具有抗冲击能力的壳体谐振器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有抗冲击能力的壳体谐振器，其包括一个半球谐振子；一个封装和垂直互连的基底；多个嵌入基底的非平面电极；一个用于真空封装的玻璃封装壳盖；半球谐振子由壳体、位于壳体内部中心轴处的自对准柱子组成，半球谐振子内表面涂有一层导电层，通过一层导电包裹层与引出结构连接引出；基底嵌入有多个非平面电极；引出结构和多个非平面电极在基底背面通过导电引出层引线引出；基底与玻璃封装壳盖通过键合实现真空封装。本发明的半球谐振子直径尺寸在1mm?30mm。本发明能够实现壳体谐振器的真空封装和垂直互连，同时提高环境鲁棒性和抗冲击能力。
【专利说明】
具有抗冲击能力的壳体谐振器
技术领域
[0001]本发明涉及一种振动谐振器，具体地涉及具有抗冲击能力的壳体谐振器。
【背景技术】
[0002]发明专利“微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法”(专利申请号:201510963681.6)提出了一种利用热发泡工艺制备高深宽比的微玻璃半球谐振子，本发明专利申请可视为发明专利“微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法”的延续与拓展。
[0003]微半球谐振陀螺由于其结构的特殊性和优异的特性，有望实现惯性级性能。目前多家单位正在研制微半球谐振陀螺，利用新颖的三维制备技术或硅基表面加工技术，以实现半球谐振陀螺的微型化和批量制备，通过设计和制备工艺的改进实现半球谐振陀螺的高性能。这些研究大体可分为两大类:表面薄膜沉积技术和塑性成型技术。表面薄膜沉积技术主要特征在于将结构材料沉积在半球或类半球腔表面上(或表面牺牲层上)；塑性成型技术主要特征在于在高温环境下利用表面张力将软化的无定形材料成型为带柱子的半球壳或类半球壳结构。第一类技术的难点在于半球或类半球腔的制备，半球谐振陀螺要求极高的对称性，具体表现在壳体的半径、厚度、密度、杨氏模量等在圆周方向高度一致，而硅基表面加工技术的精度在10—2-10—4，因此需进一步改进加工技术提高半球壳的对称性，同时改进设计降低半球谐振陀螺对高对称性的敏感性。第二类技术的难点在于无定形材料的加工技术，如在高温处理无定形材料后结构的释放、金属化。除此之外，电极的一体化制备或组装以及真空封装均是设计和制备上的难点。
[0004]在实现低成本、小尺寸、轻重量和低功耗的基础上，惯导级性能的半球谐振陀螺主要应用在两种平台:高动态平台和长期工作平台。无论应用在军事领域或民用领域，半球谐振陀螺均需提高环境鲁棒性和抗冲击能力。外界环境干扰振动通常在5Hz-5kHz范围内，而抗冲击能力要求大于20000g甚至50000g。这种情况下，半球谐振陀螺的工作频率需大于5kHz ;同时由于半球谐振陀螺与衬底的唯一连接部分为柱子部分，因此在设计上需解耦柱子振动、环境干扰振动与壳体工作振动。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有抗冲击能力的壳体谐振器，实现半球谐振陀螺的真空封装和垂直互连，同时提高环境鲁棒性和抗冲击能力。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0007]—种具有抗冲击能力的壳体谐振器，包括:
[0008]—个半球谐振子；
[0009]一个封装和垂直互连的基底；
[0010]多个嵌入基底的非平面电极；
[0011 ] 一个用于真空封装的玻璃封装壳盖；
[0012]其中，所述半球谐振子由壳体、位于壳体内部中心轴处的自对准柱子组成，壳体的内表面、自对准柱子的表面均涂有一层导电层;所述自对准柱子插入所述封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层与引出结构连接引出；所述封装和垂直互连的基底中嵌入有多个非平面电极，多个非平面电极包括驱动检测电极，其中包含偶数个驱动电极、偶数个检测电极;所述引出结构和多个非平面电极在封装和垂直互连的基底背面通过导电引出层引出；所述用于真空封装的玻璃封装壳盖通过键合的方式与封装和垂直互连的基底真空封装，并在真空封装后的腔室内放置有吸气剂。
[0013]进一步的，多个非平面电极中还包括一个环形激励电极。
[0014]进一步的，所述半球谐振子由热发泡工艺制备而成;所述半球谐振子直径范围为;所述半球谐振子的结构材料为无定形材料，所述无定形材料为硼娃酸盐玻璃、石英玻璃、超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃或金属玻璃的一种;所述半球谐振子的壳体厚度从圆周处到极点沿经度方向减小，壳体圆周处的厚度范围为20um-800um;所述半球谐振子的深宽比范围为0.5-1.5;所述半球谐振子在基底上的投影区域在非平面电极内边沿和外边沿之间；涂在壳体的内表面的导电层材料为半导体材料或金属材料，导电层厚度范围为Inm-1OOnm0
[0015]进一步的，所述半球谐振子的壳体的端部设置有缘边，缘边内表面也涂有导电层，缘边厚度和长度范围均为50um-800umo
[0016]进一步的，所述自对准柱子表面的导电层的材料与壳体内表面的导电层材料一致，导电层厚度范围为Inm-1OOnm;所述自对准柱子插入封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层与引出结构连接引出或直接插入至基底底部;所述自对准柱子插入基底中的深度大于50um或等于基底厚度。
[0017]进一步的，所述封装和垂直互连的基底为复合型基底，由电极部分和主体部分组成，或者由电极部分、引出结构和主体部分组成，主体部分的材料为硅或玻璃;所述封装和垂直互连的基底嵌入有多个非平面电极和引出结构;所述引出结构为圆柱体、长方柱或带扇形柱的圆柱体;所述引出结构材料为导电材料，所述导电材料为高掺杂导电硅、因瓦合金、金属或金属玻璃的一种;所述引出结构的尺寸大于自对准柱子，尺寸范围为100um-5mm。
[0018]进一步的，所述多个嵌入基底的非平面电极的材料为导电材料，所述导电材料为高掺杂导电娃、因瓦合金、金属或金属玻璃的一种；多个驱动检测电极为扇形圆环，并中心对称。
