率不連續(xù)。

圖5d為另一種微殼體諧振子的截面示意圖，非常規(guī)邊緣20的內(nèi)、外側(cè)面24、22均為光滑柱面，殼體12外表面與非常規(guī)邊緣20的外側(cè)面22的連接處23曲率連續(xù)，殼體12內(nèi)表面與非常規(guī)邊緣20的內(nèi)側(cè)面24的連接處25曲率連續(xù)。

圖5e為另一種微殼體諧振子的截面示意圖，非常規(guī)邊緣20僅內(nèi)側(cè)面24為光滑柱面，殼體12內(nèi)表面與非常規(guī)邊緣20的內(nèi)側(cè)面24的連接處25曲率連續(xù)。

圖5f為另一種微殼體諧振子的截面示意圖，非常規(guī)邊緣20僅外側(cè)面22為光滑柱面，殼體12外表面與非常規(guī)邊緣20的外側(cè)面22的連接處23曲率連續(xù)。

圖5a-f表現(xiàn)了五種微殼體諧振子10的非常規(guī)邊緣20的變化，在以上基礎(chǔ)上不脫離圖中的基本準則的情況下，非常規(guī)變化可以產(chǎn)生多種變化，如殼體的外、內(nèi)表面與非常規(guī)邊緣的外側(cè)面、內(nèi)側(cè)面的連接處可以一個的曲率連續(xù)，一個的曲率不連續(xù)。

圖6為平面電極在基底上的投影圖。平面電極可以是本身導(dǎo)電的圓環(huán)柱體，也可以在圓環(huán)柱體對應(yīng)微殼體諧振子10的曲面上的鍍一層很薄的導(dǎo)體(如金屬)。平面電極包括內(nèi)電極和外電極，每個電極包括8個工作子電極32.1-32.8、34.1-34.8，但并不僅限于8個，4個、12個、16個、20個、24個等其他4n個也可以。

圖7a為一種非平面電極在基底上的投影圖。該圖可以表示基底40上有八個一般工作電極52(包括52.1-52.8)；八個一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于基底40上，且中心對稱；圖7a也可以表示基底40嵌入有八個一般工作電極52(包括52.1-52.8)；八個一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于基底40中，且中心對稱?；?0中的導(dǎo)電通孔44在圖中未標出。

圖7b為另一種非平面電極在基底上的投影圖。該圖可以表示基底40上有八個一般工作電極52(包括52.1-52.8)；八個一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于基底40上，且中心對稱；導(dǎo)電粘附層60延伸至相鄰的一般工作電極52之間，形成隔離粘附層62。圖7b也可以表示基底40嵌入有八個一般工作電極52(包括52.1-52.8)；八個一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于基底40中，且中心對稱；在隔離粘附層62下可以有一個俯視圖形狀一樣的導(dǎo)電通孔，用于隔離一般工作電極52?；?0中的導(dǎo)電通孔44在圖中未標出。

圖7c為另一種非平面電極在基底上的投影圖。該圖可以表示基底40上有八個一般工作電極52(包括52.1-52.8)和一個隔離電極56；八個一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于基底40上，且中心對稱；隔離電極56位于一般工作電極52的兩兩之間，且隔離電極56向內(nèi)延伸并相交。圖7c也可以表示基底40嵌入有八個的一般工作電極52(包括52.1-52.8)和一個隔離電極56；八個一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于基底40中，且中心對稱；隔離電極56位于一般工作電極52的兩兩之間，且隔離電極56向內(nèi)延伸并相交?；?0中的導(dǎo)電通孔44在圖中未標出。

圖7d為另一種非平面電極在基底上的投影圖。該圖可以表示基底40上有八個一般工作電極52(包括52.1-52.8)和一個隔離電極56；八個一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于基底40上，且中心對稱；隔離電極56包圍每個一般工作電極52，并將每個一般工作電極52隔離開來，但隔離電極56與一般工作電極52有一定的間距。圖7d也可以表示基底40嵌入有八個一般工作電極52(包括52.1-52.8)和一個隔離電極56；八個一般工作電極52的形狀均為扇形圓環(huán)，并均勻分布于基底40中，且中心對稱；隔離電極56包圍每個一般工作電極52，并將每個一般工作電極52隔離開來，但隔離電極56與一般工作電極52有一定的間距?；?0中的導(dǎo)電通孔44在圖中未標出。

圖7e為另一種非平面電極在基底上的投影圖。該圖可以表示基底40上有十六個一般工作電極52(包括52.1.1-52.8.1及52.1.2-52.8.2)和一個環(huán)形激勵電極54；其中，八個一般工作電極52.1.1-52.8.1、八個一般工作電極52.1.2-52.8.2分別圍成兩個圓環(huán)形，環(huán)形激勵電極54位于這兩個圓環(huán)形之間。圖7e可以表示基底40嵌入有十六個一般工作電極52(包括52.1.1-52.8.1及52.1.2-52.8.2)和一個環(huán)形激勵電極54；其中，八個一般工作電極52.1.1-52.8.1、八個一般工作電極52.1.2-52.8.2分別圍成兩個圓環(huán)形，環(huán)形激勵電極54位于這兩個圓環(huán)形之間?；?0中的導(dǎo)電通孔44在圖中未標出。

圖7a-e中非平面電極50中的一般工作電極52數(shù)量不僅限于8個，4個、12個、16個、20個、24個等其他4n個也可以。圖7a-e中僅僅表現(xiàn)了五種非平面電極，在以上基礎(chǔ)上在不脫離圖中基本準則的情況下，非平面電極可以產(chǎn)生多種變化。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。