CN102388292B

CN102388292B - 环境稳健的盘式谐振陀螺仪

Info

Publication number: CN102388292B
Application number: CN201080015676.8A
Authority: CN
Inventors: H·H·葛; A·D·切罗纳
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: JP2012522987A; JP6433313B2; WO2010114775A1; US20100251818A1; EP2414775A1; JP5715118B2; CN102388292A; EP2414775B1; US8393212B2; JP2015121551A

Abstract

所公开的微机械盘式谐振陀螺仪(DRG)被设计为几乎免受外部温度和应力的影响。DRG是测量角速度的振动陀螺仪并且被设计为对外部热量和机械应力具有降低的敏感度。DRG以一体的隔离件为特征，所述隔离件被制造在与形成有多个一体隔离杆的电极晶片相同的晶片上。此外，DRG可包括晶片级密封真空密封件、倒装芯片球栅格阵列(BGA)、和垂直电子连接件，以改进可靠性并且降低生产成本。额外的载体层可使用振动阻止件、垂直电子连接件和倒装芯片BGA。可使用带有嵌入的吸气剂和振动阻止件的耐热或石英帽。

Description

环境稳健的盘式谐振陀螺仪

技术领域

本公开涉及陀螺仪，并且特别涉及制造盘式谐振陀螺仪。更特别地，本发明涉及制造带有隔离箱的盘式谐振陀螺仪。

背景技术

机械陀螺仪被用来基于内部移动的检验质量所感测的惯性反应来确定移动平台的方向。一般的电机械陀螺仪包括悬置的检验质量、陀螺仪机箱、敏感元件或者传感器、扭矩计或致动器以及读出电子器件。惯性检验质量悬置于陀螺仪机箱内部，所述陀螺仪机箱被刚性安装到平台上并且与平台的惯性移动相连但使得检验质量与外部干扰物隔离。用于感测检验质量的内部移动的敏感元件、用于保持或调整所述运动的扭矩计和必须非常靠近检测质量的读出电子器件被内部安装到机箱内，所述机箱还提供了到平台电子器件和能量供给装置的电子连接件连接。机箱还提供了标准机械界面以连接陀螺仪与运载工具的平台并且使它们对齐。在各种形式中，陀螺仪通常被用为运载工具例如飞行器和航天器中的关键传感器。一般来说，它们对于导航或者任何蚀刻需要自确定自由物体的方向是有益的。

当前标准的老式常规机械陀螺仪是极重的机构，它们使用相对大的旋转质量。多种当前技术已经产生出多种新形式的陀螺仪，包括光学陀螺仪例如激光陀螺仪和光纤陀螺仪以及机械振动陀螺仪。

航空器一般依赖惯性速度感测装置来改进姿态控制。当前这是通过昂贵的常规旋转质量陀螺仪(例如，基福尔特惯性参考装置)或者常规机械振动陀螺仪(例如，利顿半球谐振陀螺仪惯性参考装置)实施。然而，这些都是非常昂贵、体积大并且重。

此外，虽然已经生产了一些之前对称振动的陀螺仪，但是它们的振动惯量通过机箱被直接传递到运载工具的平台。

这种传递或联接引入了不能与惯性速率输入区别的外部干扰和能量损失并且因此引入了感测的误差和漂移。一个这种振动陀螺仪的例子在Tang等人的美国专利5,894,090中出现，其描述了对称的苜蓿叶形振动陀螺仪设计。其他平面扭转叉式陀螺仪(planar tuning fork)可实现振动与基盘一定程度的隔离，然而这些陀螺仪缺乏扭转运行期望的振动对称性。

此外，外壳模式陀螺仪，例如半球谐振陀螺仪和振动较细环陀螺仪已知具有一些期望的隔离和振动对称特性。然而，这些设计不适于在较薄平面硅微制造内或者具有明显的限制。半球谐振器针对敏感静电传感器和有源致动器使用半球的延伸圆柱侧。然而，它的高长宽比和3D弯曲的几何形状不适于廉价的薄平面硅微制造。薄环陀螺仪(例如，美国专利6,282,958)随着适于平面硅微制造，但是它缺乏利用装置的延伸平面区域的静电传感器和致动器。此外，这种陀螺仪的情况不是与谐振器检验质量相同的材料，这样敏感元件和扭矩器相对谐振器检验质量的一致随温度改变，从而导致陀螺仪的漂移。

使用低频振动支撑机箱或在机箱内部的谐振器来隔离振动也是已知的(例如，美国专利6,009,051)。然后，这种增加的隔离来自于成比例地加重振动质量或者降低支撑频率。这两种影响对于紧凑的有利的惯性测量装置(IMU)应用是不期望的，因为检验质量在加速条件下未对准。

进来，使用嵌入静电电极来激励并且感测包括盘的新型谐振器结构已经被研究用于微陀螺仪应用。一般来说，电极通过蚀刻选择性粘接至基板的晶片而与谐振器一起形成，这样贯穿蚀刻侧壁形成了电极和谐振器之间形成电容间隙，并且电极和谐振器保持分离地被粘接至基板。盘的三维振动模式被激励并且被感测以测量角速度。这种盘式谐振陀螺仪(DRG)和应用的一些研究已经开始。

但是，存在改进盘式谐振陀螺仪(DRG)实施方式的需要。例如，当前DRG铸件具有限制的能力以承受环境影响。依靠DRG离散的封装技术不仅昂贵而且不可靠。DRG铸件和和封装材料之间的热膨胀系数(CTE)不匹配可导致随温度漂移的内部应力。DRG铸件和外部封装之间的刚性连接可传递应力和振动，从而使得装置对于环境条件非常敏感并且有源传感器元件相对较大中央粘接区域的靠近可能加大应力和温度敏感性。

鉴于前面提到的，在本领域中存在使得应用至DRG的技术环境上稳健、能够可靠地运行在周围环境范围中的技术的需要。特别需要对于航空应用的DRG的这种技术。此外，存在生产带有整体真空机箱的这种DRG的需要。此外，存在于类似谐振陀螺仪等同或更好表现的这种DRG的需要。如以下细节描述的，本发明满足这些和其他需要。