[0019]进一步的，所述用于真空封装的玻璃封装壳盖由热发泡工艺制备而成;所述玻璃封装壳盖结构材料的热膨胀系数与基底主体部分材料的热膨胀系数匹配;所述玻璃封装壳盖的直径大于所述半球谐振子的直径;所述玻璃封装壳盖的高度大于所述半球谐振子的高度;所述玻璃封装壳盖与基底直接键合或通过一层中间层键合实现真空封装。
[0020]进一步的，所述多个嵌入基底的非平面电极与半球谐振子的间距范围为Ium-500um，最佳间距由半球谐振子尺寸和真空封装后的真空度决定。
[0021 ]进一步的，所述吸气剂在真空封装前放入，吸气剂在玻璃封装壳盖上或在基底上，实现键合后进行激活。
[0022]本发明的有益效果是:本发明采用了热发泡法圆片级制备尺寸lmm-30mm量级的半球谐振子，降低了半球谐振子的加工难度;本发明实现了真空封装和垂直引出。
[0023]与现有技术相比，本发明具有如下优势:
[0024]1.本发明可实现较高的真空度，降低能量损耗，提高器件的性能；
[0025]2.自对准柱子插入基底里，提高了半球谐振子的环境鲁棒性和抗冲击能力；
[0026]3.半球谐振子采用无定形材料，可选用超低膨胀系数材料，可实现高品质因子，提尚器件性能；
[0027]4.本发明采用直接真空封装方式，可采用第二次真空封装，采用两级真空封装，实现低气体泄露率；
[0028]5.采用非平面电极，降低了电极组装的难度。
【附图说明】
[0029]图1a-图1e是实施例1所述的壳体谐振器的截面图:图1a是壳体谐振器真空封装后整体结构截面示意图，图1b是整体结构截面图1a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图一，图1c是整体结构截面图1a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图二，图1d是整体结构截面图1a局部III半球谐振子自对准柱子与基底连接处截面示意图一，图1e是整体结构截面图1a局部III半球谐振子自对准柱子与基底连接处截面示意图二；
[0030]图2a_图2e是实施例2所述的壳体谐振器的截面图:图2a是壳体谐振器真空封装后整体结构截面示意图，图2b是整体结构截面图2a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图一，图2c是整体结构截面图2a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图二，图2d是整体结构截面图2a局部III半球谐振子自对准柱子与基底连接处截面示意图一，图2e是整体结构截面图2a局部III半球谐振子自对准柱子与基底连接处截面示意图二；
[0031]图3a_图3c是实施例3所述的壳体谐振器的截面图:图3a是壳体谐振器真空封装后整体结构截面示意图，图3b是整体结构截面图3a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图一，图3c是整体结构截面图3a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图二；
[0032]图4a_图4c是实施例4所述的壳体谐振器的截面图:图4a是壳体谐振器真空封装后整体结构截面示意图，图4b是整体结构截面图4a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图一，图4c是整体结构截面图4a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图二；
[0033]图5是图1-图4中的线1-1上的基底水平截面俯视图，图5为基底结构的一种方案，反应基底主体部分材料为E6.4的结构材料:图5a是对应图la、图lb(图中未标出线1-1)、图2b(图中未标出线1-1)、图3a、图3b(图中未标出线1-1)、图4b(图中未标出线1-Ι)基底水平截面俯视图，图5a是电极设计的一种方案；图5b是对应图1c (图中未标出线1-1 )、图2a、图2c(图中未标出线1-1)、图3c(图中未标出线1-1)、图4a、图4c(图中未标出线1-Ι)基底水平截面俯视图，图5b是电极设计的另一种方案；
[0034]图6是对应图5的另外一种基底水平截面俯视图，图6为基底结构的另一种方案，反应基底主体部分材料为E6.1的结构材料:图6a对应图5a，在图1 -图4中未图示出这种结构；图6b对应图5b，在图1-图4中未图示出这种结构；
[0035]图7为带缘边5的半球谐振子的谐振频率仿真结果图:图7a为缘边5的长度为200um时半球谐振子的谐振频率随缘边5的厚度变化的趋势图，图7b为缘边5的厚度为10um时半球谐振子的谐振频率随缘边5的长度变化的趋势图；
[0036]图中，1-壳体，2-自对准柱子，3-自对准柱子空心处，4-导电包裹层，5-缘边，6-半球谐振子内表面导电层，Cl-玻璃封装壳盖壳体部分，C2-玻璃封装壳盖平面部分;El-环形激励电极，E2-驱动检测电极，E4-引出结构，E6.1-电极外围部分，E6.2-电极间的部分，E6.3-电极内围部分，E6.4-基底主体部分，E8-第一基底导电引出层，ElO-第二基底导电引出层。
【具体实施方式】
[0037]下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
[0038]下述实施例中所述的超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃为含二氧化钛的玻璃T12+Si〇2具体型号为Titanium silicate glass ULE?，其热膨胀系数小于 15ppb/°C (5_35°C );超低热膨胀系数指热膨胀系数小于lppm/°C或10—6/°C。
[0039]实施例1
[0040]如图1a-图1e所示，本实例提供的具有抗冲击能力的壳体谐振器，包括:
[0041]—个半球谐振子；
[0042]一个封装和垂直互连的基底；
[0043]多个嵌入基底的非平面电极；
[0044]一个用于真空封装的玻璃封装壳盖；
