CN116026297A - 半球谐振陀螺仪及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陀螺仪技术领域，提供一种半球谐振陀螺仪及其封装方法，将熔融石英片采用高温喷灯吹制以形成具有支撑杆的半球谐振子；将半球谐振子通过支撑杆与基板熔合，并在基板上设置导线；采用陶瓷材料分层印制封装侧板和封装顶盖，以烧结封装侧板和封装顶盖使其形成整体结构，并在封装侧板和封装顶盖的整体结构上设置导线；在半球谐振子的表面和封装顶盖的分布电极处通过磁控溅射法进行金属镀膜，从而使半球谐振子与封装顶盖分布电极处形成电容器；将封装侧板和基板通过阳极键合的方式连接在一起，使封装侧板和基板导体连通，实现对半球谐振陀螺仪的晶圆级封装，避免引入杂质、气体至陀螺仪内，保证陀螺仪的真空度和品质因数。

Description

半球谐振陀螺仪及其封装方法

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺仪及其封装方法。

背景技术

半球谐振陀螺仪是利用半球壳唇缘的径向振动驻波进动效应来感测基座旋转的一种哥式振动陀螺。它具有很高的测量精度、超强的稳定性和可靠性，以及具有良好的振动性和抗冲击能力，广泛应用于卫星、空间飞行器和惯导系统，作为惯性测量单元、姿态稳定控制的关键部件。

目前，半球谐振陀螺仪的封装工艺主要采用金属管壳进行平行封焊，在焊接过程中会引入保护气体对焊缝熔池进行保护，以减少其氧化，使得焊缝成型均匀美观。但是引入保护气体难以保证半球谐振陀螺仪封装于高真空环境，进而影响半球谐振陀螺仪的品质因数。

发明内容

本发明提供一种半球谐振陀螺仪及其封装方法，用以解决现有技术中半球谐振陀螺仪封装工艺容易引入杂质气体，难以保证其真空度和精确度的缺陷，实现半球谐振陀螺仪的高质量生产。

本发明提供一种半球谐振陀螺仪的封装方法，包括如下步骤：

将熔融石英片采用高温喷灯吹制以形成具有支撑杆的半球谐振子；

将半球谐振子通过支撑杆与基板熔合，并在基板上设置导线；

采用陶瓷材料分层印制封装侧板和封装顶盖，以烧结封装侧板和封装顶盖使其形成整体结构，并在封装侧板和封装顶盖的整体结构上设置导线；

在半球谐振子的表面和封装顶盖的分布电极处通过磁控溅射法进行金属镀膜，从而使半球谐振子与封装顶盖分布电极处形成电容器；

将封装侧板和基板通过阳极键合的方式连接在一起，使封装侧板和基板导体连通。

在所述基板上开设第一通孔，并向第一通孔内灌注金属材料；

贯穿所述封装侧板和所述封装顶盖开设与所述第一通孔位置相对应的第二通孔，并向所述第二通孔内灌注金属材料，以使所述封装侧板和所述基板通过所述第一通孔和所述第二通孔内的金属材料实现导体连通。

所述第一通孔和所述第二通孔内灌注的金属材料均为金或铝。

所述封装顶盖通过金丝键合或铝丝键合与外部电路连接，以使外部电路驱动半球谐振陀螺仪。

分层印制所述封装侧板和所述封装顶盖时，可加入电阻、电容或导线，以使所述封装侧板与所述基板导体连通，以及使所述封装顶盖与外部电路电性连接。

本发明还提供一种半球谐振陀螺仪，包括：

振动结构，包括基板和半球谐振子，所述半球谐振子的内部设有支撑杆，所述半球谐振子通过所述支撑杆与所述基板连接；

封装壳体，包括封装侧板和封装顶盖，所述封装顶盖设置在所述封装侧板的一端，并与所述封装侧板电性连接；所述封装侧板沿所述基板的周向设置，并与所述基板电性连接，所述半球谐振子位于所述基板、所述封装侧板和所述封装顶盖共同构成的真空腔室内。