发明内容

微机加工盘式谐振陀螺仪(DRG)被公开设计为几乎免受外部温度和应力的影响。DRG是测量角速度的振动陀螺仪并且被设计为对外部热量和机械应力具有减小的敏感度。DRG以一体的隔离件为特征，所述隔离件被制造在与形成由多个一体隔离件杆的电极晶片相同的晶片上。此外，DRG可包括晶片级密封真空密封件、倒装芯片球栅格阵列(BGA)、和垂直电子连接件，以改进可靠性并且降低生产成本。额外的载体层可使用振动停止件、垂直电子连接件和倒装芯片BGA。可使用带有嵌入的获得件和振动停止件的耐热或石英帽。所描述的技术减小了DRG对于外部环境例如温度漂移和机械应力的敏感性，并且还消除了对于昂贵LCC封装的需要。

本发明的典型谐振陀螺仪包括具有静电电极的谐振器，所述静电电极具有与谐振器的谐振器侧壁相互作用的电极侧壁，这样谐振器的振动模式通过静电电极被驱动和感测，以测量谐振器的运动，隔离层在中央区域支撑谐振器和静电电极，隔离层包括多个隔离杆，每一个均在第一末端被粘接至中央区域并且在第二末端被粘接至隔离层的边缘，并且载体层支撑隔离层的边缘。一般地，隔离层包括粘接至中央区域中嵌入的静电电极的金属线迹，中央区域横穿多个隔离杆至边缘。金属线迹从边缘处的隔离层被粘接至载体层中的传导连接件。载体层中的传导连接件可被粘接至球栅格阵列(BGA)。

在一些实施例中，多个隔离杆可包括径向对称的热和机械隔离杆。此外，载体层可包括一个或多个阻止件，用于限制支撑盘式谐振器的隔离层的中央区域的运动。振动模式一般包括谐振器的三维振动模式。谐振器、隔离层、和载体层包括硅。可替代地，谐振器、隔离层、和载体层包括石英。

其他实施例可包括封装谐振器的帽，其中帽的内部包括一个或多个振动阻止件，用于限制支撑谐振器的隔离层的中央区域的运动。帽的内部还可包括薄膜吸气剂材料。可在谐振器以及在帽层和载体层之间的隔离层的中央区域周围形成真空。

制造谐振陀螺仪的典型方法包括以相似的方式蚀刻隔离层以形成多个隔离杆，它们每一个均在第一末端被粘接至中央区域并且在第二末端被粘接至隔离层的边缘，选择性粘接隔离层以支撑给力曾的中央区域种个的谐振器层和静电电极，由谐振器层蚀刻谐振器，其中静电电极具有与盘式谐振器的谐振器侧壁相互作用的电极侧壁，这样谐振器的振动模式通过静电电极被驱动并且感测，以测量谐振器的运动，并且粘接载体层以支撑隔离层的边缘。本公开的方法实施例还可与在此描述的装置实施例被一致地被修改。

在其他实施例中，谐振陀螺仪包括使用振动模式测量运动的谐振器装置，用于支撑中央区域中的谐振器装置的隔离层装置，隔离层装置包括多个隔离杆，它们每一个均在第一末端被粘接至中央区域并且在第二末端被粘接至隔离层的边缘，以及用于支撑隔离层装置的边缘的载体层装置。本公开的装置实施例还可与在此描述的其他设备和方法一致地被修改。

此外，制造基于硅的盘式谐振陀螺仪的示例方法包括制造硅隔离层的以下步骤：在硅隔离晶片中蚀刻隔离件凹陷，在硅隔离晶片中贯穿蚀刻通孔，将隔离氧化层应用到硅隔离晶片上并且蚀刻隔离晶片到隔离杆下的开放区域。硅基层可通过在硅基晶片中蚀刻基凹陷、应用基氧化层至硅基晶片并且将基振动阻止碰撞件趁机在硅基晶片上。硅隔离层被粘接至硅基层，并且从静电电极位置到通口将导线迹线图案化到硅隔离层。电子连接件被沉积在通孔中。隔离杆被图案化并且贯穿蚀刻到硅隔离晶片中。垂直连接件也被图案化并且贯穿蚀刻到基晶片中。硅谐振器层通过粘接硅谐振器层至隔离层、并且实施图案化并且贯穿蚀刻以形成硅谐振器层的盘式协会早呢器和静电电极而被制造。帽层通过在帽晶片中蚀刻凹陷、在帽凹陷中蚀刻帽振动阻止平衡件、在平衡件上沉积振动阻止件，并且在帽凹陷中沉积薄膜吸气剂而被制造。然后，帽层被粘接至硅隔离层。该方法还可与在此与描述的装置施例一致地被修改。

制造基于石英的盘式谐振陀螺仪的示例方法，其包括制造石英谐振器层的步骤：将牺牲硅层沉积在石英操作晶片上，在石英操作晶片内蚀刻一个或多个释放孔、抛光牺牲硅层、将石英谐振器晶片粘接至牺牲硅层、图案化并且贯穿蚀刻石英谐振器晶片以形成盘式谐振器和静电电极，在盘式谐振器和静电电极的表面上沉积传导材料非常薄的膜，并且在盘式谐振器的中央短柱和静电电极上沉积粘接材料。石英隔离层通过以下步骤制造：在石英隔离晶片中蚀刻多个通孔、向这些通孔填充金属、平面化石英隔离晶片以由通孔形成电子连接件、为谐振器层蚀刻粘接图案、沉积线迹在从静电电极的位置到电子连接件的石英隔离层上、为谐振器层的静电电极和盘式谐振器沉积粘结剂到石英隔离晶片的粘接图案上，并且图案化并且贯穿蚀刻多个隔离杆到石英隔离晶片中。然后，石英基层被粘接至谐振器基层。然后，隔离层的通孔由金属填充以完成穿过隔离层和基层的连接件。然后，石英操作晶片可通过溶解牺牲硅层被移除。帽层可通过以下步骤制造：在石英帽晶片中蚀刻帽凹陷、图案化并且蚀刻帽凹陷形成用于吸气剂材料和帽振动阻止件的凹陷，并且在帽凹陷中的位置处沉积吸气剂材料和振动阻止件。吸气剂材料在粘接帽层至隔离层之前被激活。该方法还可与在此描述的装置实施例一致地被修改。