[0045]其中，所述半球谐振子由壳体I和位于壳体I内部中心轴处的自对准柱子2组成，壳体I的内表面和自对准柱子2的表面均涂有一层导电层6;所述自对准柱子2插入封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层4与引出结构E4连接引出；所述封装和垂直互连的基底嵌入有多个非平面电极，其中包含驱动检测电极E2和一个环形激励电极El(也可以不设置环形激励电极El)，其中驱动检测电极E2包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极;所述引出结构E4和多个非平面电极在封装和垂直互连的基底背面通过第一基底导电引出层ES和第一基底导电引出层ElO引出；所述用于真空封装的玻璃封装壳盖C由玻璃封装壳盖壳体部分Cl和玻璃封装壳盖平面部分C2组成，并通过键合的方式实现与封装和垂直互连的基底的真空封装;所述真空封装后的腔室在真空封装前放入吸气剂。
[0046]半球谐振子由热发泡工艺制备而成;所述半球谐振子直径范围为lmm-30mm，优选直径范围为2mm-10_ ；所述半球谐振子的结构材料为无定形材料，包括硼娃酸盐玻璃、石英玻璃、超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃、金属玻璃等，优选材料为石英玻璃和超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃;所述半球谐振子壳体I厚度从圆周处到极点沿经度方向减小，圆周处壳体I厚度范围为20um-800um，优选值随半球谐振子直径变化;所述半球谐振子的深宽比范围为0.5-1.5，优选值为0.7-1.1；所述半球谐振子在基底上的投影区域在非平面电极内边沿和外边沿之间;所述半球谐振子的内表面涂有一层导电层6，导电层6材料可为半导体材料、金属材料或其他导电材料，包括Au、Ir、W、Al203/W/Al203、Cr、Cr/Au、T1、Pt、TiN、63Hf02.37Ti02、HfO2.WO3.Ta205、Al203.Ti02、55Ta205.45TO3、37Ta205.63W03、Zn0/Ag/Zn0、Sn0x/Ag/Sn0x、Ti02/Ag/Ti0、TO3/Ag/Mo0、Mo03/Ag/Mo0、Nb205/Ag/Nb20、Zn0/Cu/Zn0 和 AZO/Mo/AZO等，导电层6厚度范围为lnm-100nm，优选值为5nm-50nmo
[0047]自对准柱子2表面涂有一层导电层6，导电层材料与壳体I内表面的导电层6材料一致，导电层6厚度范围为Inm-lOOnm，优选值为5nm-50nm;所述自对准柱子2插入封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层4与引出结构E4连接直接插入至基底底部;所述自对准柱子2插入基底中的深度大于50um或等于基底的厚度。
[0048]封装和垂直互连的基底为复合型基底，由电极部分和主体部分组成，或者由电极部分、引出结构和主体部分组成，主体部分的材料为硅或玻璃;所述封装和垂直互连的基底嵌入有多个对称非平面电极和引出结构;所述引出结构E4为圆柱体、长方柱或带扇形柱的圆柱体，优选圆柱体;所述引出结构E4材料为导电材料，包括高掺杂导电硅、因瓦合金、金属或金属玻璃等，优选材料为高掺杂导电硅;所述引出结构E4尺寸大于自对准柱子2，尺寸范围为100um-5mm，优选值由半球谐振子直径和自对准柱子2尺寸决定。
[0049]多个嵌入基底的非平面电极材料为导电材料，包括高掺杂导电娃、因瓦合金、金属或金属玻璃等，优选材料为高掺杂导电硅;多个驱动检测电极E2为扇形圆环，并中心对称。
[0050]用于真空封装的玻璃封装壳盖C由热发泡工艺制备而成;所述玻璃封装壳盖C结构材料的热膨胀系数与基底主体部分材料的热膨胀系数匹配;所述玻璃封装壳盖C的直径大于所述半球谐振子的直径;所述玻璃封装壳盖C的高度大于所述半球谐振子的高度;所述玻璃封装壳盖C与基底直接键合或通过一层中间层(未图示)键合实现真空封装。
[0051]多个嵌入基底的非平面电极与半球谐振子的间距范围为lym-500Um，最佳间距由半球谐振子尺寸和真空封装后的真空度决定。
[0052]吸气剂(未图示)在真空封装前放入，吸气剂(未图示)可以在玻璃封装壳盖C上或在基底上，实现键合后进彳T激活。
[0053]图1a-图1e是壳体谐振器的截面图；其中，图1a是壳体谐振器真空封装后整体结构截面示意图，图1b是整体结构截面图1a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图一，对应图5a;图1c是整体结构截面图1a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图二，对应图5b;图1d是整体结构截面图1a局部III半球谐振子自对准柱子与基底连接处截面示意图一，自对准柱子2插入基底中但未到达基底底部；图1e是整体结构截面图1a局部III半球谐振子自对准柱子与基底连接处截面示意图二，自对准柱子2插入至基底底部。
[0054]图5是图1中的线1-1上的基底水平截面俯视图，图5为基底结构的一种方案，反应基底主体部分材料为E6.4的结构材料，如硅；图5a是电极设计的一种方案，图中E2.1-E2.8为嵌入基底的八个驱动检测电极；图5b是电极设计的另一种方案，图中El为环形激励电极，图中E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2为嵌入基底的八组驱动检测电极；电极如上述可有多种设计方案，可设计为8个驱动检测电极E2.1-E2.8，8组驱动检测电极E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2和1个环形激励电极E1，12个驱动检测电极E2.1-E2.12，12组驱动检测电极E2.1.1、E2.1.2-E2.12.1、E2.12.2和1个环形激励电极E1，16个驱动检测电极E2.1-E2.16，16组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.16.1、E2.16.2和I个环形激励电极El，24个驱动检测电极E2.1-E2.24，24组