所述基板上开设有第一通孔，所述第一通孔内设有金属导体；

所述封装顶盖和所述封装侧板上贯穿开设有第二通孔，所述第二通孔内设置有金属导体，使所述基板和所述封装侧板电性连接。

所述第一通孔和所述第二通孔的结构尺寸以及位置关系均相应。

所述封装顶盖和所述封装侧板的材质均为陶瓷。

所述基板和所述半球谐振子的材质均为石英。

本发明提供的半球谐振陀螺仪的封装方法，采用陶瓷材料分层印制封装侧板和封装顶盖，以烧结封装侧板和封装顶盖使其形成整体结构，并将封装侧板和基板通过阳极键合的方式连接在一起，实现半球谐振陀螺仪的晶圆级封装，该封装过程不涉及其他保护气体参与，能够保证半球谐振陀螺仪封装于高真空环境，进而提高半球谐振陀螺仪的品质因数。以有效解决现有技术半球谐振陀螺仪采用金属管壳进行平行封焊时，引入保护气体对焊缝熔池进行保护，导致半球谐振陀螺仪无法封装于高真空环境的问题。

本发明提供的半球谐振陀螺仪，因采用上述的半球谐振陀螺仪的封装方法制备而成，因此包括上述的所有优势。

附图说明

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。

图1是本发明提供的半球谐振陀螺仪的封装方法的流程示意图；

图2是本发明提供的半球谐振陀螺仪结构示意图；

图3是本发明提供的半球谐振陀螺仪批量化生产的结构布局示意图。

附图标记：

100、振动结构；110、半球谐振子；111、支撑杆；120、基板；121、第一通孔；

200、封装壳体；210、封装侧板；211、第二通孔；220、封装顶盖；

300、晶圆级的熔融石英片；

400、陶瓷片；

具体实施方式

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。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1至图3，对本发明的实施例进行描述。应当理解的是，以下描述仅是本发明的示意性实施方式，并未对本发明构成任何限定。

参阅图1和图2，本发明实施例提供一种半球谐振陀螺仪的封装方法，包括以下步骤：

S1：将熔融石英片采用高温吹制以形成具有支撑杆111的半球谐振子110；

S2：将半球谐振子110通过支撑杆111与基板120熔合，并在基板120上设置导线；

S3：采用陶瓷材料分层印制封装侧板210和封装顶盖220，以烧结封装侧板210和封装顶盖220使其形成整体结构，并在封装侧板210和封装顶盖220的整体结构上设置导线；

S4：在半球谐振子110的表面和封装顶盖220的分布电极处通过磁控溅射法进行金属镀膜，从而使半球谐振子110与封装顶盖220分布电极处形成电容器；

S5：将封装侧板210和基板120通过阳极键合的方式连接在一起，使封装侧板210和基板120导体连通。

可以理解的是，本发明实施例提供的半球谐振陀螺仪的封装方法，采用含有大量碱金属离子的陶瓷材料作为晶圆级封装材料，并将生陶瓷分层印制，也即叠压以形成封装侧板210和封装顶盖220，使封装侧板210和封装顶盖220低温烧结以形成一个整体。最后采用阳极键合的方式将基板以及封装侧板210和封装顶盖220键合在一起。键合后半球谐振子110位于真空腔体内。本发明通过晶圆级封装实现对半球谐振陀螺仪的真空封装与保护，能够有效的减少后续半球谐振陀螺仪组装过程中外界对半球谐振陀螺仪的冲击与损伤，提高半球谐振陀螺仪的品质因素，降低外界电磁干扰对半球谐振陀螺仪驱动与检测信号的影响。

具体地，在步骤S2中，在基板120上设置导线时可以是在基板120上开设第一通孔121，并向第一通孔121内灌注金或铝等金属材料。

在步骤S3中，在封装侧板210和封装顶盖220的整体结构上设置导线时，可以是贯穿封装侧板210和封装顶盖220开设与第一通孔121位置相对应的第二通孔220，并向第二通孔220内灌注金属材料，金属材料可以是金或铝，可以提高其导电性，以使封装侧板210和基板120通过第一通孔121和第二通孔220内的金属材料实现导体连通。

第二通孔220的大小和基板120以及半球谐振子110表面电极PAD点大小一致，实现半球谐振子110与封装侧板210和封装顶盖220的电气连接。

其中，封装顶盖220通过金丝键合或铝丝键合与外部电路连接，以使外部电路驱动半球谐振陀螺仪。

在本发明的一些实施例中，参阅图2，采用熔融石英片通过高温吹制形成具有支撑杆111的晶圆级半球谐振子110，采用熔融石英片通过激光切割形成回字形的基板120，将基板120和半球谐振子110熔合，支撑杆111设置在半球谐振子110内腔以支撑半球谐振子110，采用磁控溅射加工半球谐振子110形成外电极，构成了振动结构100。