附图说明

现在参考附图，其中相同的参考编号始终代表相应的部件：

图1A图示说明了当前盘式谐振陀螺仪(DRG)装置；

图1B是当前DRG组件的DRG芯片的示意图；

图2A图示说明了本公开的示例DRG实施例的截面图；

图2B图示说明了本公开的示例DRG实施例的帽层；

图2C图示说明了本公开的示例DRG实施例的盘式谐振层；

图2D图示说明了本公开的示例DRG实施例的隔离层；

图2E图示说明了本公开的示例DRG实施例的载体层；

图3A图示说明了本公开的示例DRG实施例的隔离层的俯视图；

图3B图示说明了本公开的示例DRG实施例的载体层的俯视图；

图3C图示说明了本公开的示例DRG实施例的盘式谐振层的俯视图；

图3D图示说明了本公开的示例DRG实施例的帽层的俯视图；

图4A至图4E图示说明了用于制备本公开的示例硅DRG实施例的隔离层的示例过程；

图5A至图5D图示说明了用于生产本公开的示例硅DRG实施例的基层(base layer)的示例过程；

图6A至图6F图示说明了用于粘接并且进一步处理本公开的示例硅DRG实施例的基层和隔离层的示例过程；

图7A至图7C图示说明了用于生产本公开的示例硅DRG实施例的示例过程；

图8A至图8D图示说明了用于生产本公开的示例硅DRG实施例的帽层的示例过程；

图9A至图9B图示说明了用于粘接帽层并且完成本公开的示例硅DRG实施例的示例过程；

图10A至图10F图示说明了用于制备本公开的示例石英DRG实施例的谐振层的示例过程；

图11A至图11D图示说明了用于制备隔离层并且粘接本公开的示例石英DRG实施例的谐振层的示例过程；

图12A至图12F图示说明了制备基层并且粘接本公开的示例石英DRG实施例的隔离层的示例过程；

图13A至图13E图示说明了制备帽层并且粘接本公开的的示例石英DRG实施例的隔离层的示例过程；并且

图14是生产本公开的DRG实施例的示例方法的流程图。

具体实施方式

1.总述

敏感元件(谐振器，电极)通过较长的可弯曲杆被完全悬置，因此它们与外部应力和热作用隔离。隔离杆刚性较差并且易于弯曲，以通过非常小的阻碍来承受较大的移位。因此，由于热膨胀系数的不匹配或外部应力给压铸件带来任何应力或形变能被隔离杆吸收并且不会传递至感测元件上。隔离杆通过蚀刻与电极相同的晶片(电极晶片)被制造，因此最小化了热膨胀系数的不匹配并且降低了复杂性和成本。隔离杆的杆的刚性可被习惯性的设计为提供具体频率范围的振动衰减。硅垂直连接件(feedthrough)能够消除潜在的真空泄漏路径，并且减少由金属造成的热膨胀系数的不匹配。

在其他实施例中，使用倒装芯片球栅格阵列(BGA)能够允许将铸件直接连接到电子板上，从而消除线粘接的需要。如果在加帽(capping)之前沉积，BGA还能够在最终真空加帽步骤之前使得装置进行电子筛选并且调整。因此，BGA实施方式能够使谐振器产生非常精确的调整和平衡。

此外，本发明的实施例的整个制造过程可被批量制造。这能够在大规模经济上产生巨大的效益。免除了任何个人的操作，估计装置的成本能够降低至当前DRG装置成本的20％。此外，通过消除个人操作，批量生产也可被较大程度地改进。

2.当前盘式谐振器陀螺仪和封装

图1A图示说明了当前盘式谐振器陀螺仪(DRG)组件100。当前DRG已经使用了精密加工和如显示的陶瓷无引脚芯片载体(LCC)真空封装件106。一般的组件100包括核心DRG铸件102，其包括封装在陶瓷LCC封装件106内的三层硅或石英MEMS陀螺仪芯片，所述陶瓷LCC封装件106提供了密封的真空密封以便使陀螺仪适当地起作用。LCC封装件可包括通过热压件连接至封装件106的盖104。线接头108在封装件106内被粘接在DRG铸件102和连接件110之间。DRG铸件102通过压接件112被粘接在封装件102的中心。此外，封装件106的盖104包括吸气剂114以协助形成真空。对于当前DRG组件的示例性细节描述，参见例如美国专利申请No.2008-0295622A1，标题为“PLANARRESONATOR GYROSCOPE WITH CENTRAL DIE ATTACHMENT”。

图1B是在图1A中示出的当前DRG铸件102的DRG芯片示意图。核心DRG铸件102是MEMS陀螺仪芯片，该芯片包括三个分离的硅层或石英层，每层分别精密加工并且然后经由金-锡共熔粘接(eutectic bond)被组装一起。底电极载体层122包括CMOS电极124，所述CMOS电极124被图案化以驱动、感测并且偏置有源谐振器电容电极元件。还提供了与外部封装件的结构支持和电子接口。中心DRG层126包括被贯穿蚀刻的盘式谐振器128。顶层包括灰尘盖130以提供在操作和检测期间保护其免受损坏。一般地，灰尘盖130永久连接至DRG，其目的是在组装过程期间将灰尘保持在外部。灰尘盖一般不与密封件粘接。

一旦被制造并且切割，然后铸件102准备被连接并且密封到标准LCC封装件的内侧。铸件102首先经由金-锡共熔粘接被粘接到LCC封装件106的底部(参见图1A)，其中金-锡被沉积在封装件106的中心。一旦铸件102被固定连接，则其被线粘接至LCC连接件110以提供电子接口。最终，带有预连接吸气剂114的盖104被真空加热以激活吸气剂，并且相对封装件106被压缩以粘接并且形成最终的真空密封。

