CN102009945B

CN102009945B - 一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法

Info

Publication number: CN102009945B
Application number: CN2010105400924A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 郑辛; 唐琼; 盛洁; 刘大俊; 李佳; 廖兴才; 刘迎春; 张菁华; 朱建伟; 车一卓; 李海燕
Original assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Current assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: CN102009945A

Abstract

本发明属于石英音叉陀螺加工领域，具体涉及一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法。其特点在于：本加工方法能实现高精度三维石英结构加工：音叉厚度误差控制在±0.5μm以内、平面尺寸精度误差可控制在±1μm以内；能实现高精度三维复杂电极图形加工：电极距音叉三维石英结构边缘距离可达到为10μm、与音叉三维石英结构表面的相对位置误差可控制在±1μm之内，在同一侧面上可形成不同极性的电极且加工误差控制在±5μm以内；能实现质量块精密加工：质量块厚度误差可控制在±0.5μm内、厚度均匀性±5％、表面粗糙度不大于0.1μm，与音叉三维石英结构的相对位置误差可控制在±1μm之内。

Description

一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法

技术领域

本发明涉及石英音叉陀螺加工领域，具体涉及一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法。

背景技术

石英音叉陀螺是一种微机械陀螺，具有体积小、成本低、可靠性高、抗环境干扰能力强等特点，其性能可达到中等精度，能够满足大量战术武器的要求，在很多民用领域也有广泛的应用前景。

石英音叉是石英陀螺的敏感元件，基本工作原理是基于石英晶体的压电效应以及哥氏力振动效应，在驱动力的作用下，驱动叉指沿驱动轴方向产生频率稳定和幅值恒定的持续振动，当陀螺壳体存在一个绕输入轴的角速率输入时，根据哥氏力原理，此时在驱动叉指上会产生一个大小与输入角速率成正比、方向与驱动轴和输入轴两两正交且符合右手定则的哥氏力，哥氏力通过音叉的框架结构耦合到检测叉指，检测叉指产生的位移通过压电效应产生出电荷信号，经外电路检测并放大后用驱动信号解调，即可得到输入的角速率信号。

为提高石英音叉陀螺的综合性能，通常采用H形石英音叉结构，如图1所示。图1A所示的为H形音叉三维石英结构、图1B所示的为在H形音叉三维石英结构上布置电极20及金平衡质量块30后的结构图，其中H形音叉三维石英结构包括驱动叉指11、检测叉指12，挠性支撑梁13、固定部位14，电极20包括驱动电极21和检测电极22。为提高驱动和检测效率，驱动叉指11和检测叉指12设计成变截面斜梁叉指的结构形式。为隔离或抵消外界振动干扰并提高灵敏度，音叉驱动叉指11、检测叉指12与固定部位14通过减薄的挠性支撑梁13连接，其厚度通常是音叉整体厚度的1/5～1/3。为了微调石英音叉的机械耦合、工作频率等参数，从而提高陀螺的综合性能，在驱动叉指11和检测叉指12的端部表面都设置了金(Au)平衡质量块30，通过激光烧蚀的方式局部去除金材料，可以微调音叉的质量及质心分布。为激励音叉产生驱动振动，音叉的驱动电极设置成如图1C中所示的形式，其中左驱动上表面电极210a、左驱动下表面电极211a、右驱动左侧面电极212b、右驱动右侧面电极213b需要通过左下支撑表面引线224c连接至音叉固定部位14；同样右驱动上表面电极210b、右驱动下表面电极211b、左驱动左侧面电极212a、左驱动右侧面电极213a需要通过右下支撑表面引线224d连接至音叉固定部位14。为检测出哥氏力产生的敏感电荷，音叉的检测电极22设置成图1D中所示形式，其中左检测左上侧面电极220a、左检测右下侧面电极223a、右检测左下侧面电极222b、右检测右上侧面电极221b需要通过左上支撑表面引线224a连接至音叉固定部位14；同样右检测左上侧面电极220b、右检测右下侧面电极223b、左检测左下侧面电极222a、左检测右上侧面电极221a需要通过右上支撑表面引线224b连接至音叉固定部位14。

音叉的典型特征尺寸为：H形音叉三维石英结构的的整体厚度为200～450μm、挠性支撑13厚度为60～150μm，驱动叉指11及检测叉指12的宽度为50～700μm，驱动电极21距驱动叉指11边缘最小为10μm，右检测左上侧面电极220b与右检测左下侧面电极222b之间的间距50～80μm，金平衡质量块30的厚度5～15μm。