使用含有大量碱金属离子的陶瓷片通过激光切割形成回字形的封装侧板210，采用大量碱金属离子的陶瓷片通过激光冲孔技术制成封装顶盖220，封装侧板210和封装顶盖220的厚度可以通过分层印制来控制，也就是多层陶瓷片叠压控制，最后封装侧板210和封装顶盖220低温烧结以形成一个晶圆级封装陶瓷整体。

在封装顶盖220开设若干个第二通孔211并且贯穿封装侧板，在基板120上均匀开设有第一通孔121，第一通孔121和第二通孔211对应，以电性连接，使用金属材料通过丝网印刷或掩膜印刷方式向第二通孔211内灌注，第一通孔121也注入金属材料，金属材料可以是金或铝，可以提高其导电性，封装顶盖220通过金丝键合实现与外界连接。

封装侧板210、封装顶盖220、基板120、半球谐振子110表面电极的PAD点大小位置一一对应，形成贯通了已灌注金属材料的第一通孔121和第二通孔211，实现电气连接。

最后将晶圆级封装陶瓷整体的封装侧板210和封装顶盖220与振动结构100的基板120通过阳极键合方式熔合，半球谐振子110置于封装侧板210和封装顶盖220形成的内腔，可以将半球谐振子110充分包围起来，以实现晶圆级封装，保证了半球谐振陀螺仪的真空度。封装顶盖220与外界电气连接，以传输半球谐振子110的信号。

陶瓷材料的封装侧板210和封装顶盖220与石英材料的基板120键合时既满足真空要求又没引入杂质和气体，可以保证陀螺仪内的真空度，而且陶瓷的材料特性可以减少陀螺在测试与使用过程中外界电磁干扰等多种噪声对输出信号的影响，进一步提升陀螺仪的精度和品质。

请参阅图2，基于本发明的方法，本发明实施例还提供一种半球谐振陀螺仪，包括振动结构100和封装壳体200，封装壳体200将振动结构100包围。

其中，振动结构100，包括基板120和半球谐振子110，半球谐振子110的内部设有支撑杆111，半球谐振子110通过支撑杆111与基板120连接。封装壳体200包括封装侧板210和封装顶盖220，封装顶盖220设置在封装侧板210的一端，并与封装侧板210电性连接；封装侧板210沿基板120的周向设置并与基板120电性连接，半球谐振子110位于基板120、封装侧板210和封装顶盖220共同构成的真空腔室内。封装顶盖220还与外界电连接以传输电信号，相比现有的半球谐振陀螺仪，本发明提供的一种半球谐振陀螺仪结构更简单，封装更容易清洁，能提升其真空度。

参阅图2，基板120上开设有第一通孔121，第一通孔121内设有金属导体；封装顶盖220和封装侧板210上贯穿开设有第二通孔，第二通孔内设置有金属导体，使基板120和封装侧板210电性连接，以在基板120、封装侧板210间和封装顶盖220之间能传输电信号，并能通过封装顶盖220将半球谐振子110的振动情况传输给外界。进一步地，第一通孔121和第二通孔的结构尺寸以及位置关系均相对应，以简化基板120、封装侧板210间和封装顶盖220的结构并提高电信号的传输效率。

在本发明的一些实施例中，封装顶盖220和封装侧板210的材质均为陶瓷；基板120和半球谐振子110的材质均为石英。陶瓷的封装壳体200和石英的振动结构100可以通过阳极键合方式实现晶圆级封装，封装时可以避免引入杂质、气体，保证了陀螺仪的真空度，陶瓷的材料特性可以减少石英半球谐振子110在测试与使用过程中外界电磁干扰等多种噪声对输出信号的影响，提高了陀螺仪的精确度。

参阅图1至3，在本发明的一些实施例中，陀螺仪还可以批量制造，根据上述半球谐振陀螺仪的封装方法及其结构，使用晶圆级的熔融石英片300和晶圆级的陶瓷片400分别刻画对准图形，便于后续熔合时各结构的一一对应。