常规DRG组件100(图在图1A和图1B中描述的)虽然能够在实验室的条件下提供性能表现的良好真空封装和有效平台，但是在真正的现实环境中操纵测量值还存在限制。例如，DRG组件100具有随时间的一些高温度敏感度、不可重复的打开偏置和一些动态不稳定性，这将使得装置在较大温度范围上不能被操作。这种带有DRG组件100的不稳定的原因可归因于三个主要因素。

首先，DRG铸件通过不相似材料的连接被刚性粘接到LCC封装件上。粘接垫的区域大约占据铸件底部表面的九分之一，并且位于有源谐振器的正下方。热压粘接的不可弯曲以及较大的热膨胀系数不匹配和较大受影响的区域可在铸件和LCC封装件中引入出高热机械应力和变形。结果，装置对于温度的变化非常敏感。此外，任何施加到LCC的应力可通过刚性粘接垫带有较小或无缓冲地传递。这导致了对外部应力或振动的高敏感性。

第二，金-锡共熔粘接和吸气剂要求较高处理温度，例如，如400℃一样高。在真空封装期间，在较大温度循环上迅速加热和冷却刚性粘接的不相似材料导致粘接垫存储大量残余应力(stress)。根据残余应力的幅值，粘接结构对于高程度不可预测结构的不稳定性做出相应的展示，这然后证明了其自身在打开偏置(turn on bias)上的不可重复性，以及传感器动态随时间的随机变化。

第三，较大粘接垫位于有源谐振器的正下方。其靠近谐振器的较大区域导致与中心活性层(active layer)的非常高的热传导。因此，铸件本身的任何热敏感性将通过这种较短并且高传导路径被扩展。

此外，DRG组件100的LCC真空密封过程是不可靠并且昂贵的。在其研究阶段中，这些成本可以是大约整个研究成本的50％，而装置的收益小于25％。在生产阶段中，计划带有一些环境能力的改进的LCC将消耗整个装置成本的80％。

3.新型盘式谐振陀螺仪

DRG的新型设计现在已经被构想出来以克服所描述的当前DRG组件的缺点。本公开的实施例在与电极层相同的晶片上整合了热和机械隔离机构并且使用玻璃或石英帽替换灰尘帽层用于真空密封，因此消除了任何外部封装的需要。帽和电极隔离材料可被选择以匹配谐振器材料的热膨胀系数。整体效果是为了减少在陀螺仪的偏置(bias)和比例因子上的环境影响。因此，这种新型结构可被参考为环境稳健的盘式谐振陀螺仪(ERDRG)。

在本公开的一个实施例中，示例ERDRG可由硅构造并且与先前的三层设计(参见美国专利号7,401,397和7,0401,63)相比包括四个不同的层(即，四晶片堆叠)。在该新型设计中，载体层能够为陀螺仪提供基本的机械支撑和垂直的电子连接件。电极和隔离层的边缘可被粘接到载体层的顶部。电极层区域可悬置在八根径向对称的半圆杆上，其带有从中央区域穿过杆到层的边缘的传导线迹，所述中央区域支撑谐振器。这些杆被设计为可弯曲的、窄的并且长(但在紧凑空间内)的，因此为谐振器的敏感元件提供了热和机械的隔离。谐振器层不需改变先前的设计(本发明能够使用任何盘式谐振器样式运行)，并且可被粘接在电极和隔离层的中心区域中电极的顶部。先前DRG设计的灰尘帽可由玻璃或石英帽置换，并且带有预堆积吸气剂和振动碰撞件。该装置可经由帽(粘接至电极和隔离层)的阳极粘接(anodic bonding)或键合(frit bonding)被完全封装在高真空内。

隔离杆还被设计(调整)为隔离特定频率的机械振动并且承受几个g的加速度。然而，如果加速度高于那些阈值，能够通过适当的设置(placed)振动碰撞件而停止进一步的移动，从而防止对杆的永久损坏。振动碰撞件可在帽中被设置并且载体层提供了这种功能。

图2A图示说明了本发明的示例DRG实施例的截面图。示例DRG200包括粘接在隔离层204的中心的盘式谐振器202。盘式谐振器202包括嵌入的静电电极206，电极206具有与盘式谐振器202的内侧壁相互作用的侧壁，从而盘式谐振器202的振动模式由嵌入的静电电极206来驱动和感测以测量盘式谐振器202的运动。为了制造盘式谐振器202，盘式晶片选择性地粘接至隔离层204并且被选择性地贯穿蚀刻以同时分离和形成静电电极206和盘式谐振器202的结构。在粘接盘式晶片之前，线迹(未显示)被图案化到隔离层204上以提供与单独电子电极206的电子粘接。(盘式谐振器202的运行和设计在先前已经被描述，例如，在美国专利号6,944,931，7,347,095，7,040,163，7,168,318，7,401,397，7,285,844，7,396,478和7,437,253)。一般地，盘式谐振器使用固体的三维振动被操作来测量盘式谐振器的运动(例如，旋转速率)。

隔离层204在中央区域208支撑盘式谐振器202和嵌入的静电电极206，包括多个隔离杆210的隔离层均在第一末端粘接至中央区域208并且在第二末端粘接至隔离层204的边缘212。被粘接至中央区域内的静电电极的线迹从中央区域208穿过隔离杆210延伸至边缘212并且伸出粘接至载体层214的蚀刻孔228，所述载体层被粘接至隔离层204的边缘212。载体层214包括多个贯穿蚀刻的垂直连接件216，每个连接件216均被粘接至一根线迹，所述线迹将电子信号粘接至载体层214的后侧，在此每个连接件216可包括用于现有技术中已知的倒装芯片球栅格阵列(BGA)接口的球连接件218(例如，金碰撞件)。此外，载体层214还包括一个或多个振动阻止件222，以用于限制隔离层204(支撑盘式谐振器202)的中央区域208的(向下)运动。因此，如所示出的，盘式谐振器202被支撑在隔离层204的中央区域208上并且通过多个隔离杆210有效地与外部温度和运动隔离；隔离层204的中央区域208“漂浮”在隔离杆210上。

