CN103528576A - 半球谐振式微机械陀螺仪及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半球谐振式微机械陀螺仪，其包括谐振层，谐振层包括半球球壳，半球球壳具有内凹的内表面及与内表面相对的外表面，半球球壳的顶点为其锚点，环绕半球球壳设置有多个硅球面电极，硅球面电极包括驱动电极、力平衡电极、信号检测电极、屏蔽电极，屏蔽电极将驱动电极、力平衡电极与信号检测电极分隔开，半球球壳与环绕其的多个硅球面电极形成多个电容；谐振层采用多晶硅或二氧化硅或氮化硅或金刚石材质。该半球谐振式微机械陀螺仪采用基于硅微细加工的工艺，其尺寸较小，生产成本较低，具有批量生产能力同时，其灵敏度不取决于其振幅，其驱动电压较低，可大大减小输出噪声，其精度可比现有的陀螺仪产品高。

Description

半球谐振式微机械陀螺仪及其加工工艺

技术领域

本发明涉及一种半球谐振微机械陀螺仪及其采用的基于硅微细加工的加工工艺。

背景技术

硅微机械陀螺仪由于具有体积小、成本低、功耗低、抗冲击、可靠性高等优点，在惯性测量领域有着广泛的应用前景。然而目前MEMS陀螺产品的精度远低于光纤陀螺和激光陀螺，主要是因为大多数MEMS谐振式陀螺的灵敏度取决于其振幅的大小，而噪声信号随振幅增加而变大，这就限制了信噪比的改善。由于灵敏度低，因此大大限制了其应用领域。

传统的半球谐振陀螺仪是由石英加工而成，其工作原理是根据一百多年前剑桥大学布瑞安教授关于杯体振动理论研制成功的。该理论指出半球型的杯体绕着杯的中心线旋转时，其四波腹振动图案将发生偏转。通过对偏转振动图样的相位变化的检测从而得到角加速度的信号。半球谐振子陀螺仪具有很精确的比例因子和令人满意的随机漂移及偏置稳定性，陀螺的增益和比例因子与材料无关，而仅仅是薄壳体上产生的应力波振荡模的函数，对外界环境（加速度、振动、温度等）不敏感，甚至不用温度补偿，所以半球谐振陀螺被惯性技术界公认的目前性能最好的陀螺产品之一，其精度比光纤陀螺和激光陀螺还要高，此外其还有分辨率高，测量范围宽，抗过载，抗辐射，抗干扰等优点。

然而，传统的半球谐振陀螺是由融熔石英加工而成，加工难度大，成本高，价格高达几十万到一百万美元，因此无法得到广泛的应用。另外其体积也较大，目前最小尺寸直径也达到20毫米。因此，研制新一代微型低成本半球谐振陀螺自然成为惯性技术界的新的目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种精度高、体积小、成本低的基于相位检测原理的新型MEMS半球谐振式陀螺仪及其采用的基于硅微细加工的加工工艺。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种半球谐振式微机械陀螺仪，其包括谐振层，所述的谐振层包括半球球壳、环绕所述的半球球壳设置的多个硅球面电极，所述的硅球面电极包括驱动电极、力平衡电极、信号检测电极、屏蔽电极，所述的屏蔽电极将所述的驱动电极、所述的力平衡电极与所述的信号检测电极分隔开，所述的屏蔽电极交汇于一点且该交汇点即为所述的半球球壳的锚点，所述的半球球壳与环绕其的多个所述的硅球面电极形成多个电容；所述的半球球壳采用多晶硅或二氧化硅或氮化硅或金刚石材质。

优选的，所述的硅球面电极为20个或24个，其包括8个所述的屏蔽电极，所述的屏蔽电极在所述的半球球壳的周向上均匀分布。

优选的，所述的半球球壳的半径为600-1800μm，优选值为800-1200μm；所述的半球球壳的厚度为0.5-2.5μm，优选值为1.5-2.0μm。

优选的，所述的半球球壳的工作谐振模态，即最低谐振模态为四波腹模态，其谐振频率为2000-15000Hz，优选值为6000-8000Hz。

优选的，所述的谐振层的靠近所述的半球球壳的一侧键合有第一封盖层，所述的谐振层的靠近所述的硅球面电极的一侧键合有第二封盖层；所述的第一封盖层为玻璃片或长有二氧化硅层的硅片，所述的第二封盖层采用含有通孔玻璃的玻璃材质或含有通孔硅的硅材质，所述的通孔玻璃或所述的通孔硅将所述的硅球面电极引到所述的半球谐振式微机械陀螺仪的表面。

