CN103398707A

CN103398707A - 一种三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪及其制备方法

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Publication number: CN103398707A
Application number: CN2013101770080A
Authority: CN
Inventors: 夏敦柱; 孔伦; 虞成; 胡异炜
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-05-14
Also published as: CN103398707B

Abstract

本发明公开一种三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，包括第一硅片、第二硅片、第三硅片、微半球壳、驱动电极和检测电极，第一硅片设在第二硅片的上方、第三硅片设在第二硅片的下方；微半球壳设在第一硅片和第二硅片之间，微半球壳壳底与第二硅片固定连接，上边缘与第一硅片的下表面接触；驱动电极设在微半球壳的外围，一端与第三硅片固定连接，另一端穿过第二硅片与第一硅片活动连接；检测电极一端与第一硅片固定连接，另一端与微半球壳内壁活动连接。本发明三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产，用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有极为广阔的应用前景。

Description

一种三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电陀螺仪的设计领域，特别是一种三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪及其制备方法。

背景技术

陀螺仪的发展经历了从20世纪50年代的液浮陀螺仪到70年代的动力调谐陀螺仪，从80年代的环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪到90年代的振动陀螺仪，直到目前研究报道较多的微电子机械系统(micro-electro-mechanical-system，MEMS)陀螺仪。这其中，基于振动理论的振动陀螺仪，由于没有高速旋转的转子和相应的支承系统，因而具有性能稳定、结构简单、可靠性高、承载能力大、体积小、成本低的特点，其机理是利用高频振动的物体在旋转时所产生的哥氏（Coriolis）效应来测量角速度。目前有音叉振动陀螺仪、压电振动陀螺仪、壳体谐振陀螺仪等结构形式。在各类振动陀螺仪中，半球谐振陀螺仪（Hemispherical Resonator Gyroscope,HRG）的发展前景最为广阔。

美国是世界上最早开始研究HRG的国家，早在20世纪60年代，美国的Delco公司就着手开发HRG，并于1979年首次申请并获得HRG的发明专利。此后，HRG的研究应用得到了快速发展，并在捷联导航系统、哈勃太空望远镜以及NEAR宇宙飞船、A2100系列卫星、Cassini宇宙飞船等空间飞行器上得到成功应用。俄罗斯的HRG研制起步早，在陀螺仪的设计、信号处理以及系统设计上，其理论都是相当领先的。2002年底，俄罗斯拉明斯克设计局研制的HRG已完成项目的全部论证，并考虑正式投入装备应用。英国于1984年开始研究HRG的工作原理，英国宇航系统与设备有限公司早就在研究圆柱壳式振动陀螺仪，并有向HRG发展的趋向。法国利用俄罗斯的人员和技术，已开发出直径为20mm的HRG。此外，中国台湾大学对半球谐振陀螺仪模态进行了分析，并对谐振子半径为50mm的样机进行了试验研究。北京航空航天大学、东北大学、南京航空航天大学等从理论上对半球谐振子的参数设计、振动等问题进行了分析。中国电子科技集团26所一直坚持HRG的研制工作，并已取得了较大的进展，它前期利用俄罗斯技术，在直径为60mm的HRG制作工艺上取得了突破，开发出了相应的高性能样机，目前主要开发直径为30mm的HRG，并于2012年10月成功完成卫星闭环控制实验。

以上所述的半球谐振陀螺仪皆属于传统型半球谐振陀螺仪，其尺寸相对较大（毫米量级以上），不能称得上为微陀螺仪，这也从一方面限制了它的应用范围。而利用MEMS技术制造而成的硅微半球谐振陀螺仪将具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，预期可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有广阔的应用前景。

而目前，与微半球谐振陀螺仪的广阔发展前景相对应的是，我国的微加工技术水平较低，与国外的先进技术水平还存在一定的差距。因此，研究出符合我国国情的微加工工艺技术，并在此基础上进行改进提升是提高我国微加工技术水平的关键所在。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题在于提供一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪及其制备方法。