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.24.1、E2.24.2和I个环形激励电极El，32个驱动检测电极E2.1-E2.32，32组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.32.1、E2.32.2和I个环形激励电极EI，36个驱动检测电极E2.1-E2.36，36组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.36.1、E2.36.2和I个环形激励电极EI，48个驱动检测电极E2.1-E2.48，48组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.48.1、E2.48.2和I个环形激励电极El，64个驱动检测电极E2.1-E2.64，64组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.64.1、E2.64.2和I个环形激励电极EI ；所述多个驱动检测电极E2为扇形圆环，并中心对称。
[0055]图6是对应图5的另外一种基底水平截面俯视图，图6为基底结构的另一种方案，反应基底主体部分材料为E6.1的结构材料，如硼硅酸盐玻璃；图5&是电极设计的一种方案，图中E2.1-E2.8为嵌入基底的八个驱动检测电极；图5b是电极设计的另一种方案，图中El为环形激励电极，图中E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2为嵌入基底的八组驱动检测电极;电极如上述也可有多种设计方案。
[0056]实施例2
[0057]如图2a_图2e所示，本实例提供的具有抗冲击能力的壳体谐振器，包括:
[0058]一个半球谐振子；
[0059]一个封装和垂直互连的基底；
[0060]多个嵌入基底的非平面电极；
[0061]—个用于真空封装的玻璃封装壳盖；
[0062]其中，所述半球谐振子由壳体1、缘边5和位于壳体I内部中心轴处的自对准柱子2组成，壳体I的内表面和自对准柱子2的表面涂有一层导电层6;所述自对准柱子2插入封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层4与引出结构E4连接引出；所述封装和垂直互连的基底嵌入有多个非平面电极，其中包含驱动检测电极E2和一个环形激励电极El(也可以不设置环形激励电极El)，其中驱动检测电极E2包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极;所述引出结构E4和多个非平面电极在封装和垂直互连的基底背面通过第一基底导电引出层ES和第一基底导电引出层ElO引出；所述用于真空封装的玻璃封装壳盖C通过键合的方式实现与封装和垂直互连的基底的真空封装;所述真空封装后的腔室在真空封装前放入吸气剂。
[0063]半球谐振子由热发泡工艺制备而成;所述半球谐振子直径范围为lmm-30mm，优选直径范围为2mm-10_ ；所述半球谐振子的结构材料为无定形材料，包括硼娃酸盐玻璃、石英玻璃、超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃、金属玻璃等，优选材料为石英玻璃和超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃;所述半球谐振子壳体I厚度从圆周处到极点沿经度方向减小，圆周处壳体I厚度范围为20um-800um，优选值随半球谐振子直径变化;所述半球谐振子的深宽比范围为0.5-1.5，优选值为0.7-1.1；所述半球谐振子在基底上的投影区域在非平面电极内边沿和外边沿之间；所述半球谐振子有缘边5，缘边厚度和长度范围为50um-800um;所述半球谐振子的内表面涂有一层导电层6，导电层6材料可为半导体材料、金属材料或其他导电材料，包括Au、Ir、W、Al203/W/Al203、Cr、Cr/Au、T1、Pt、TiN、63HfO2.37Ti02、HfO2.WO3.Ta2O5'Al2O3.Ti02、55Ta205.45TO3、37Ta205.63TO3、Zn0/Ag/Zn0、Sn0x/Ag/Sn0x、Ti02/Ag/Ti0、TO3/Ag/Mo0、Mo03/Ag/Mo0、Nb205/Ag/Nb20、Zn0/Cu/Zn0 和 AZO/Mo/AZO 等，导电层 6厚度范围为lnm-100nm，优选值为5nm_50nmo
[0064]自对准柱子2表面涂有一层导电层6，导电层材料与壳体I内表面的导电层6材料一致，导电层6厚度范围为Inm-lOOnm，优选值为5nm-50nm;所述自对准柱子2插入封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层4与引出结构E4连接引出或直接插入至基底底部;所述自对准柱子2插入基底中的深度大于50um或等于基底的厚度。
[0065]封装和垂直互连的基底为复合型基底，由电极部分和主体部分组成，或者由电极部分、引出结构和主体部分组成，主体部分材料为娃或玻璃;所述封装和垂直互连的基底嵌入有多个对称非平面电极和引出结构;所述引出结构E4为圆柱体、长方柱或带扇形柱的圆柱体，优选圆柱体;所述引出结构E4材料为导电材料，包括高掺杂导电硅、因瓦合金、金属或金属玻璃等，优选材料为高掺杂导电硅;所述引出结构E4尺寸大于自对准柱子2，尺寸范围为100um-5mm，优选值由半球谐振子直径和自对准柱子2的尺寸决定。
[0066]多个嵌入基底的非平面电极材料为导电材料，包括高掺杂导电娃、因瓦合金、金属或金属玻璃等，优选材料为高掺杂导电硅;所述多个嵌入基底的非平面电极包括偶数个或偶数组驱动检测电极，还所述多个驱动检测电极E2为扇形圆环，并中心对称。
[0067]用于真空封装的玻璃封装壳盖C由热发泡工艺制备而成;所述玻璃封装壳盖C结构材料的热膨胀系数与基底主体部分材料的热膨胀系数匹配;所述玻璃封装壳盖C的直径大于所述半球谐振子的直径;所述玻璃封装壳盖C的高度大于所述半球谐振子的高度;所述玻璃封装壳盖C与基底直接键合或通过一层中间层(未图示)键合实现真空封装。
[0068]多个嵌入基底的非平面电极与半球谐振子的间距范围为1μπι-500μπι，最佳间距由半球谐振子尺寸和真空封装后的真空度决定。