一种上述半球谐振式微机械陀螺仪的加工工艺，其包括如下步骤：

（1）在硅晶圆的一面腐蚀一个半球坑；

（2）在所述的半球坑的内表面的生长一层二氧化硅形成热氧化层，再在所述的热氧化层外侧淀积一层半球球壳层；所述的半球球壳层为多晶硅层或二氧化硅层或氮化硅层或金刚石薄膜；

（3）去除所述的半球坑的内表面以外部分具有的所述的热氧化层及所述的半球球壳层；

（4）在所述的硅晶圆的另一面刻蚀出环绕所述的半球球壳层的所述的硅球面电极，所述的热氧化层作为刻蚀时的阻挡层；刻蚀后腐蚀掉所述的热氧化层，所述的半球球壳层形成所述的半球球壳悬于所述的锚点上，所述的半球球壳与环绕其的多个所述的硅球面电极形成多个电容；

（5）在所述的硅晶圆的表面淀积金属并光刻完成金属化，最终加工形成所述的谐振层。

优选的，所述的步骤（4）中，在所述硅晶圆上通过光刻及DRIE深度刻蚀法刻蚀出深槽形成所述的硅球面电极，刻蚀时采用V形槽光刻板图，所述的深槽的宽度与所述的硅晶圆的厚度呈正比。

优选的，所述的步骤（1）中，采用各向同性腐蚀法腐蚀出所述的半球坑，所述的各向同性腐蚀法包括干法腐蚀和湿法腐蚀；

所述的步骤（3）中，采用机械抛光法去除所述的热氧化层及所述的多晶硅层；

所述的步骤（4）中，采用气态氢氟酸腐蚀掉所述的热氧化层。

优选的，所述的热氧化层的厚度为1-2μm。

优选的，所述的步骤（3）中，去除所述的热氧化层及所述的半球球壳层后，在所述的硅晶圆的靠近所述的半球球壳的一侧键合所述的第一封盖层；

所述的步骤（5）中，在所述的硅晶圆的靠近所述的硅球面电极的一侧键合所述的第二封盖层；当所述的第二封盖层采用所述的玻璃材质时，采用阳极氧化硅-玻键合方式，在所述的第二封盖层的与所述的谐振层相键合的表面开设浅槽，并在所述的浅槽中淀积一层吸气剂膜层，再进行键合；当所述的第二封盖层采用所述的硅材质时，采用硅-硅直接键合方式。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的灵敏度不取决于其振幅，其驱动电压较低，可大大减小输出噪声，其精度可比现有的陀螺仪产品高；

2、本发明的半球谐振式微机械陀螺仪采用基于硅微细加工的工艺，使其尺寸较小，可以降低生产成本，具有批量生产能力。

附图说明

附图1为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的硅球面电极的分布示意图。

附图2为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的屏蔽电极支撑半球球壳的示意图。

附图3为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的加工工艺流程图。

附图4为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪通过刻蚀深槽形成硅球面电极的窗口图。

附图5为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的硅晶圆的截面示意图。

附图6为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪在未键合第二封盖层时的示意图。

附图7为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的工作原理图。

附图8为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的四波腹模态分析图。

附图9为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的三波腹模态分析图。

附图10为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的五波腹模态分析图。

附图11为本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的摆式谐振模态分析图。

以上附图中：1、谐振层；2、半球球壳；3、深槽；4、驱动电极；5、力平衡电极；6、信号检测电极；7、屏蔽电极；8、热氧化层；9、第一封盖层；10、半球坑。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种半球谐振式微机械陀螺仪，其包括谐振层1、分别键合于谐振层1两侧的第一封盖层9和第二封盖层。参见附图1和附图2所示。