技术方案：本发明所述的三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，包括第一硅片、第二硅片、第三硅片、微半球壳、驱动电极和检测电极，所述第一硅片设在第二硅片的上方、第三硅片设在第二硅片的下方，所述微半球壳设在第一硅片和第二硅片之间，微半球壳壳底与第二硅片固定连接，微半球壳上边缘与第一硅片的下表面接触；所述驱动电极设在第一硅片和第三硅片之间、微半球壳的外围，驱动电极一端与第三硅片固定连接，另一端穿过第二硅片与第一硅片活动连接；所述检测电极一端与第一硅片固定连接，另一端与微半球壳内壁活动连接。

为了能够达到体积小、重量轻，所述微半球壳直径为1-3毫米，厚度为5-15微米。

为了保持器件真空封装的真空度，所述第一硅片上、且与第二硅片相对一面设有纳米吸气剂。

作为优选，所述驱动电极为4n个，其中n为大于或等于1的整数。

为了便于组装，所述第一硅片上设有与驱动电极对应的插孔，所述插孔设在检测电极的外围。

为了便于能使驱动电极穿过第二硅片与第一硅片连接，所述第二硅片上设有与驱动电极对应的通孔。

为了使微半球壳能被静电驱动，所述超薄微半球壳材料为金属，电极材料为多晶硅。

上述三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪的加工方法，主要包括以下步骤：

（1）在第二硅片的背后刻蚀出八个通孔；

（2）在第二硅片正面淀积二氧化硅作为模板层，并开小窗口作为各向同性刻蚀的开口；

（3）用SF₆各向同性刻蚀得到硅的微半球模子，并通入氢气在高温下退火以降低表面粗糙度；

（4）通过溅射、淀积或热氧化等方法制备微半球结构；

（5）利用化学机械研磨去除第二硅片上表面淀积或溅射得到的结构材料，将单晶硅暴露在外；

（6）对球壳材料进行退火处理，提前释放淀积或溅射结构材料时所产生的内应力；

（7）选择SF₆、XeF₂、TMAH或KOH，释放微半球壳结构；

（8）在第三硅片上刻蚀出驱动电极；在第一硅片上刻蚀制备检测电极；

（9）通过步骤（1）中预先刻蚀好的通孔，将驱动电极从微半球壳下方与微半球壳装配在一起，同时将检测电极与微半球壳进行组装，并进行真空封装。

其中步骤（7）中XeF2对大部分材料都具有较高的选择性（>1000∶1），SF6的选择性稍差（200∶1左右），TMAH与KOH都属于强碱，对某些金属的选择性不是很高。另外，如果所释放的微半球壳材料为二氧化硅、氮化硅等电介质时，则需要在球壳结构释放后对球壳进行金属化处理，以便球壳能被静电驱动；

作为优选，所述步骤（4）中，当所选材料为金属时，选择溅射的方法；当所选材料是多晶硅或氮化硅时，则需要用低压化学气相淀积的方法；当所选材料是二氧化硅，则通过高温热氧化上述硅的微半球模子，得到高质量的二氧化硅薄膜。

作为优选，所述步骤（7）中所述微半球壳材料为金属或二氧化硅，当微半球壳材料为金属时，保护多晶硅电极的材料为二氧化硅；当微半球壳材料为二氧化硅时，保护多晶硅电极的材料为氮化硅，并且在释放微半球壳后对其进行金属化处理。

本发明未特别限定的技术均为现有技术。

有益效果：本发明具有以下有益效果：

一、采用硅材料作为加工结构，硅具有很好的实现电学性能和机械性能的优点，通过MEMS工艺加工，成本低，可大批量生产。

二、使用该加工工艺生产的微半球谐振陀螺仪性能稳定、结构简单、可靠性高、承载能力大、成本低、功耗小，性能相比于传统半球谐振陀螺仪来说有了进一步提升，其尺寸更小，品质因数更高，重量更轻，应用范围也更广。

