一種基于硼硅酸鹽玻璃退火成型的微型半球諧振陀螺及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS中的微慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于硼硅酸鹽玻璃退火成型的微型半球諧振陀螺及制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)防科技和民用工業(yè)的發(fā)展，陀螺儀已成為姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域非常重要的慣性器件。其中，半球諧振陀螺儀因其具有精確的比例因子、令人滿意的隨機(jī)漂移及偏置穩(wěn)定性，且對(duì)外界環(huán)境(加速度、振動(dòng)、溫度等)不敏感等特點(diǎn)，被公認(rèn)為目前性能最好的陀螺產(chǎn)品之一。半球諧振陀螺的精度甚至高于光纖陀螺和激光陀螺，還有分辨率高、測(cè)量范圍寬、抗過(guò)載、抗輻射、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。該陀螺儀的加工成型，已經(jīng)成為近些年來(lái)MEMS技術(shù)廣泛研究和應(yīng)用開發(fā)的一個(gè)重要方向。
[0003]受到性能久經(jīng)考驗(yàn)的宏觀半球諧振陀螺的啟發(fā)，應(yīng)用于時(shí)鐘及慣性檢測(cè)的3-DMEMS酒杯式半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)已成為近年研究的熱點(diǎn)。隨著3-D精密加工技術(shù)的出現(xiàn)，成批生產(chǎn)這種酒杯式半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)已成為可能。由于酒杯式結(jié)構(gòu)在對(duì)稱性、能量損耗小以及隔離外界振動(dòng)等方面具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，這種結(jié)構(gòu)形式很可能成為新一代具有良好動(dòng)力學(xué)性能的MEMS器件。然而，相比于宏觀加工工藝，微加工工藝更適合制造扁平且相對(duì)誤差較低(10 2?10 4量級(jí))的結(jié)構(gòu)。成型不一致性、對(duì)準(zhǔn)誤差、較高的表面粗糙度和沉積薄膜的間隔尺寸等，是目前MEMS制造工藝中，阻礙實(shí)現(xiàn)高精度半球諧振陀螺工藝的主要因素。因此，利用微加工工藝制造圓片級(jí)的光滑、對(duì)稱且具有高深寬比的3-D半球諧振式陀螺結(jié)構(gòu)依然是一個(gè)技術(shù)難題。
[0004]目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的半球諧振式陀螺的制備技術(shù)主要分為兩大類，第一類為薄膜生長(zhǎng)方式。中國(guó)專利“半球諧振式微機(jī)械陀螺儀及其加工工藝”(專利申請(qǐng)?zhí)?201210231285.0)及中國(guó)專利“微型半球諧振陀螺及其制備方法”(專利申請(qǐng)?zhí)?201310022146.1)等，都采用薄膜生長(zhǎng)技術(shù)制造半球諧振陀螺，其特點(diǎn)是:在硅表面沉積二氧化硅薄膜，各向同性干法刻蝕得到半球球殼，諧振層采用多晶硅或二氧化硅或氮化硅或金剛石材質(zhì)。這種薄膜生長(zhǎng)的方式存在應(yīng)力大、表面粗糙度大和成品率低等缺點(diǎn)。
[0005]第二類制備技術(shù)為玻璃吹制/抽氣的方式。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于主要采用表面微加工工藝，成本較低，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；在刻蝕玻璃方面，各向同性刻蝕方法將導(dǎo)致諧振子與電極間距過(guò)寬，而各向異性刻蝕玻璃的方法只能使用干法等離子體刻蝕。但是，干法刻蝕玻璃工藝受制于刻蝕深度、表面粗糙度及較低的深寬比。這是使用玻璃材料目前還無(wú)法解決的技術(shù)問(wèn)題。