石英音叉通常采用基于微电子工艺的清洗、镀膜、光刻、化学腐蚀等基本微细加工方法加工。在常规的直梁石英音叉或U形音叉中，通常采用金属掩膜或多层掩膜、光刻、化学腐蚀方法加工出三维石英结构后，再采用遮挡镀膜或镀膜后光刻的方法加工电极图形，这种加工方法很难实现本发明中的H形音叉加工。例如在国防科学技术大学申请的专利“基于剪应力检测的石英微机械陀螺及其制作方法”(中国专利，专利号CN101363731A)中，采用了金属掩膜、化学腐蚀方法加工出石英结构后，再通过掩模蒸镀方式制备电极；在日本珠式会社大真空申请的专利“腐蚀方法和腐蚀成形品、压电振动器件及其制造方法”(中国专利，专利号CN1933326A)中，采用了多层掩膜、化学腐蚀方法加工出石英三维结构，然后在石英结构各个面镀金属膜，再通过喷胶、光刻方式制备电极图形。

相对于常规的直梁石英音叉或U形音叉，H形斜梁石英音叉的加工存在如下难点：

1.高精度三维石英结构加工

由于石英晶体材料属于各向异性材料，石英晶体各个方向的腐蚀速率不同，高精度三维石英结构腐蚀加工的难点主要在于音叉绝对尺寸精度控制。

通常要求音叉的频率误差控制在±100Hz以内，相应地要求音叉厚度误差控制在±0.5μm以内、平面尺寸精度误差需要控制在±1μm以内，音叉的平面尺寸误差与石英结构腐蚀的补偿尺寸有关，而石英结构腐蚀补偿需要根据石英晶体各个方向的腐蚀速率决定。

2.高精度三维复杂电极图形加工

根据电极20在音叉三维石英结构中的相对位置，电极20可分为表面电极、侧面电极及电极引线，位于驱动叉指11的上下表面的电极属于表面电极，位于驱动叉指11及检测叉指12侧壁表面的电极属于侧面电极，其余部分属于电极引线。高精度三维复杂电极图形加工的难点主要在于：高精度表面电极加工、高精度侧面电极加工。

高精度表面电极加工的难点具体体现为：驱动电极距音叉结构边缘距离最小值为10μm、与音叉三维石英结构表面的相对位置误差为要求控制在±1μm之内。

高精度侧面电极加工的难点具体体现为：检测叉指侧面相邻两电极，例如，右检测左上侧面电极220b与右检测左下侧面电极222b之间的间距控制在50～80μm之间，因此右检测左上侧面电极220b和右检测左下侧面电极222b的尺寸精度要求较高，要求加工误差控制在±5μm以内。

在上述中国专利CN101363731A中，通过掩模蒸镀方式制备电极掩模与音叉结构的机械对准固定误差很难控制在±1μm之内。

在上述中国专利CN1933326A中，通过喷胶、光刻的方式加工电极，由于在具有三维石英结构表面喷胶的均匀性不好，在石英结构表面很难获得复杂电极图形，且三维结构的侧面不能进行光刻，在同一侧面上不能形成不同极性的侧面电极。

3.金平衡质量块精密加工。

质量块的材料通常为金，在音叉的正反面具有6处金平衡质量块30，厚度误差要求控制在±0.5μm内、厚度均匀性±5％、表面粗糙度不大于0.1μm，与音叉结构的相对位置误差要求控制在±1μm之内，常规的镀膜或丝网印方式不能满足精度要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法，能实现高精度三维石英结构加工：音叉厚度误差控制在±0.5μm以内、平面尺寸精度误差可控制在±1μm以内；能实现高精度三维复杂电极图形加工：电极距音叉三维石英结构边缘距离可达到为10μm、与音叉三维石英结构表面的相对位置误差可控制在±1μm之内，在同一侧面上可形成不同极性的电极且加工误差控制在±5μm以内；能实现质量块精密加工：质量块厚度误差可控制在±0.5μm内、厚度均匀性±5％、表面粗糙度不大于0.1μm，与音叉三维石英结构的相对位置误差可控制在±1μm之内。