DRG200还包括帽层220，帽层220被用于与载体层214和夹在其中的隔离层204形成真空密封(seal)。帽层220还可包括一个或多个振动停止件224，以用于限制隔离层204(支撑盘式谐振器202)的中央区域208的(向上)运动。此外，帽层220还可包括薄层吸气剂材料226，以便于当帽层220被粘接至隔离层214时在DRG200内形成真空。

图2B至图2D图示说明了图2A的DRG 200的独立部件层。图2B图示说明了本公开的示例DRG 200实施例的帽层220。薄层吸气剂材料226被设置在帽层220的蚀刻凹陷内并且振动组件224被设置在帽层220的内部中的高点处。图2C图示说明了本公开示例DRG 200实施例的盘式谐振器层202。如先前讨论的，盘式谐振器层202包括多个嵌入的静电电极206(具有贯穿蚀刻的侧壁，所述侧壁与谐振器的贯穿蚀刻侧壁相互作用)，电极206用来操作DRG 200。图2D图示说明了本公开的示例DRG实施例的隔离层204。隔离层204具有中央区域208和边缘212，它们通过多个隔离杆210粘接。此外，粘接至谐振器的静电电极的电子线迹(electrical trace)230被图案化到隔离层204上，从中央区域208穿过隔离杆210至边缘212，在边缘212处它们通过孔228被粘接至下方的载体层214。图2E图示说明了本公开的的示例DRG实施例的载体层214。载体层214被粘接至隔离层204的边缘212。此外，贯穿蚀刻的垂直连接件216被从隔离层204粘接至每根线迹。载体层214的后侧，每个连接件216可包括用于在现有技术中已知的倒装芯片球栅格阵列的球连接件218(例如，金碰撞件)。此外，载体层214还包括振动组件222，以用于限制隔离层204(支撑盘式谐振器202)的中央区域208的(向下)运动。

图3A图示说明了本公开的示例DRG 200的实施例的隔离层204的俯视图。层204包括十六个贯穿蚀刻的孔228(如所示出的一个被标出)和八个径向对称的半圆杆210(如所示出的一个被标出)。对称的半圆杆210均在隔离层204的中央区域208和边缘212之间形成弹簧，其具有如示出的与三个短扭转元件串连的两个长悬臂元件。线迹被图案化到中央区域208的轮廓区域300。线迹的图案依赖谐振器的设计，因为线迹粘接至被嵌入到谐振器内的每个静电电极。所有电极几何形状的线迹还延伸穿过隔离杆210从而穿过孔228。线迹延伸穿过成对地八个隔离杆210，这样每对是不同的对，以消除在DRG 200的运行中的寄生粘接。杆宽度可被确定以隔离期望频率以上的振动。隔离层204还可由硅制成以匹配谐振器晶片202的热膨胀系数。电极设计可与先前的DRG设计相同。参见美国专利号7,401,397和7,040,163。十六个各向异性贯穿蚀刻的孔228允许线迹向下延伸至倾斜壁上的载体层的垂直连接件，从而保证了电连续性。

图3B图示说明了本公开的示例DRG实施例的载体层214的俯视图。在DRG 200示例中，载体层214可由高掺杂硅制造。载体层214包括在中央的圆形凹陷302(例如，5μm深)，从而允许感测元件在隔离层204的中央区域208上移位。在凹陷区域302的径向对称图案中包括7个振动阻止件222(如所示出的一个被标出)。载体层214还包括十六个贯穿蚀刻的垂直连接件216(如所示出的一个被标出)。连接件216被粘接至隔离层204的底部(每一个被粘接至隔离层204的孔228)，因此保持了完成装置的密封。

图3C图示说明了本公开的示例DRG 200实施例的盘式谐振器层202的俯视图。所形成的谐振器图案示出了由贯穿蚀刻静电电极206占据的空间，所述电极206用来操作DRG 200。固体中央区域被粘接至隔离层204的中央区域并且作为谐振器的唯一支撑。谐振器层202可以是存在DRG的几何形状的硅。参见美国专利号7,401,397和7,040,163。它还被粘接至电机层的中心极，并且然后由贯穿蚀刻晶片释放从而同时形成电极和谐振器。

图3D图示说明了本公开的示例DRG 200的实施例的帽层220的俯视图。帽层220可由玻璃制作以匹配隔离晶片204的热膨胀系数。玻璃帽层220可被阳极粘接至硅隔离层204。帽层220可正对覆盖隔离层204的整个图案(footprint)。帽层220可包括用于谐振器和小缝隙的105μm凹陷。此外，帽层220包括预沉积薄帽吸气剂材料226。八个振动组件224(如所示出的一个被标出)可用来防止谐振器202与吸气剂材料226的接触。此外，如果期望，帽层220的外部可被涂覆金属以降低气体分子的渗透压。

敏感元件(例如谐振器和电容电极)由长可弯曲杆完全悬置，从而使它们与外部应力和热效应隔离。被设计为刚性较差并且易于弯曲的隔离杆能够通过非常小的阻力承受较大移位。因此，施加到铸件(例如，由于热膨胀系数不匹配或外部应力)上的任何振动、应力或变形能够被隔离杆吸收并且不会输送到DRG的敏感元件上。隔离杆可通过蚀刻与线迹被沉积的晶片相同的晶片制造，因此最小化了热膨胀系数的不匹配并且降低了复杂性和成本。隔离杆的刚性可被设计为向特定频率范围的振动提供衰减。此外，硅垂直连接件能够消除潜在的泄漏路径，并且还减小了由金属造成的热膨胀系数的不匹配。垂直连接件不需在粘接区域的下方通过并且因此不会与真空密封粘接相互干预。如果选择填充材料以匹配例如硅的基底，然后不存在热膨胀系数的不匹配。

本公开的DRG实施例的实施方式还可使用先前描述的倒装芯片BGA，以允许DRG到电子板的直接而有效的连接，从而消除了对于令人讨厌并且昂贵的线粘接的需要。如果在粘接帽层之前被沉积，则BGA还能够在最终的真空加帽步骤之前使得装置实现简单的电子筛选和调整。BGA能够用来允许测试电子器件在晶片水平处同时电子达到所有铸件。可使用夹头，其被设计为与镜片的背部上的BGA接触。可替代地，可使用晶片水平探针来替代BGA进行测试，它一次到达一个铸件。然而，晶片水平探针需要更复杂并且更昂贵的自动探针系统。因此，设计中BGA的使用可以降低的成本产生非常准确的谐振器调整和平衡。