[0006]目前，中國(guó)專利“上下貫通支撐的半球諧振微陀螺”(專利申請(qǐng)?zhí)?201410390495.3)及中國(guó)專利“上下貫通支撐的玻璃金屬半球諧振微陀螺”(專利申請(qǐng)?zhí)?201410390485.X)采用玻璃或玻璃金屬抽氣技術(shù)制造半球諧振體，再利用成型的半球諧振體與頂部支柱鍵合，形成半球諧振陀螺整體結(jié)構(gòu)。中國(guó)專利“一種玻璃金屬吹制式微型半球諧振陀螺及其制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?201410390482.6)及中國(guó)專利“環(huán)形玻璃包圍式玻璃吹制微型半球諧振陀螺”(申請(qǐng)?zhí)?201410390473.7)也提出了玻璃金屬/玻璃吹制的方式制造半球諧振陀螺。但此類技術(shù)存在對(duì)設(shè)備要求高，表面應(yīng)力大，成品率低，電極一致性不高，且難以保證對(duì)稱性等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種表面應(yīng)力低、電極一致性高、對(duì)稱性高、工藝簡(jiǎn)單易行、成品率高的半球諧振陀螺及其基于硼硅酸鹽玻璃高溫退火吹制的制造方法。
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于硼硅酸鹽玻璃退火成型的微型半球諧振陀螺及其制造方法，將一個(gè)硅片作為基底構(gòu)成硅基底，硅片上表面刻蝕一個(gè)圓柱形腔體及腔體圓心處的中心支柱，該中心支柱與半球諧振子中心相連，形成懸空結(jié)構(gòu)；同時(shí)，在硅片上表面的圓柱形腔體外圍，并圍繞半球諧振子均勻布置八個(gè)平板式電極，該八個(gè)平板式電極由四個(gè)驅(qū)動(dòng)電極和四個(gè)檢測(cè)電極組成，所有驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極與半球諧振子不接觸，存在相同的間隙，且驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極依次間隔分布。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):(1)采用該方法制作的玻璃金屬吹制式微型半球諧振陀螺，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、表面應(yīng)力低與高對(duì)稱性等優(yōu)點(diǎn)使其具有較穩(wěn)定的性能與更廣泛的應(yīng)用范圍。(2)采用硅片與玻璃片作為主要加工結(jié)構(gòu)，僅采用MEMS微加工技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)半球諧振陀螺的制備，工藝簡(jiǎn)單，成本較低，并可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。(3)所有光刻工步都在玻璃吹制前完成，既能實(shí)現(xiàn)3-D結(jié)構(gòu)，又避免了實(shí)施難度較大的圖形工藝，如:3-D光刻、蔭罩式掩膜和激光燒蝕技術(shù)，最大限度避免了復(fù)雜工藝引入的工藝誤差。(4)吹制玻璃產(chǎn)生的邊緣瑕疵和熱/機(jī)械擾動(dòng)是影響半球諧振陀螺對(duì)稱性的最大因素。為盡可能降低光刻與刻蝕誤差，本發(fā)明提出的工藝方案只使用兩步光刻工步，最大限度簡(jiǎn)化工藝、避免誤差，保證了結(jié)構(gòu)的對(duì)稱度。(5)選用含堿金屬離子的硼硅酸鹽玻璃作為諧振子結(jié)構(gòu)層材料，與常規(guī)的玻璃基片(如堿石灰玻璃、石英玻璃)比較，這種硼硅酸鹽玻璃的刻蝕速率高，且通過(guò)掩膜和刻蝕參數(shù)的控制可得到更加理想的各向異性的刻蝕形貌。(6)刻蝕玻璃前的金屬掩膜采用電鍍技術(shù)，可降低諧振層表面應(yīng)力，最低限度降低吹制玻璃前對(duì)玻璃平整度的破壞，提高了成品率。(7)玻璃深刻蝕采用等離子體氧化物干法刻蝕技術(shù)，通過(guò)合理控制刻蝕參數(shù)，可以保證電極與諧振子的電容間距的刻蝕精度與深寬比，并且得到完整、平滑的刻蝕邊緣。
(8)使用平板式外電極結(jié)構(gòu)，克服了驅(qū)動(dòng)電極和敏感電極工作面積過(guò)小的缺點(diǎn)，且可以提高其集成度。(9)在釋放硅的工藝中，各向同性干法刻蝕的同時(shí)形成懸空的半球諧振子和外電極結(jié)構(gòu)，避免了不對(duì)稱刻蝕可能出現(xiàn)的結(jié)晶定向。