[0069]吸气剂(未图示)在真空封装前放入，吸气剂(未图示)可以在玻璃封装壳盖C上或在基底上，实现键合后进行激活。
[0070]图2a_图2e是壳体谐振器的截面图；其中，图2a是壳体谐振器真空封装后整体结构截面示意图，图2b是整体结构截面图2a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图一，对应图5a;图2c是整体结构截面图2a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图二，对应图5b;图2d是整体结构截面图2a局部III半球谐振子自对准柱子与基底连接处截面示意图一，自对准柱子2插入基底中但未到达基底底部；图2e是整体结构截面图2a局部III半球谐振子自对准柱子与基底连接处截面示意图二，自对准柱子2插入至基底底部。
[0071]图5是图2中的线1-1上的基底水平截面俯视图，图5为基底结构的一种方案，反应基底主体部分材料为E6.4的结构材料，如硅；图5a是电极设计的一种方案，图中E2.1-E2.8为嵌入基底的八个驱动检测电极；图5b是电极设计的另一种方案，图中El为环形激励电极，图中E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2为嵌入基底的八组驱动检测电极；电极如上述可有多种设计方案，可设计为8个驱动检测电极E2.1-E2.8，8组驱动检测电极E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2和1个环形激励电极E1，12个驱动检测电极E2.1-E2.12，12组驱动检测电极E2.1.1、E2.1.2-E2.12.1、E2.12.2和1个环形激励电极E1，16个驱动检测电极E2.1-E2.16，16组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.16.1、E2.16.2和I个环形激励电极El，24个驱动检测电极E2.1-E2.24，24组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.24.1、E2.24.2和I个环形激励电极El，32个驱动检测电极E2.1-E2.32，32组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.32.1、E2.32.2和I个环形激励电极EI，36个驱动检测电极E2.1-E2.36，36组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.36.1、E2.36.2和I个环形激励电极EI，48个驱动检测电极E2.1-E2.48，48组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.48.1、E2.48.2和I个环形激励电极El，64个驱动检测电极E2.1-E2.64，64组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.64.1、E2.64.2和I个环形激励电极EI ；所述多个驱动检测电极E2为扇形圆环，并中心对称。
[0072]图6是对应图5的另外一种基底水平截面俯视图，图6为基底结构的另一种方案，反应基底主体部分材料为E6.1的结构材料，如硼硅酸盐玻璃；图5&是电极设计的一种方案，图中E2.1-E2.8为嵌入基底的八个驱动检测电极；图5b是电极设计的另一种方案，图中El为环形激励电极，图中E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2为嵌入基底的八组驱动检测电极;电极如上述也可有多种设计方案。
[0073]图7是带缘边5的半球谐振子的谐振频率仿真结果图，仿真的半球谐振子的参数为半径3mm，壳体厚度lOOum，自对准柱子为半径150um的圆柱；图7a为缘边5长度为200um时厚度从50um以50um的步长增加至300um的半球谐振子的各阶谐振频率值；图7b为缘边5厚度为10um时长度从50um以50um的步长增加至400um的半球谐振子的各阶谐振频率值;仿真结果选用工作频率大于5kHz的设计。
[0074]实施例3
[0075]如图3a_图3c所示，本实例提供的具有抗冲击能力的壳体谐振器，包括:
[0076]一个半球谐振子；
[0077]一个封装和垂直互连的基底；
[0078]多个嵌入基底的非平面电极；
[0079]—个用于真空封装的玻璃封装壳盖；
[0080]其中，所述半球谐振子由壳体I和位于壳体I内部中心轴处的自对准柱子2组成，壳体I的内表面和自对准柱子2的表面涂有一层导电层6;所述自对准柱子2插入封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层4与引出结构E4连接引出；所述封装和垂直互连的基底嵌入有多个非平面电极，其中包含驱动检测电极E2和一个环形激励电极El(也可以不设置环形激励电极El)，其中驱动检测电极E2包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极;所述引出结构E4和多个非平面电极在封装和垂直互连的基底背面通过第一基底导电引出层ES和第一基底导电引出层ElO引出;所述用于真空封装的玻璃封装壳盖C通过键合的方式实现与封装和垂直互连的基底的真空封装；所述真空封装后的腔室在真空封装前放入吸气剂(未图示)。