本公开的实施例可使用批量生产，因此可从大规模的经济中获得巨大利益。免除了任何个人操作的需要，估计装置的成本可被降低当前DRG的20％。此外，通过消除装置的个人操作，整体的批量生产还能被较大程度地改进。

对于本公开的一个示例DRG实施例，ERDRG可由硅制造，其中积层由掺杂在硅构造，并且帽由玻璃制成以基本匹配热膨胀系数。硅DRG的不同层的重要制造步骤以及过程流程在图4A至图9B中示出。

图4A至图4E图示说明了为了制备本公开的示例硅DRG实施例的隔离层的示例过程。图4A示出了将硅晶片形成到DRG的隔离层400内，所述DRG具有蚀刻到边缘内的对齐标记402。图4B示出在蚀刻3μm至4μm凹陷404(对于边缘斜坡使用阻挡回流)后的隔离层400。阻挡回流由光致抗蚀剂处理，所述光致抗蚀剂如通常被应用并且图案化的。然后使用高温烘烤从而光致抗蚀剂的边缘熔化并且变形。变形的边缘将形成倾斜的边缘。在随后的蚀刻过程中，低选择蚀刻方法被选择来共同蚀刻阻挡基底和硅基底，从而在完成的基底中形成倾斜的边缘。高点406提供了粘接谐振器静电电极的位置以及谐振器本身的中央粘接。图4C示出在隔离层400的边缘处各向同性贯穿蚀刻的通孔408。图4D示出了大致1μm至0.5μm厚的热氧化层410的应用。图4E示出了在隔离杆的位置下被蚀刻在热氧化层410内的开放区域412。

图5A至图5D图示说明了用于生产本公开的示例硅DRG实施例的基层500的示例过程。图5A示出将晶片形成到DRG的基层500中，所述DRG具有被蚀刻到边缘内的对齐标记402。图5B示出了在层500中蚀刻较大的大致5μm凹陷504后的基层500。图5C示出大致1μm厚的热氧化层506到层500的应用。最终，图5C示出了施加在凹陷504内的大致1μm高的振动阻止件。振动碰撞件材料基于过程的温度进行选择。理想地，振动碰撞件的材料可以是例如金的柔软金属。然而，如果随后的粘接温度较高，然后高温材料可使用例如氮化硅。

图6A至图6F图示说明了用于粘接并且进一步处理本公开的示例硅DRG实施例的基层和隔离晶片层的示例过程。图6A示出了使用层的对齐标记被熔接至基层500的隔离层400。图6B示出施加至隔离层400的顶部的底部层线迹600，其通过大致0.7μm厚的Ti/Au/Ti的升离(liftoff)过程。图6C示出了通过由隔离层400的开放孔408的反应离子蚀刻(RIE)施加的大致1.0μm PECVD氧化层602。图6D示出了0.5μm顶部层金属线迹604，其通过Au/Cr金属升离工艺和通孔氧化层的RIE移除和Au/Cr电接触606的沉积。图6E示出了隔离层400的隔离杆608的图案化和贯穿蚀刻。图6F示出了在基层500上垂直连接件610的图案化并且贯穿蚀刻。

图7A至图7C图示说明了为了生产本公开的示例硅DRG实施例的谐振器层700的示例过程。图7A示出了形成到谐振器层700，其在末端带有时刻对齐标记702和大致0.5μm后的Au/Cr粘接金属层704，所述金属层704被升离选择性地图案化在底部上从而与谐振器的电极位置和中央粘接相匹配。图7B示出通过金-锡熔接被粘接到隔离层400的中央区域上的谐振器层700。图7C示出被图案化谐振器层700并且DRIE贯穿蚀刻的以形成谐振器706和静电电极708。

图8A至图8D图示说明了用于生产本公开的示例硅DRG实施例的帽层800的示例过程。图8A示出了带有蚀刻到末端内的对齐标记802的的玻璃晶片。图8B示出了带有蚀刻到其内部的的深105μm凹陷804的帽层800。图8C示出蚀刻到深凹陷804内的凹陷从而形成振动阻止件808的平衡件806。图8D示出沉积在平衡件806周围凹陷内的薄帽吸气剂材料810。

图9A至图9B图示说明了用于粘接帽层800并且修整本公开的示例硅DRG实施例的示例过程。图9A示出了使用阳极粘接粘接至隔离层700的边缘上的位置(使用对齐标记702)的帽层800。帽层700可具有涂覆金属的外层以降低渗透性。图9B示出了在基层500的底部上带有沉积倒装芯片金碰撞件900(即，Au/Cr BGA)的DRG。现在使用BGA将硅DRG被粘接到电路板上。

在该设计的另一实施例中，ERDRD由石英制作。虽然几何形状和结构与以上详细描述的硅DRG设计非常相似，但是制造过程却不同。此外，垂直电子连接件的结构也是不同的。例如，基层的连接件不再通过隔离方形硅短柱。替代地，连接件可通过向贯穿蚀刻孔填充金属而形成。此外，经由隔离层粘接的电子器件不再通过使用倾斜壁填充贯穿孔向下延伸线迹提供。替代地，电子粘接通过向贯穿孔填充金属而被提供。本公开的石英DRG实施例不同层的重要制造步骤和过程在以下的图10A之图13E中被列出。

图10A至图10F图示说明了制备本公开的示例石英DRG实施例的谐振器晶片层的示例过程。图10A示出了用于操作谐振器所使用的125μm厚的石英晶片，其带有10μm厚牺牲硅层的沉积层1000。图10B示出了石英钟蚀刻释放孔1002，其中硅层1000已经被抛光。图10C示出了被粘接至硅层1000的另一125μm厚的石英晶片，其将成为DRG的谐振器层106。图10D示出了被图案化并且贯穿蚀刻以形成谐振器1008的谐振器层1006和被暂时连接至第一石英晶片的电容电极1010。图10E示出整个谐振器1008和电容电极1010上的沉积传导膜1012。传导膜可以是进、铂或者掺杂的多硅。重要的是传导膜1012被施加到谐振器1008的侧壁和电容电极1010上，以允许这些元件之间在DRG的运行中的电容反应(capacitive reaction)。图10F示出沉积在谐振器1008的中央短柱上以及每个电容电极1010上的粘接金属1014。