实现本发明目的的技术方案：

一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法，包括以下步骤：

第一步，将石英晶片进行化学腐蚀加工抛光，使石英晶片厚度尺寸精度在±0.5μm之间；

第二步，在进行化学腐蚀后的石英晶片的正反面依次镀铬(Cr)、金(Au)、铬(Cr)、金(Au)膜，形成Cr/Au/Cr/Au掩膜；

第三步，根据音叉结构目标尺寸和石英晶体各个方向的腐蚀速率确定光刻掩膜版的尺寸，采用光刻的方法形成音叉整体结构的Cr/Au/Cr/Au掩膜图形、挠性支撑的Cr/Au/Cr/Au掩膜图形；

第四步，采用光刻方法形成光刻胶掩膜保护音叉整体结构的Cr/Au/Cr/Au掩膜图形，然后依次腐蚀挠性支撑的Au、Cr膜，形成挠性支撑的Cr/Au掩膜图形；

第五步，采用光刻胶作掩膜进行光刻，遮挡不需要镀金的部位，然后进行电镀形成金平衡质量块；

第六步，在具有金平衡质量块的石英晶片表面上涂均匀的光刻胶，采用光刻方法形成音叉表面电极的光刻胶图形；

第七步，对经过上述步骤处理的石英晶片进行化学腐蚀，形成音叉结构及挠性支撑石英结构；

第八步，采用光刻胶作掩膜腐蚀音叉结构部位的Au膜和挠性支撑石英结构部位的Au膜，形成表面电极的Au掩膜图形及挠性支撑结构表面Cr膜；

第九步，采用Au膜作掩膜腐蚀音叉结构部位的Cr膜和挠性支撑石英结构部位的Cr膜，形成音叉表面电极Cr/Au掩膜图形，获得挠性支撑石英结构；

第十步，对经过上述步骤处理的石英晶片进行化学腐蚀，形成挠性支撑结构；

第十一步，采用光刻胶作掩膜腐蚀音叉结构部位的Au膜、Cr膜，去除光刻胶，再腐蚀Au膜、Cr膜，获得石英音叉Cr/Au表面电极；

第十二步，采用遮挡板遮挡住石英音叉不需要镀膜的部位，采用热蒸发镀膜方式在音叉结构的侧面、挠性支撑梁的表面依次镀Cr膜、Au膜，形成侧面电极及挠性支撑的表面电极引线。

如上所述的一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法，第五步中，在电镀金平衡质量块过程中，进行恒温加热、采用匀速横向摆动、选用精度为0.1mA的脉冲电源；根据电量控制金质量块的厚度。

如上所述的一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法，第六步中，石英晶片表面上涂光刻胶时采用喷胶方式，光刻胶的厚度为2μm。

如上所述的一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法，第十步中，采用Cr/Au作掩膜，同时对音叉结构的侧面及挠性支撑的石英结构的表面进行化学腐蚀，获得挠性支撑；腐蚀液配比为体积比HF(40％)∶NH4F(50％)＝2∶1，腐蚀温度为80℃的条件下，腐蚀40分钟。

本发明的效果在于：

1.实现了高精度三维石英结构加工

(1)通过化学腐蚀抛光加工将音叉厚度尺寸精度控制在±0.5μm之内；

(2)通过针对石英结构不同方向及位置的补偿将平面尺寸精度控制在±1μm之内。

2.实现了高精度三维复杂电极图形加工

(1)通过采用Cr/Au/Cr/Au掩膜，在石英三维结构加工工艺流程中嵌入音叉表面电极光刻加工，将表面电极的尺寸精度及位置精度控制在±1μm之内；

(2)通过遮挡板热蒸发镀膜的方式将侧面电极的尺寸精度控制在±3μm以内；

(3)通过调整三维敏感结构在金属镀膜系统的放置位置及角度在同一侧面加工除了不同极性的侧面电极。

3.实现了金平衡质量块精密加工

通过采用光刻胶做掩膜结合优化的金电镀工艺，质量块的厚度误差控制在±0.5μm内、厚度均匀性±5％、表面粗糙度不大于0.1μm，与音叉结构的相对位置误差要求控制在±1μm之内。