[0081 ] 所述半球谐振子由热发泡工艺制备而成;所述半球谐振子直径范围为lmm-30mm，优选直径范围为2mm-10_ ；所述半球谐振子的结构材料为无定形材料，包括硼娃酸盐玻璃、石英玻璃、超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃、金属玻璃等，优选材料为石英玻璃和超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃;所述半球谐振子壳体I厚度从圆周处到极点沿经度方向减小，圆周处壳体I厚度范围为20um-800um，优选值随半球谐振子直径变化;所述半球谐振子的深宽比范围为0.5-1.5，优选值为0.7-1.1;所述半球谐振子在基底上的投影区域在非平面电极内边沿和外边沿之间；所述半球谐振子的内表面涂有一层导电层6，导电层6材料可为半导体材料、金属材料或其他导电材料，包括Au、Ir、W、Al203/W/Al203、Cr、Cr/Au、T1、Pt、TiN、63Hf02.37Ti02、HfO2.WO3.Ta2O5^l2O3.Ti02、55Ta205.45TO3、37Ta205.63W03、Zn0/Ag/ZnO、SnOx/Ag/SnOx、T i02/Ag/Ti 0、W03/Ag/Mo0、Mo03/Ag/Mo0、Nb205/Ag/Nb20、Zn0/Cu/Zn0 和AZO/Mo/AZO等，导电层6厚度范围为lnm-100nm，优选值为5nm_50nm。
[0082]自对准柱子2表面涂有一层导电层6，导电层材料与壳体I内表面的导电层6材料一致，导电层6厚度范围为Inm-lOOnm，优选值为5nm-50nm;所述自对准柱子2的底部与壳体圆周处齐平;所述自对准柱子2插入封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层4与引出结构E4连接引出；所述自对准柱子2插入基底中的深度大于50um。
[0083]封装和垂直互连的基底为复合型基底，由电极部分和主体部分组成，或者由电极部分、引出结构和主体部分组成，主体部分材料为娃或玻璃;所述封装和垂直互连的基底嵌入有多个非平面电极和引出结构E4;所述引出结构E4为圆柱体、长方柱或带扇形柱的圆柱体，优选圆柱体;所述引出结构E4材料为导电材料，包括高掺杂导电硅、因瓦合金、金属或金属玻璃等，优选材料为高掺杂导电硅;所述引出结构E4尺寸大于自对准柱子2，尺寸范围为100um-5mm，优选值由半球谐振子直径和自对准柱子2尺寸决定。
[0084]多个嵌入基底的非平面电极与所述引出结构E4齐平;所述多个嵌入基底的非平面电极材料为导电材料，包括高掺杂导电硅、因瓦合金、金属或金属玻璃等，优选材料为高掺杂导电硅;多个驱动检测电极E2为扇形圆环，并中心对称。
[0085]用于真空封装的玻璃封装壳盖C由热发泡工艺制备而成;所述玻璃封装壳盖C结构材料的热膨胀系数与基底主体部分材料的热膨胀系数匹配;所述玻璃封装壳盖C的直径大于所述半球谐振子的直径;所述玻璃封装壳盖C的高度大于所述半球谐振子的高度;所述玻璃封装壳盖C与基底直接键合或通过一层中间层(未图示)键合实现真空封装。
[0086]多个嵌入基底的非平面电极与半球谐振子的间距范围为lum-500um，最佳间距由半球谐振子尺寸和真空封装后的真空度决定。
[0087]吸气剂(未图示)在真空封装前放入，吸气剂(未图示)可以在玻璃封装壳盖C上或在基底上，实现键合后进行激活。
[0088]图3a_图3c是壳体谐振器的截面图；其中，图3a是壳体谐振器真空封装后整体结构截面示意图，图3b是整体结构截面图3a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图一，对应图5a;图3c是整体结构截面图3a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图二，对应图5b ο
[0089]图5是图3中的线1-1上的基底水平截面俯视图，图5为基底结构的一种方案，反应基底主体部分材料为E6.4的结构材料，如硅；图5a是电极设计的一种方案，图中E2.1-E2.8为嵌入基底的八个驱动检测电极；图5b是电极设计的另一种方案，图中El为环形激励电极，图中E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2为嵌入基底的八组驱动检测电极；电极如上述可有多种设计方案，可设计为8个驱动检测电极E2.1-E2.8，8组驱动检测电极E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2和1个环形激励电极E1，12个驱动检测电极E2.1-E2.12，12组驱动检测电极E2.1.1、E2.1.2-E2.12.1、E2.12.2和1个环形激励电极E1，16个驱动检测电极E2.1-E2.16，16组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.16.1、E2.16.2和I个环形激励电极El，24个驱动检测电极E2.1-E2.24，24组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.24.1、E2.24.2和I个环形激励电极El，32个驱动检测电极E2.1-E2.32，32组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.32.1、E2.32.2和I个环形激励电极EI，36个驱动检测电极E2.1-E2.36，36组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.36.1、E2.36.2和I个环形激励电极EI，48个驱动检测电极E2.1-E2.48，48组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.48.1、E2.48.2和I个环形激励电极El，64个驱动检测电极E2.1-E2.64，64组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.64.1、E2.64.2和I个环形激励电极EI ；所述多个驱动检测电极E2为扇形圆环，并中心对称。
[0090]图6是对应图5的另外一种基底水平截面俯视图，图6为基底结构的另一种方案，反应基底主体部分材料为E6.1的结构材料，如硼硅酸盐玻璃；图5&是电极设计的一种方案，图中E2.1-E2.8为嵌入基底的八个驱动检测电极；图5b是电极设计的另一种方案，图中El为环形激励电极，图中E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2为嵌入基底的八组驱动检测电极;电极如上述也可有多种设计方案。
[0091 ] 实施例4