图11A至图11D图示说明了用于制备隔离层1100和粘接本公开的示例石英DRG实施例的谐振器层1004的示例过程。图11A示出了另一125μm厚的石英晶片，其将成为隔离层1100，所述隔离层1100具有蚀刻的通孔，所述通孔由金属填充并被平面化以形成电子连接件1102。图11B示出了谐振器层1006(其带有电容电极1010的高点以及中央谐振器支撑件)的蚀刻粘接图案。被粘接至谐振器1006的电容电极1010的线迹1106被图案化到隔离层1100上。图11C示出了被图案化并且贯穿蚀刻到隔离层1100中的隔离杆1108。图11D示出了被反向并且粘接至隔离层1100的谐振器层1004。

图12A至图12F图示说明了用于制备基层1200和连接本公开的示例石英DRG实施例并且粘接隔离层1100的示例过程。图12A示出了被形成到基层1200内的250μm石英晶片，所述基层1200具有蚀刻的5μm凹陷1202，其被设置在隔离层1100的中央区域的下方。图12B示出了在基层1200内的用于电子连接件1204的蚀刻孔。图12C示出应用至基层1200内的凹陷1202的底层的金振动阻止件1206。图12D示出经由玻璃熔接(glass frit bond)粘接至隔离层1100的组件和谐振器层1200的基层1200。图12E示出了连接件1204，所述连接件1204穿过基层1200至隔离层1100，所述隔离层由金属填充并被平面化。图12F示出了现在使用XeF₂蚀刻牺牲硅层1000以移除用于谐振器层1006的石英操作晶片。在此阶段，DRG可使用探针在高真空中操作，以通过局部增加或移除质量而单独调整谐振器，以便实现两个谐振运行模式的简并性。

图13A至图13E图示说明了用于制备帽层1300和粘接本公开的示例石英DRG实施例的隔离层的示例过程。图13A示出了被形成到帽层1300内的375μm厚的石英晶片，所述帽层1300具有130μm蚀刻空腔凹陷1302。图13B示出进一步蚀刻凹陷1302以形成用于振动阻止件和薄膜吸气剂材料的位置。图13C示出处于适当位置的金振动阻止件1304和包膜吸气剂材料1306。图13D示出使用玻璃熔接被粘接至谐振器层1006的组件的帽层1300，、隔离层1100和基层1200，其中吸气剂材料1306被激活。图13示出倒装芯片金碰撞件(即，Au/Cr BGA)，其被施加至基层1200的底部。

4.生产盘式谐振器陀螺仪的方法

图14是生产本公开的DRG实施例的实例方法1400的流程图。方法1400包括运行1402，其蚀刻隔离层以形成多个隔离杆，它们在第一末端被粘接至中央区域并且在第二末端被粘接至隔离层的边缘。在运行1402，隔离层被选择性粘接以在隔离层的中央区域支撑谐振器层和静电电极。在粘接隔离层和谐振器层之后，在运行1406中，谐振器由具有静电电极的谐振器层蚀刻，其中静电电极具有与谐振器的谐振器的侧壁相互作用的电极侧壁，从而谐振器的振动模式通过静电电极被驱动并且感测以测量谐振器的运动。在运行1408，载体层被粘接以支撑隔离层的边缘。此外，在运行1410中，帽被粘接封装谐振器，其中在谐振器的周围以及在帽层和载体层之间的隔离层的中央区域形成了真空。方法1400还通过可选运行被进一步扩展，以便开发在上述段中描述的装置实施例。

需要注意的是运行1402至1410可以很多不同的顺序被实施，如将被本领域的技术员理解的。然而，运行1406应在运行1404之后，因为必要的是在静电电极和盘式谐振器在贯穿蚀刻过程中被彼此分离之前选择粘接谐振器晶片层至载体层。此外，图14的一般方法1400可用于详细的示例，用来制造基于硅或石英的盘式谐振器陀螺仪铸件。

用于制造带有热隔离件和机械隔离件的基于硅的盘式谐振器陀螺仪铸件的示例方法可通过以下详细的步骤实施。硅隔离层通过蚀刻隔离晶片内的隔离件凹陷、经由硅隔离晶片中的孔贯穿蚀刻、将隔离氧化层施加到硅隔离晶片上，并且蚀刻隔离氧化层为隔离杆下的开放区域而被制造。硅基层通过在硅基晶片中蚀刻基凹陷、将基氧化层施加至硅基晶片并且在硅基晶片上沉积基振动阻止碰撞件。然后，硅隔离层被粘接至硅基层。线迹被图案化到硅隔离层上，所述硅隔离层从静电电极的位置到隔离层的通孔，并且电子接触层被沉积到通孔中。隔离杆被图案化并且被贯穿蚀刻到硅隔离晶片中。垂直连接件还被图案化并且贯穿蚀刻到基晶片中。

硅谐振器层通过粘接硅谐振器到隔离层，并且实施图案化并且贯穿蚀刻以形成硅谐振器层的盘式谐振器和静电电极。(对于任何已知的先前提到的硅盘式谐振器可使用如所描述的制造硅谐振器层的细节)。

帽层可通过蚀刻帽晶片中的帽凹陷、蚀刻帽凹陷中的帽振动阻止平衡件、在平衡件上沉积振动组件并且在帽凹陷中沉积薄膜吸气剂。然后，帽层被粘接至硅隔离层以完成基于硅的盘式谐振器陀螺仪。