三、提出了一种加工该微半球谐振陀螺仪谐振子的加工方法，该加工方法结合了表面微加工技术与体微加工技术。具体来说，该加工方法将微半球壳、驱动电极以及检测电极分别制作在三片不同的硅片上，这样的好处是加工工艺简单，与我国目前的加工技术水平相适应。

附图说明

图1为本发明三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪的结构示意图；

图2为三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪第一硅片的结构示意图；

图3为三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪第二硅片的结构示意图；

图4为三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪第三硅片的结构示意图；

图5为三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪主要的加工工艺流程图；

图5（a）-（h）为三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪主要的加工工艺流程图；

图中1插孔、2纳米吸气剂、3检测电极、4第一硅片、5微半球壳、6第二硅片、7通孔、8驱动电极、9第三硅片。

具体实施方式

实施例1

如图1-4所示三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，包括第一硅片、第二硅片、第三硅片、微半球壳、驱动电极和检测电极，所述第一硅片设在第二硅片的上方、第三硅片设在第二硅片的下方，所述微半球壳设在第一硅片和第二硅片之间，微半球壳壳底与第二硅片固定连接，微半球壳上边缘与第一硅片的下表面接触；所述驱动电极设在第一硅片和第三硅片之间、微半球壳的外围，驱动电极一端与第三硅片固定连接，另一端穿过第二硅片与第一硅片活动连接；所述检测电极一端与第一硅片固定连接，另一端与微半球壳内壁活动连接。

如图5所示上述三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪结构的加工方法，主要包括以下步骤：

（1）在第二硅片的背后刻蚀出八个通孔，深度为250微米，用于最后一步组装驱动电极；

（4）选用材料为金属，选择溅射的方法，制备金属微半球结构；

（5）利用化学机械研磨（CMP）去除第二硅片上表面溅射得到的结构材料，从而将单晶硅暴露在外以便后续释放球壳；

（6）为了防止金属被氧化，需要使用快速热处理（RTP）的方法对球壳材料进行退火处理，以提前释放淀积或溅射结构材料时所产生的内应力，这些应力在结构释放时会让球壳无法保持其形状，通常表现为薄膜卷起。

（7）选用SF₆干法刻蚀，释放微半球壳，微半球壳直径为1毫米，厚度为10微米；

（8）在第三硅片上刻蚀出8个驱动电极，其中需要注意的是，为了确保电极之间的静电隔离，需要使用SOI（Silicon-on-Insulator）的晶圆；在第一硅片上刻蚀制备检测电极，该过程需要应用Glass reflow工艺，在硼硅酸盐玻璃上做出一圈静电隔离的电极；

（9）通过步骤（1）中预先刻蚀好的通孔，将驱动电极从微半球壳下方与微半球壳装配在一起，同时将检测电极与微半球壳进行组装，并进行真空封装，纳米吸气剂也会被集成在硼硅酸盐玻璃上以便保持器件真空封装的真空度。

需要注意的是，在加工步骤（8）中检测电极的加工利用改进的Glass reflow工艺，其具体步骤为：第一，在高度掺杂的硅片上刻蚀出直立长50微米的柱子；第二，利用阳极键合技术，在300摄氏度的真空中将一个厚度500微米的硼硅酸盐玻璃片与刻蚀完成的硅片键合一起，硅片上被刻蚀的一面朝向玻璃；第三，将键合好的晶圆在高温炉中加热到750摄氏度，真空使得玻璃在融化的状态下被真空吸入刻蚀出的槽中；第四，化学机械研磨将玻璃片磨平，并且使得硅暴露；第五，进行一次背面对准的光刻，将作为电极的柱子刻蚀出来，从而得到检测电极结构。

另外，在加工步骤（9）中，各个晶片是采用覆晶技术（flip chip，即倒晶封装法）进行组装的，因此，需要进行两次倒晶法组装，其对准误差可以精确控制在1微米以下。封装方法具体为：首先采用覆晶技术将驱动电极所在的第三硅片与微半球壳所在的第二硅片组装在一起，然后再次采用覆晶技术将组装好的晶片与检测电极所在的第一硅片组装，最后在真空条件下进行封装即可。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是所述三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪结构的加工方法的步骤(4)为：选用材料是多晶硅，用低压化学气相淀积（LPCVD）的方法制备多晶硅微半球结构；