[0092]如图4a_图4c所示，本实例提供的具有抗冲击能力的壳体谐振器，包括:
[0093]一个半球谐振子；
[0094]一个封装和垂直互连的基底；
[0095]多个嵌入基底的非平面电极；
[0096]—个用于真空封装的玻璃封装壳盖；
[0097]其中，所述半球谐振子由壳体1、缘边5和位于壳体I内部中心轴处的自对准柱子2组成，壳体I的内表面和自对准柱子2的表面涂有一层导电层6;所述自对准柱子2插入封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层4与引出结构E4连接引出；所述封装和垂直互连的基底嵌入有多个非平面电极，其中包含驱动检测电极E2和一个环形激励电极El(也可以不设置环形激励电极El)，其中驱动检测电极E2包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极;所述引出结构E4和多个非平面电极在封装和垂直互连的基底背面通过第一基底导电引出层ES和第一基底导电引出层ElO引出；所述用于真空封装的玻璃封装壳盖C通过键合的方式实现与封装和垂直互连的基底的真空封装;所述真空封装后的腔室在真空封装前放入吸气剂(未图示)。
[0098]半球谐振子由热发泡工艺制备而成;所述半球谐振子直径范围为lmm-30mm，优选直径范围为2mm-10_ ；所述半球谐振子的结构材料为无定形材料，包括硼娃酸盐玻璃、石英玻璃、超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃、金属玻璃等，优选材料为石英玻璃和超低膨胀系数玻璃钛硅酸盐玻璃;所述半球谐振子壳体I厚度从圆周处到极点沿经度方向减小，圆周处壳体I厚度范围为20um-800um，优选值随半球谐振子直径变化;所述半球谐振子的深宽比范围为0.5-1.5，优选值为0.7-1.1；所述半球谐振子在基底上的投影区域在非平面电极内边沿和外边沿之间；所述半球谐振子有缘边5，缘边厚度和长度范围为50um-800um;所述半球谐振子的内表面涂有一层导电层6，导电层6材料可为半导体材料、金属材料或其他导电材料，包括Au、Ir、W、Al203/W/Al203、Cr、Cr/Au、T1、Pt、TiN、63HfO2.37Ti02、HfO2.WO3.Ta2O5'Al2O3.Ti02、55Ta205.45TO3、37Ta205.63TO3、Zn0/Ag/Zn0、Sn0x/Ag/Sn0x、Ti02/Ag/Ti0、TO3/Ag/Mo0、Mo03/Ag/Mo0、Nb205/Ag/Nb20、Zn0/Cu/Zn0 和 AZO/Mo/AZO 等，导电层 6厚度范围为lnm-100nm，优选值为5nm_50nmo
[0099]自对准柱子2表面涂有一层导电层6，导电层材料与壳体I内表面的导电层6材料一致，导电层6厚度范围为Inm-lOOnm，优选值为5nm-50nm;所述自对准柱子2的底部与壳体圆周处齐平;所述自对准柱子2插入封装和垂直互连的基底中，通过另一层导电包裹层4与引出结构E4连接引出；所述自对准柱子2插入基底中的深度大于50um。
[0100]封装和垂直互连的基底为复合型基底，由电极部分和主体部分组成，或者由电极部分、引出结构和主体部分组成，主体部分材料为娃或玻璃;所述封装和垂直互连的基底嵌入有多个非平面电极和引出结构E4;所述引出结构E4为圆柱体、长方柱或带扇形柱的圆柱体，优选圆柱体;所述引出结构E4材料为导电材料，包括高掺杂导电硅、因瓦合金、金属或金属玻璃等，优选材料为高掺杂导电硅;所述引出结构E4尺寸大于自对准柱子2，尺寸范围为100um-5mm，优选值由半球谐振子直径和自对准柱子2尺寸决定。
[0101]多个嵌入基底的非平面电极与所述引出结构E4齐平;所述多个嵌入基底的非平面电极材料为导电材料，包括高掺杂导电硅、因瓦合金、金属或金属玻璃等，优选材料为高掺杂导电硅;多个驱动检测电极E2为扇形圆环，并中心对称。
[0102]用于真空封装的玻璃封装壳盖C由热发泡工艺制备而成;所述玻璃封装壳盖C结构材料的热膨胀系数与基底主体部分材料、电极部分材料的热膨胀系数匹配;所述玻璃封装壳盖C的直径大于所述半球谐振子的直径;所述玻璃封装壳盖C的高度大于所述半球谐振子的高度;所述玻璃封装壳盖C与基底直接键合或通过一层中间层(未图示)键合实现真空封装。
[0103]多个嵌入基底的非平面电极与半球谐振子的间距范围为lum-500um，最佳间距由半球谐振子尺寸和真空封装后的真空度决定。
[0104]吸气剂(未图示)在真空封装前放入，吸气剂(未图示)可以在玻璃封装壳盖C上或在基底上，实现键合后进彳T激活。
[0105]图4a_图4c是壳体谐振器的截面图；其中，图4a是壳体谐振器真空封装后整体结构截面示意图，图4b是整体结构截面图4a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图一，对应图5a;图4c是整体结构截面图4a局部II半球谐振子圆周处与基底截面示意图二，对应图5b ο
[0106]图5是图4中的线1-1上的基底水平截面俯视图，图5为基底结构的一种方案，反应基底主体部分材料为E6.4的结构材料，如硅；图5a是电极设计的一种方案，图中E2.1-E2.8为嵌入基底的八个驱动检测电极；图5b是电极设计的另一种方案，图中El为环形激励电极，图中E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2为嵌入基底的八组驱动检测电极；电极如上述可有多种设计方案，可设计为8个驱动检测电极E2.1-E2.8，8组驱动检测电极E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2和1个环形激励电极E1，12个驱动检测电极E2.1-E2.12，12组驱动检测电极E2.1.1、E2.1.2-E2.12.1、E2.12.2和1个环形激励电极E1，16个驱动检测电极E2.1-E2.16，16组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.16.1、E2.16.2和I个环形激励电极El，24个驱动检测电极E2.1-E2.24，24组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