附图说明

图1A为H形音叉三维石英结构结构示意图；

图1B为H形音叉三维石英结构上布置电极及金平衡质量块后的结构示意图；

图1C为音叉的驱动电极示意图；

图1D为音叉的检测电极示意图；

图2为音叉平面尺寸加工结构补偿示意图；

图3A～3K为实施例中H形石英音叉敏感结构的工艺图。

图中：1.石英晶片；4.AZ4620光刻胶；5.光刻胶；6.Ni金属遮挡板；11.驱动叉指；12.检测叉指；13.挠性支撑；14.固定部位；15音叉结构；16.挠性支撑石英结构；20.电极；21.驱动电极；22.检测电极；23.音叉Cr/Au/Cr/Au掩膜图形；24.挠性支撑的Cr/Au/Cr/Au掩膜图形；25.挠性支撑的Cr/Au掩膜图形；26.表面电极的Au掩膜图形；27.挠性支撑结构表面Cr膜；30.金平衡质量块；120.音叉结构目标尺寸；121.光刻掩膜版的尺寸；210a.上表面电极；211a.左驱动下表面电极；212b.右驱动左侧面电极；213b.右驱动右侧面电极；210b.右驱动上表面电极；211b.右驱动下表面电极；212a.左驱动左侧面电极；213a.左驱动右侧面电极；220a.左检测左上侧面电极；223a.左检测右下侧面电极；222b.右检测左下侧面电极；221b.右检测右上侧面电极；220b.右检测左上侧面电极；223b.右检测右下侧面电极；222a.左检测左下侧面电极；221a.左检测右上侧面电极；224a.左上支撑表面引线；224b.右上支撑表面引线；224c.左下支撑表面引线；224d.右下支撑表面引线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

H形石英音叉为三维石英结构，微加工中通常采用多层掩膜结合光刻及腐蚀工艺加工三维结构。为了提高金平衡质量块的加工精度，需要采用金电镀方式加工金平衡质量块，为了提高表面电极的加工精度，在石英结构腐蚀前必须将表面电极图形通过光刻工艺转移到音叉结构表面上，因此在工艺路线中需考虑三维石英结构加工、金平衡质量块电镀加工、以及电极图形加工的工艺兼容性，合理设计加工工艺步骤。

一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法，包括如下步骤：

第一步，将石英晶片进行化学腐蚀加工抛光，使石英晶片厚度尺寸精度在±0.5μm之间：选用氢氟酸腐蚀液作为化学腐蚀剂，通过调整氢氟酸腐蚀液的浓度，控制腐蚀温度，使其腐蚀速率到达0.1μm/min，将厚度403μm的石英晶片放入氢氟酸腐蚀液，腐蚀15分钟，使石英晶片厚度达到400μm。

第二步，在进行化学腐蚀后的石英晶片的正反面依次镀膜，形成Cr/Au/Cr/Au掩膜。图3A所示，在进行化学腐蚀后的石英晶片的正反面依次镀Cr、Au、Cr、Au膜，形成Cr/Au/Cr/Au掩膜，其中Cr膜的厚度为20～30nm，Au膜的厚度为200～300nm。其作用一是作为石英晶片腐蚀的掩膜，二是作为音叉的表面电极。

第三步，根据音叉结构目标尺寸和石英晶体各个方向的腐蚀速率确定光刻掩膜版的尺寸，采用光刻的方法形成音叉整体结构的Cr/Au/Cr/Au掩膜图形、挠性支撑的Cr/Au/Cr/Au掩膜图形。如图2所示，针对检测叉指12的端部尺寸形状，进行结构补偿，首先根据音叉结构目标尺寸120，以及石英晶体各个方向的腐蚀速率确定光刻掩膜版的尺寸121；如图3B所示，首先在石英晶片1正反Cr/Au/Cr/Au膜的表面涂上一层均匀的光刻胶，然后曝光、显影依次腐蚀Au、Cr、Au、Cr获得音叉Cr/Au/Cr/Au掩膜图形23、挠性支撑的Cr/Au/Cr/Au掩膜图形24。

第四步，采用光刻的方法形成挠性支撑的Cr/Au掩膜图形。如图3C所示，采用光刻方法形成光刻胶掩膜保护音叉整体结构的Cr/Au/Cr/Au掩膜图形21，然后依次腐蚀挠性支撑的Au、Cr膜，形成挠性支撑的Cr/Au掩膜图形25。