晶圆级的熔融石英片300通过高温吹制成具有若干振动结构100的石英片半成品，振动结构100根据石英片300的大小均匀分布。

再使用晶圆级的陶瓷片400制作成具有封装侧板210和封装顶盖220构成的封装壳体200的陶瓷片封装壳体半成品，封装壳体200根据晶圆级陶瓷片400的大小和振动结构100的分布均匀分布设置，石英片半成品和陶瓷片封装壳体半成品里的各结构在对准图形的辅助下一一对应，每个封闭壳体200和每个振动结构100上的PAD点大小位置一一对应，便于振动结构100和封装壳体200之间的电气连接。

将具有若干振动结构100的石英片半成品和具有封装壳体200的陶瓷片封装壳体半成品置于键合机中进行真空阳极键合，使石英片半成品和陶瓷片封装壳体半成品键合一起，两者内部的每个振动结构100和每个封装壳体200一一对应键合，构成若干半球陀螺仪。

通过划片工艺将在键合石英片半成品和陶瓷片封装壳体半成品的若干陀螺仪划成多个单体陀螺仪，完成了陀螺仪的批量制作。

本实施通过整片的晶圆级的熔融石英片300和晶圆级的陶瓷片400，分别制造成若干振动结构100和封装壳体200的封装工艺，与现有技术相比，保证了陀螺仪的真空度和品质，保证同一批次陀螺仪的一致性。

需要说明的是，本发明各个实施例中的技术方案可以相互结合，但是相互结合的基础是以本领域普通技术人员能够实现为准；当技术方案的结合出现相互矛盾或者无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，即也不属于本发明的保护范围。

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。

Claims (10)

1.一种半球谐振陀螺仪的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：

将熔融石英片采用高温喷灯吹制以形成具有支撑杆的半球谐振子；

将半球谐振子通过支撑杆与基板熔合，并在基板上设置导线；

采用陶瓷材料分层印制封装侧板和封装顶盖，以烧结封装侧板和封装顶盖使其形成整体结构，并在封装侧板和封装顶盖的整体结构上设置导线；

在半球谐振子的表面和封装顶盖的分布电极处通过磁控溅射法进行金属镀膜，从而使半球谐振子与封装顶盖分布电极处形成电容器；

将封装侧板和基板通过阳极键合的方式连接在一起，使封装侧板和基板导体连通。

2.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺仪的封装方法，其特征在于，在所述基板上开设第一通孔，并向第一通孔内灌注金属材料；

贯穿所述封装侧板和所述封装顶盖开设与所述第一通孔位置相对应的第二通孔，并向所述第二通孔内灌注金属材料，以使所述封装侧板和所述基板通过所述第一通孔和所述第二通孔内的金属材料实现导体连通。

3.根据权利要求2所述的半球谐振陀螺仪的封装方法，其特征在于，所述第一通孔和所述第二通孔内灌注的金属材料均为金或铝。

4.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺仪的封装方法，其特征在于，所述封装顶盖通过金丝键合或铝丝键合与外部电路连接，以使外部电路驱动半球谐振陀螺仪。

5.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺仪的封装方法，其特征在于，分层印制所述封装侧板和所述封装顶盖时，可加入电阻、电容或导线，以使所述封装侧板与所述基板导体连通，以及使所述封装顶盖与外部电路电性连接。

6.一种半球谐振陀螺仪，由权利要求1至5任一项所述的半球谐振陀螺仪的封装方法制备而成，其特征在于，包括：

振动结构，包括基板和半球谐振子，所述半球谐振子的内部设有支撑杆，所述半球谐振子通过所述支撑杆与所述基板连接；

封装壳体，包括封装侧板和封装顶盖，所述封装顶盖设置在所述封装侧板的一端，并与所述封装侧板电性连接；所述封装侧板沿所述基板的周向设置，并与所述基板电性连接，所述半球谐振子位于所述基板、所述封装侧板和所述封装顶盖共同构成的真空腔室内。

7.根据权利要求6所述的半球谐振陀螺仪，其特征在于，

所述基板上开设有第一通孔，所述第一通孔内设有金属导体；

所述封装顶盖和所述封装侧板上贯穿开设有第二通孔，所述第二通孔内设置有金属导体，使所述基板和所述封装侧板电性连接。

8.根据权利要求7所述的半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述第一通孔和所述第二通孔的结构尺寸以及位置关系均相应。

9.根据权利要求6所述的半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述封装顶盖和所述封装侧板的材质均为陶瓷。

10.根据权利要求6所述的半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述基板和所述半球谐振子的材质均为石英。

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