.24.1、E2.24.2和I个环形激励电极El，32个驱动检测电极E2.1-E2.32，32组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.32.1、E2.32.2和I个环形激励电极EI，36个驱动检测电极E2.1-E2.36，36组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.36.1、E2.36.2和I个环形激励电极EI，48个驱动检测电极E2.1-E2.48，48组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.48.1、E2.48.2和I个环形激励电极El，64个驱动检测电极E2.1-E2.64，64组驱动检测电极E2.I.1、E2.I.2-E2.64.1、E2.64.2和I个环形激励电极EI ；所述多个驱动检测电极E2为扇形圆环，并中心对称。
[0107]图6是对应图5的另外一种基底水平截面俯视图，图6为基底结构的另一种方案，反应基底主体部分材料为E6.1的结构材料，如硼硅酸盐玻璃；图5&是电极设计的一种方案，图中E2.1-E2.8为嵌入基底的八个驱动检测电极；图5b是电极设计的另一种方案，图中El为环形激励电极，图中E2.1.1、E2.1.2-E2.8.1、E2.8.2为嵌入基底的八组驱动检测电极;电极如上述也可有多种设计方案。
[0108]图7是带缘边5的半球谐振子的谐振频率仿真结果图，仿真的半球谐振子的参数为半径3mm，壳体厚度lOOum，自对准柱子为半径150um的圆柱；图7a为缘边5长度为200um时厚度从50um以50um的步长增加至300um的半球谐振子的各阶谐振频率值，图7b为缘边5厚度为10um时长度从50um以50um的步长增加至400um的半球谐振子的各阶谐振频率值，仿真结果选用工作频率大于5kHz的设计。
[0109]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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种具有抗冲击能力的壳体谐振器，其特征在于:包括: 一个半球谐振子； 一个封装和垂直互连的基底； 多个嵌入基底的非平面电极； 一个用于真空封装的玻璃封装壳盖； 其中，所述半球谐振子由壳体、位于壳体内部中心轴处的自对准柱子组成，壳体的内表面、自对准柱子的表面均涂有一层导电层;所述自对准柱子插入所述封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层与引出结构连接引出；所述封装和垂直互连的基底中嵌入有多个非平面电极，多个非平面电极包括驱动检测电极，其中包含偶数个驱动电极、偶数个检测电极；所述引出结构和多个非平面电极在封装和垂直互连的基底背面通过导电引出层引出；所述用于真空封装的玻璃封装壳盖通过键合的方式与封装和垂直互连的基底真空封装，并在真空封装后的腔室内放置有吸气剂。2.如权利要求1所述的具有抗冲击能力的壳体谐振器，其特征在于:多个非平面电极中还包括一个环形激励电极。3.如权利要求1所述的具有抗冲击能力的壳体谐振器，其特征在于:所述半球谐振子由热发泡工艺制备而成;所述半球谐振子直径范围为所述半球谐振子的结构材料为无定形材料，所述无定形材料为硼娃酸盐玻璃、石英玻璃、超低膨胀系数玻璃钛娃酸盐玻璃或金属玻璃的一种;所述半球谐振子的壳体厚度从圆周处到极点沿经度方向减小，壳体圆周处的厚度范围为20um-800um ；所述半球谐振子的深宽比范围为0.5_1.5;所述半球谐振子在基底上的投影区域在非平面电极内边沿和外边沿之间；涂在壳体的内表面的导电层材料为半导体材料或金属材料，导电层厚度范围为Inm-1OOnm04.如权利要求1或3所述的具有抗冲击能力的壳体谐振器，其特征在于:所述半球谐振子的壳体的端部设置有缘边，缘边内表面也涂有导电层，缘边厚度和长度范围均为50um-800umo5.如权利要求1所述的具有抗冲击能力的壳体谐振器，其特征在于:所述自对准柱子表面的导电层的材料与壳体内表面的导电层材料一致，导电层厚度范围为lnm-1 OOnm ；所述自对准柱子插入封装和垂直互连的基底中，通过一层导电包裹层与引出结构连接引出或直接插入至基底底部;所述自对准柱子插入基底中的深度大于50um或等于基底厚度。6.如权利要求1所述的具有抗冲击能力的壳体谐振器，其特征在于:所述封装和垂直互连的基底为复合型基底，由电极部分和主体部分组成，或者由电极部分、引出结构和主体部分组成，主体部分的材料为硅或玻璃;所述封装和垂直互连的基底嵌入有多个非平面电极和引出结构;所述引出结构为圆柱体、长方柱或带扇形柱的圆柱体;所述引出结构材料为导电材料，所述导电材料为高掺杂导电娃、因瓦合金、金属或金属玻璃的一种;所述引出结构的尺寸大于自对准柱子，尺寸范围为100um-5mm。7.如权利要求1所述的具有抗冲击能力的壳体谐振器，其特征在于:所述多个嵌入基底的非平面电极的材料为导电材料，所述导电材料为高掺杂导电硅、因瓦合金、金属或金属玻璃的一种;多个驱动检测电极为扇形圆环，并中心对称。8.如权利要求1所述的具有抗冲击能力的壳体谐振器，其特征在于:所述用于真空封装的玻璃封装壳盖由热发泡工艺制备而成;所述玻璃封装壳盖结构材料的热膨胀系数与基底主体部分材料的热膨胀系数匹配;所述玻璃封装壳盖的直径大于所述半球谐振子的直径；所述玻璃封装壳盖的高度大于所述半球谐振子的高度;所述玻璃封装壳盖与基底直接键合或通过一层中间层键合实现真空封装。9.如权利要求1所述的具有抗冲击能力的壳体谐振器，其特征在于:所述多个嵌入基底的非平面电极与半球谐振子的间距范围为lum-500um，最佳间距由半球谐振子尺寸和真空封装后的真空度决定。10.如权利要求1所述的具有抗冲击能力的壳体谐振器，其特征在于:所述吸气剂在真空封装前放入，吸气剂在玻璃封装壳盖上或在基底上，实现键合后进行激活。
【文档编号】G01C19/56GK106052664SQ201610375804
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】尚金堂, 罗斌, 张瑾
【申请人】东南大学