[0010]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明基于硼硅酸鹽玻璃退火成型的微型半球諧振陀螺的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明基于硼硅酸鹽玻璃退火成型的微型半球諧振陀螺不同角度示意圖:(a)俯視圖，(b)主視圖，(c)3/4剖視圖。
[0013]圖3是本發(fā)明所述半球諧振陀螺的加工流程圖(中心截面圖)，其中，(a)_以硅晶圓作為半球諧振陀螺的硅基底1，(b)-深刻蝕圓柱形腔體4與中心支柱5，(C)-玻璃晶圓6與硅基底1陽(yáng)極鍵合，(d)_深刻蝕玻璃晶圓，(e)_高溫退火形成半球諧振子，(f)_釋放硅基底1，形成懸空的半球諧振子結(jié)構(gòu)，(g)_覆蓋金屬導(dǎo)電層。
【具體實(shí)施方式】
[0014]結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明基于硼硅酸鹽玻璃退火成型的微型半球諧振陀螺，包括:
[0015]—個(gè)娃基底1 ;
[0016]—個(gè)半球諧振子2;
[0017]—個(gè)中心支柱5連接半球諧振子與硅基底；
[0018]設(shè)置在硅基底1上并圍繞半球諧振子均勻布置的八個(gè)平板式電極3，該八個(gè)平板式電極3為四個(gè)驅(qū)動(dòng)電極3a，3c，3e，3g和四個(gè)檢測(cè)電極3b，3d，3f，3h組成，所有驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極與半球諧振子均不接觸，且驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極依次間隔分布，即每?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間是一個(gè)檢測(cè)電極，同樣，每?jī)蓚€(gè)檢測(cè)電極之間是一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極。
[0019]本發(fā)明基于硼硅酸鹽玻璃退火成型的微型半球諧振陀螺的中心支柱5與半球諧振子中心相連，半球諧振子2與硅基底1上的八個(gè)平板式電極3之間設(shè)置相同間隙，形成懸空結(jié)構(gòu)。其中半球諧振子2與八個(gè)平板式電極3之間的間隙為80-120 μπι。半球諧振子2的結(jié)構(gòu)為3-D倒置酒杯式。
[0020]本發(fā)明基于硼硅酸鹽玻璃退火成型的微型半球諧振陀螺的工作原理是:驅(qū)動(dòng)電極3a，3c，3e，3g被施加交流電壓時(shí)，在電容感應(yīng)效應(yīng)作用下，半球諧振子2的球殼徑向振動(dòng)產(chǎn)生駐波，形成驅(qū)動(dòng)模態(tài)；當(dāng)輸入角速度時(shí)，在哥氏力作用下，半球諧振子的振型相對(duì)殼體產(chǎn)生環(huán)向進(jìn)動(dòng)，形成檢測(cè)模態(tài)，檢測(cè)電極3b，3d，3f，3h通過(guò)電容效應(yīng)產(chǎn)生的敏感信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)。
[0021]結(jié)合圖3，本發(fā)明基于硼硅酸鹽玻璃退火成型的微型半球諧振陀螺的制造方法，將一個(gè)硅片作為基底構(gòu)成硅基底1，硅片上表面刻蝕一個(gè)圓柱形腔體4及腔體圓心處的中心支柱5，該中心支柱5與半球諧振子中心相連，形成懸空結(jié)構(gòu)；同時(shí)，在娃片上表面的圓柱形腔體4外圍，并圍繞半球諧振子2均勻布置八個(gè)平板式電極3，該八個(gè)平板式電極3由四個(gè)驅(qū)動(dòng)電極和四個(gè)檢測(cè)電極組成，所有驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極與半球諧振子2不接觸，存在相同的間隙，且驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極依次間隔分布。本發(fā)明的方法具體步驟如下:
[0022]步驟1，如圖3的(a)，以硅晶圓作為半球諧振陀螺的硅基底1，如圖3的(b)，利用光刻技術(shù)(晶圓表面先涂膠、軟烘，再曝光、顯影、堅(jiān)膜形成光刻膠圖形)在硅晶圓上表面形成圓柱形腔體及中心支柱圖形，然后使用ICP(Inductively Coupled Plasma感應(yīng)親合等離子體)刻蝕技術(shù)深刻蝕圓柱形腔體4與中心支柱5，之后清洗去膠，剝離掉多余的金屬(Lift-off，溶脫剝