第五步，采用光刻、电镀方法形成金平衡质量块。如图3D所示，采用美国AZ4620光刻胶4作掩膜进行光刻，遮挡不需要镀金的部位，然后进行电镀。本实施例中，金平衡质量块30的厚度为15μm，采用光刻胶厚度为18μm，确保平衡金质量块30的厚度均匀性在±5％范围内。电镀过程中，通过严格控制电镀液的浓度和PH值、在电镀过程中进行恒温加热、采用匀速横向摆动、选用精度为0.1mA的脉冲电源提高厚度均匀性及表面粗糙度；通过对电源电流进行连续测量，并计算电流对时间的积分来计算电量，根据电量来精确控制金质量块的厚度。

第六步，采用光刻方法形成音叉表面电极的光刻胶图形。如图3E所示，在具有金平衡质量块30的石英晶片表面上涂均匀的光刻胶，为确保光刻胶的均匀性采用喷胶方式，光刻胶厚度为2μm。

第七步，对经过上述步骤处理的石英晶片进行化学腐蚀，形成音叉结构及挠性支撑石英结构。图3F所示，采用Cr/Au/Cr/Au作掩膜，在体积比HF∶NH₄F＝2∶3的石英腐蚀液配中，其中，氢氟酸溶液的浓度为40％，氟化铵溶液浓度为50％，腐蚀温度为80℃的条件下，腐蚀25小时，获得音叉结构15及挠性支撑石英结构16。

第八步，采用光刻胶作掩膜腐蚀音叉结构部位的Au膜和挠性支撑石英结构部位的Au膜。如图3G所示，采用光刻胶5作掩膜腐蚀音叉结构15部位的Au膜，同时去除挠性支撑石英结构部位的Au膜，然后采用光刻胶去膜剂去除表面电极的光刻胶5，形成表面电极的Au掩膜图形26及挠性支撑结构表面Cr膜27。

第九步，采用Au膜作掩膜腐蚀音叉结构部位的Cr膜和挠性支撑石英结构部位的Cr膜，形成音叉表面电极Cr/Au掩膜图形，获得挠性支撑石英结构。如图3H所示，采用Au膜作掩膜腐蚀音叉结构部位的Cr形成石英表面电极Cr/Au掩膜图形28，同时去除了挠性支撑结构表面Cr膜27，露出了石英表面，获得挠性支撑石英结构。

第十步，对经过上述步骤处理的石英晶片进行化学腐蚀，形成挠性支撑结构。如图3I所示，采用Cr/Au作掩膜，同时对音叉结构15的侧面及挠性支撑13的石英结构16的表面进行化学腐蚀，获得挠性支撑13。腐蚀液配比为体积比HF∶NH₄F＝2∶1，其中，氢氟酸溶液的浓度为40％，氟化铵溶液浓度为50％。，腐蚀温度为80℃的条件下，腐蚀40分钟。

第十一步，采用光刻胶作掩膜腐蚀音叉结构部位的Au膜、Cr膜，去除光刻胶，再腐蚀Au膜、Cr膜，获得石英音叉Cr/Au表面电极。如图3J所示，采用光刻胶5作掩膜腐蚀音叉结构部位的Au膜、Cr膜，去除光刻胶5后，再腐蚀Au膜、Cr膜，获得石英音叉Cr/Au表面电极29。

第十二步，采用遮挡板遮挡住石英音叉不需要镀膜的部位，采用热蒸发镀膜方式在音叉结构的侧面、挠性支撑梁的表面依次镀Cr、Au膜，形成侧面电极及挠性支撑的表面电极引线。如图3K所示，用金属遮挡板6遮挡住石英音叉不需要镀膜的部位，然后采用热蒸发镀膜方式在音叉结构15的侧面、挠性支撑梁13的表面依次镀Cr、Au膜，形成侧面电极及挠性支撑的表面电极引线。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.按照权利要求1所述的一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法，其特征在于：第五步中，在电镀金平衡质量块过程中，进行恒温加热、采用匀速横向摆动、选用精度为0.1mA的脉冲电源；根据电量控制金质量块的厚度。

3.按照权利要求1所述的一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法，其特征在于：第六步中，石英晶片表面上涂光刻胶时采用喷胶方式，光刻胶的厚度为2μm。

4.按照权利要求1所述的一种微机械石英音叉陀螺敏感结构加工方法，其特征在于：第十步中，采用Cr/Au作掩膜，同时对音叉结构的侧面及挠性支撑的石英结构的表面进行化学腐蚀，获得挠性支撑；腐蚀液配比为体积比HF(40％)∶NH4F(50％)＝2∶1，腐蚀温度为80℃的条件下，腐蚀40分钟。