制造带有热隔离件和机械隔离件的基于石英的盘式谐振器陀螺仪铸件的示例方法可通过以下详细的步骤实施。石英谐振器通过首先将牺牲硅层沉积在石英操作晶片，在石英操作晶片中蚀刻一个或多个释放孔，并且抛光牺牲硅层并且将石英谐振器晶片粘接至牺牲硅层而被制造。然后，石英谐振器晶片被图案化并且贯穿蚀刻以形成谐振器和静电电极。然后，传导材料的非常薄的膜被沉积在盘式谐振器和静电电极的表面。最终，粘接材料被沉积在排石谐振器的中央短柱和静电电极上。(对于任何已知的先前提到的硅盘式谐振器可使用如所描述的制造硅谐振器层的细节)。

然后，石英隔离层可通过首先在石英隔离晶片中蚀刻多个通孔、将金属填充到通孔中，并且平面化石英隔离晶片以由通孔形成电连接件而被制造。然后，谐振器层的粘接图案被蚀刻并且线迹被沉积到石英隔离层上，所述隔离层从静电电极的位置延伸到电连接件。然后，粘结剂(bond)被沉积到静电电极的石英隔离晶片和谐振器层的排石谐振器的粘接图案(bond pattern)上。最后，多个隔离杆被图案化并被贯穿蚀刻到石英隔离晶片中。然后，石英隔离层被粘接至石英谐振器层。

石英基层可通过将基凹陷蚀刻到石英基晶片中、在石英基晶片中贯穿蚀刻孔以匹配隔离层的电子连接件、并且在基凹陷内沉积多个振动组件而被制造。然后，石英基层被粘接至谐振器层。在此处，隔离层的通孔可由金属填充以完成贯穿隔离层和基层的连接件。然后，石英操作晶片可通过熔接牺牲硅层而被移除。

石英谐振器陀螺仪的帽层可通过在石英帽晶片中蚀刻帽凹陷、图案化并且蚀刻帽凹陷以形成用于吸气剂材料和帽振动阻止件的位置，并且在帽凹陷中的位置沉积吸气剂材料和振动阻止件而制造。然后，吸气剂仅在将帽层粘接至隔离层之前被激活。

这包括了包含本发明的优选实施例的说明。上述包含本发明优选实施例的说明已经为说明和描述的目的被示出。它并不想要全面或限制本发明所公开的具体形式。在上述教导的范围内很多修改和变型是可能的。可在不偏离展示在权利要求的发明性概念下设计出本发明的额外的变型。

Claims

1.一种制造谐振陀螺仪(200)的方法(1400)，其包括：

蚀刻(1402)隔离层(204、400、700、1100)以形成多个隔离杆(210、608、1108)，所述隔离杆的每一个在第一末端均被粘接至中央区域(208)并且在第二末端被粘接至所述隔离层的边缘；

选择性粘接(1404)所述隔离层以在所述隔离层的中央区域支撑谐振层(202、700、1004、1006)和静电电极(124、206、708、1010)；

由谐振层蚀刻(1406)盘式谐振器，其中所述静电电极具有电极侧壁，所述电极侧壁与所述盘式谐振器的谐振侧壁相互作用，从而所述盘式谐振器的振动模式通过所述静电电极驱动和感测，进而测量所述盘式谐振器的运动；以及

粘接(1408)载体层(122、214)以支撑所述隔离层的边缘。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述隔离层包括金属线迹(230、600、604、1106)，所述金属线迹被粘接至中央区域中嵌入的静电电极，所述中央区域横穿所述多个隔离杆至所述边缘。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述金属线迹从所述边缘处的所述隔离层被粘接至所述载体层中的传导连接件(110、216、610、1102、1204)。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述载体层中的所述传导连接件被粘接至球栅格阵列(BGA)(900、1308)。

5.如权利要求1-4中任一所述的方法，其中所述多个隔离杆包括径向对称半圆杆。

6.如权利要求1-4中任一所述的方法，其中所述载体层包括一个或多个振动阻止件(222、1206)，以用于限制支撑所述盘式谐振器的所述隔离层的中央区域的移动。

7.如权利要求1-4中任一所述的方法，其中所述振动模式包括所述盘式谐振器的三维振动模式。

8.如权利要求1-4中任一所述的方法，其还包括粘接封装所述盘式谐振器的帽层(220、800、1300)，其中围绕所述盘式谐振器以及所述隔离层在所述帽层和载体层之间的中央区域形成真空。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述帽层的内部还包括薄膜吸气剂材料(226、810、1304)，以协助形成所述真空。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述帽层的内部包括一个或多个振动阻止件(224、808、1304)，以限制支撑所述盘式谐振器的隔离层的中央区域的移动。

11.如权利要求1-4中任一所述的方法，其中所述盘式谐振器、所述隔离层和所述载体层包括硅。

12.如权利要求1-4中任一所述的方法，其中所述盘式谐振器、所述隔离层和所述载体层包括石英。

13.一种谐振陀螺仪(200)，包括：

谐振装置(202、700、1004、1006)，其用于使用振动模式测量运动；

隔离层装置(204、400、700、1100)，其用于支撑所述隔离层装置的中央区域中的所述谐振装置，所述隔离层装置包括多个隔离杆(210、608、1108)，所述隔离杆的每一个均在第一末端被粘接至所述中央区域并且在第二末端粘接至所述隔离层装置的边缘；

载体层装置(122、214)，其用于支撑所述隔离层装置的边缘。

14.如权利要求13所述的谐振陀螺仪，其中所述隔离层装置包括金属线迹(230、600、604、1106)，所述金属线迹被粘接至所述中央区域中的静电电极(124、206、708、1010)，所述中央区域横穿所述多个隔离杆至所述边缘，所述金属线迹从所述边缘处的所述隔离层装置被粘接至所述载体层中的传导连接件(110、216、610、1102、1204)，并且其中所述载体层中的所述传导连接件被粘接至球栅格阵列(BGA)(900、1308)。

15.如权利要求13或14所述的谐振陀螺仪，还包括封装所述谐振装置的帽层(220、800、1300)，其中所述帽层的内部包括一个或多个振动阻止件(224、808、1304)，以用于限制支撑所述谐振装置的隔离层装置的中央区域的移动，所述帽层的内部还包括薄膜吸气剂材料(226、810、1306)，并且其中围绕所述谐振装置和所述隔离层装置在所述帽层和载体层之间的中央区域形成真空。