谐振层1包括半球球壳2、环绕半球球壳2设置的多个硅球面电极。半球球壳2采用多晶硅或二氧化硅或氮化硅或金刚石材质，在本实施例中，选用多晶硅。硅球面电极通过在硅晶圆上刻蚀多条深槽3形成，其材料为高掺杂单晶硅。硅球面电极的个数为20个或24个，其包括驱动电极4、力平衡电极5、信号检测电极6、屏蔽电极7。在本实施例中，具有8个屏蔽电极7，其在环绕半球球壳2的周向上均匀分布，屏蔽电极7将驱动电极4、力平衡电极5与信号检测电极6分隔开，从而降低驱动电极4与信号检测电极6之间的耦合系数，降低了正交误差和噪声。屏蔽电极7相交汇于一点且该交汇点为半球球壳2的锚点，这样屏蔽电极7可以起到支撑半球球壳2的作用。半球球壳2与环绕其的多个硅球面电极形成多个电容。半球球壳2的半径为600-1800μm，优选值为800-1200μm；而半球球壳2的厚度为0.5-2.5μm，优选值为1.5-2.0μm。

第一封盖层9为玻璃片或长有二氧化硅层的硅片。第二封盖层采用含有通孔玻璃的玻璃材质或含有通孔硅的硅材质，通孔玻璃或通孔硅将硅球面电极引到半球谐振式微机械陀螺仪的表面。

参见附图3所示，上述半球谐振式微机械陀螺仪采用基于硅微细加工技术的加工工艺。该工艺包括如下步骤：

（1）采用各向同性腐蚀方法（包括干法腐蚀和湿法腐蚀）在（111）硅晶圆片上腐蚀出一个半径为800-1200μm的半球坑10，腐蚀面要光滑如镜；

（2）在半球坑10的内表面的生长一层厚度约为1-2μm的热氧化层8，该热氧化层8为二氧化硅层，再在热氧化层8外侧淀积一层LPCVD多晶硅层，即半球球壳层；

（3）采用机械抛光法去除半球坑10的内表面以外部分具有的热氧化层8及多晶硅层，仅在半球坑10的内表面上保留热氧化层8和多晶硅层；在硅晶圆的靠近多晶硅层的一侧采用阳极氧化法与一块玻璃片进行硅-玻键合，或是与一块长有一层二氧化硅层的硅片直接键合，即键合第一封盖层9；

（4）在硅晶圆的另一侧通过光刻及DRIE干法深度刻蚀法刻蚀出深槽3形成环绕半球球壳2的硅球面电极，并牺牲掉热氧化层形成谐振层1。热氧化层8作为刻蚀时的阻挡层。参见附图4和附图5所示，刻蚀时采用V形槽光刻板图，深槽3的宽度与硅晶圆的厚度呈正比。由于半球坑10的存在使硅晶圆的截面厚度不均，生长于其上的热氧化层8也呈球面，在由上至下（“上”、“下”指如附图4中所示的上、下方向）刻蚀深槽3时，刻蚀速率与深槽3的窗口宽度呈正比，硅晶圆较薄之处可能已经穿透而硅晶圆较厚之处还未刻蚀结束。为了防止这种现象的发生，采用上述V形槽光刻板图，即靠近锚点处深槽3的窗口宽度较窄，而靠近半球球壳2的边缘处深槽3的窗口宽度较宽。这样，在硅晶圆上呈现出的深槽3由锚点向半球球壳2的边缘方向大致呈“V”形。在刻蚀时，靠近锚点位置的刻蚀速率较小，而靠近半球球壳2的边缘处的刻蚀速率较大，这样即可保证刻蚀到达阻挡层的时间接近一致，从而避免刻蚀尚未结束时就已在某些区域出现穿透的现象。硅球面电极刻蚀后，采用气态氢氟酸（VAPOR HF）腐蚀掉热氧化层8，这样半球球壳层形成半球球壳2并悬于锚点上，半球球壳2与环绕其的多个硅球面电极形成多个电容。传统的石英半球陀螺仪采用金属镀膜法，电极之间的横向截面很小，相互之间的信号耦合系数也小。而本发明的半球谐振式微机械陀螺仪的电极采用高掺杂单晶硅球面电极，其横向截面较大，相互之间的耦合系数也较大，容易产生噪声干扰。增加可屏蔽电极7后，不仅可以支撑半球球壳2，还可把噪声干扰降至最低；