所述步骤(5)为：利用化学机械研磨（CMP）去除第二硅片上表面淀积得到的结构材料，从而将单晶硅暴露在外以便后续释放球壳；

所述步骤（6）为：对球壳材料进行退火处理，以提前释放淀积或溅射结构材料时所产生的内应力，这些应力在结构释放时会让球壳无法保持其形状，通常表现为薄膜卷起。

实施例3

与实施例2基本相同，所不同的是所述三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪结构的加工方法的步骤(4)为：选用材料是氮化硅，用低压化学气相淀积（LPCVD）的方法制备多晶硅微半球结构。

实施例4

与实施例1基本相同，所不同的是所述三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪结构的加工方法的步骤(4)为：选用材料是二氧化硅，通过高温热氧化上述硅的微半球模子可以得到高质量的二氧化硅薄膜。

实施例5

与实施例1基本相同，所不同的是所述三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪结构的加工方法的步骤（7）为:选用TMAH湿法腐蚀，释放球壳结构。

工作原理：微半球谐振陀螺仪的各个晶片是利用覆晶技术（Flip chip，即倒晶封装法）进行组装的，其对准误差可以精确控制在1微米以下，而且由于驱动电极已经与微半球壳集成在同一块硅片上，因此只需进行一次倒晶法将检测电极和微半球壳所在的两块硅片组装，最后再进行真空封装即可。

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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims

1.一种三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：包括第一硅片、第二硅片、第三硅片、微半球壳、驱动电极和检测电极，所述第一硅片设在第二硅片的上方、第三硅片设在第二硅片的下方，所述微半球壳设在第一硅片和第二硅片之间，微半球壳壳底与第二硅片固定连接，微半球壳上边缘与第一硅片的下表面接触；所述驱动电极设在第一硅片和第三硅片之间、微半球壳的外围，驱动电极一端与第三硅片固定连接，另一端穿过第二硅片与第一硅片活动连接；所述检测电极一端与第一硅片固定连接，另一端与微半球壳内壁活动连接。

2.如权利要求1所述的三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述微半球壳直径为1-3毫米，厚度为5-15微米。

3.如权利要求1所述的三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述第一硅片上、且与第二硅片相对一面设有纳米吸气剂。

4.如权利要求1所述的三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极为4n个，其中n为大于或等于1的整数。

5.如权利要求1-4任意一项所述的三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述第一硅片上设有与驱动电极对应的插孔，所述插孔设在检测电极的外围。

6.如权利要求1-4任意一项所述的三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述第二硅片上设有与驱动电极对应的通孔。

7.如权利要求1-4任意一项所述的双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述微半球壳材料为金属或二氧化硅，当微半球壳材料为金属时，保护多晶硅电极的材料为二氧化硅；当微半球壳材料为二氧化硅时，保护多晶硅电极的材料为氮化硅，并且在释放微半球壳后对其进行金属化处理。

8.如权利要求1-7所述的三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪的加工方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

（1）在第二硅片的背后刻蚀出八个通孔；

（4）通过溅射、淀积或热氧化等方法制备微半球结构；

（7）选择SF₆、XeF₂、TMAH或KOH，释放微半球壳结构；

9.如权利要求8所述的加工方法，其特征在于：所述步骤（4）中，当所选材料为金属时，选择溅射的方法；当所选材料是多晶硅或氮化硅时，则需要用低压化学气相淀积的方法；当所选材料是二氧化硅，则通过高温热氧化上述硅的微半球模子，得到高质量的二氧化硅薄膜。

10.如权利要求8所述的加工方法，其特征在于：所述步骤（7）中所述微半球壳材料为金属或二氧化硅，当微半球壳材料为金属时，保护多晶硅电极的材料为二氧化硅；当微半球壳材料为二氧化硅时，保护多晶硅电极的材料为氮化硅，并且在释放微半球壳后对其进行金属化处理。