（5）在上述做完热氧化层牺牲释放的硅晶圆表面淀积金属并光刻完成金属化最终加工形成谐振层1，参见附图6所示。在谐振层1的靠近硅球面电极的一侧真空键合第二封盖层，使半球球壳2完全封闭于真空中。第二封盖层采用玻璃或硅材质并含有通孔玻璃或通孔硅，通孔硅或通孔玻璃将各个硅球面电极连接到陀螺仪的表面。当第二封盖层采用玻璃材质时，采用阳极氧化硅-玻键合方式，为了尽可能提高Q值，在第二封盖层的与谐振层1相键合的表面开设浅槽，并在浅槽中淀积一层吸气剂膜层，再进行键合；当第二封盖层采用硅材质时，采用硅-硅直接键合方式，由于是高温键合，气密性较好，因此无需淀积吸气剂膜层。在键合完的第二封盖层上光刻打孔，并溅射淀积金属电极，切片，完成加工工艺。

参见附图7至附图11所示。其工作原理为：半球球壳2作为谐振子绕中心轴旋转时产生哥氏效应而使其振动波型在环向相对半球球壳2进动。当半球球壳2绕中心轴转过

角时，振动波型相对半球球壳2反向转过θ角，且有

其中K为进动因子。只要精确测出振动波型相对半球球壳2转过的角度θ就可以测出半球球壳2绕中心轴转过的角度

对转动角

微分便可求得角速率Ω，

所以半球谐振式陀螺仪的测量对象实际上就是对谐振模态的相位的测量，这不同于通常通过测量振幅的硅微机械谐振式陀螺。目前绝大多数MEMS陀螺是基于测量谐振振幅大小的，其灵敏度取决于振幅的大小，而噪声信号随振幅增加而变大，这就限制了信噪比的改善。而半球谐振陀螺的灵敏度不取决于振幅，驱动电压可以很低，这样可以大大减小输出噪声。硅MEMS半球谐振陀螺仪精度因此比目前的MEMS梳齿式陀螺产品提高一至三个数量级。

半球球壳2的谐振模态可通过有限元分析得到，附图8至附图11是典型的几个谐振模态，包括四波腹谐振模态、三波腹谐振模态、五波腹谐振模态以及摆式谐振模态。上述半球球壳2的工作谐振模态，即最低谐振模态为四波腹模态，其谐振频率为2000-15000Hz，优选值为6000-8000Hz。低谐振模态的工作稳定性通常比高次谐振模态更稳定。

本发明提出硅半球谐振式陀螺仪是采用各向同性腐蚀工艺制作，再加上三维球面光刻和体硅制作工艺，半球球壳2的直径在2mm左右或更小，半球球壳2的厚度为1-2μm。本发明提出硅半球谐振式陀螺仪由于采用的是MEMS微细加工技术，实现了晶圆级封装，具有批量生产的能力，可以大大降低成本，并保留了半球陀螺高精度等优点，其将有可能在惯性技术领域带来的一场革命，将使得未来的导航系统成为通用的、低价的导航系统。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半球谐振式微机械陀螺仪，其特征在于：其包括谐振层，所述的谐振层包括半球球壳、环绕所述的半球球壳设置的多个硅球面电极，所述的硅球面电极包括驱动电极、力平衡电极、信号检测电极、屏蔽电极，所述的屏蔽电极将所述的驱动电极、所述的力平衡电极与所述的信号检测电极分隔开，所述的屏蔽电极交汇于一点且该交汇点即为所述的半球球壳的锚点，所述的半球球壳与环绕其的多个所述的硅球面电极形成多个电容；所述的半球球壳采用多晶硅或二氧化硅或氮化硅或金刚石材质。

2.根据权利要求1所述的半球谐振式微机械陀螺仪，其特征在于：所述的硅球面电极为20个或24个，其包括8个所述的屏蔽电极，所述的屏蔽电极在所述的半球球壳的周向上均匀分布。

3.根据权利要求1或2所述的半球谐振式微机械陀螺仪，其特征在于：所述的半球球壳的半径为600-1800μm，优选值为800-1200μm；所述的半球球壳的厚度为0.5-2.5μm，优选值为1.5-2.0μm。

4.根据权利要求1或2所述的半球谐振式微机械陀螺仪，其特征在于：所述的半球球壳的工作谐振模态，即最低谐振模态为四波腹模态，其谐振频率为2000-15000Hz，优选值为6000-8000Hz。

5.根据权利要求1或2所述的半球谐振式微机械陀螺仪，其特征在于：所述的谐振层的靠近所述的半球球壳的一侧键合有第一封盖层，所述的谐振层的靠近所述的硅球面电极的一侧键合有第二封盖层；所述的第一封盖层为玻璃片或长有二氧化硅层的硅片，所述的第二封盖层采用含有通孔玻璃的玻璃材质或含有通孔硅的硅材质，所述的通孔玻璃或所述的通孔硅将所述的硅球面电极引到所述的半球谐振式微机械陀螺仪的表面。

6.一种如权利要求1所述的半球谐振式微机械陀螺仪的加工工艺，其特征在于：其包括如下步骤：

（1）在硅晶圆的一面腐蚀一个半球坑；

（2）在所述的半球坑的内表面的生长一层二氧化硅形成热氧化层，再在所述的热氧化层外侧淀积一层半球球壳层；所述的半球球壳层为多晶硅层或二氧化硅层或氮化硅层或金刚石薄膜；

（3）去除所述的半球坑的内表面以外部分具有的所述的热氧化层及所述的半球球壳层；

（4）在所述的硅晶圆的另一面刻蚀出环绕所述的半球球壳层的所述的硅球面电极，所述的热氧化层作为刻蚀时的阻挡层；刻蚀后腐蚀掉所述的热氧化层，所述的半球球壳层形成所述的半球球壳悬于所述的锚点上，所述的半球球壳与环绕其的多个所述的硅球面电极形成多个电容；

（5）在所述的硅晶圆的表面淀积金属并光刻完成金属化，最终加工形成所述的谐振层。

7.根据权利要求6所述的半球谐振式微机械陀螺仪的加工工艺，其特征在于：所述的步骤（4）中，在所述硅晶圆上通过光刻及DRIE深度刻蚀法刻蚀出深槽形成所述的硅球面电极，刻蚀时采用V形槽光刻板图，所述的深槽的宽度与所述的硅晶圆的厚度呈正比。

8.根据权利要求6或7所述的半球谐振式微机械陀螺仪的加工工艺，其特征在于：所述的步骤（1）中，采用各向同性腐蚀法腐蚀出所述的半球坑，所述的各向同性腐蚀法包括干法腐蚀和湿法腐蚀；

所述的步骤（3）中，采用机械抛光法去除所述的热氧化层及所述的多晶硅层；

所述的步骤（4）中，采用气态氢氟酸腐蚀掉所述的热氧化层。

9.根据权利要求6或7所述的半球谐振式微机械陀螺仪的加工工艺，其特征在于：所述的热氧化层的厚度为1-2μm。

10.根据权利要求6或7所述的半球谐振式微机械陀螺仪的加工工艺，其特征在于：所述的步骤（3）中，去除所述的热氧化层及所述的半球球壳层后，在所述的硅晶圆的靠近所述的半球球壳的一侧键合所述的第一封盖层；

所述的步骤（5）中，在所述的硅晶圆的靠近所述的硅球面电极的一侧键合所述的第二封盖层；当所述的第二封盖层采用所述的玻璃材质时，采用阳极氧化硅-玻键合方式，在所述的第二封盖层的与所述的谐振层相键合的表面开设浅槽，并在所述的浅槽中淀积一层吸气剂膜层，再进行键合；当所述的第二封盖层采用所述的硅材质时，采用硅-硅直接键合方式。

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