CN104165623B - 一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪及其制备方法，包括：单晶硅基底、中心固定支撑柱、微型半球谐振子、外电极、外电极金属焊接板、玻璃基底、金属引线、圆形焊线盘、外电极金属连接柱内电极和种子层。本发明结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作；本发明可提供不同的驱动、检测方式及不同的工作模式，可工作在需要复杂控制的系统中；本发明可利用内电极和外电极分别进行驱动和检测，减小驱动电极和检测电极之间的寄生电容，提高检测精度；本发明为内电极和外电极提供了金属引线及圆形焊线盘，便于信号施加和信号提取。

Description

一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电技术领域的微型半球谐振陀螺仪，具体地，涉及一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪及其制备方法。

背景技术

陀螺仪是一种能够检测载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。因此，MEMS微陀螺的重要性不言而喻。特别地，微型半球谐振陀螺仪作为MEMS微陀螺的一个重要研究方向，已经成为该领域的一个研究热点。

经过现有技术的文献搜索发现，美国乔治亚理工学院L.D.Sorenson.等人在其论文“3-D MICROMACHINED HEMISPHERICAL SHELL RESONATORS WITH INTEGRATEDCAPACITIVE TRANSDUCERS”中介绍了一种底部单端固定的微型半球谐振陀螺仪，其支撑面积是由牺牲层的残留面积决定的，牺牲层的残留面积大小是由湿法刻蚀的时间、刻蚀溶液的浓度等决定的。然而，该陀螺仪仅设计了八个外电极作为驱动、检测和控制电极，较少的电极数量限制了其在复杂控制系统中的应用；该陀螺仪的八个外电极均位于单晶硅基底的表面，驱动、检测及控制电极之间存在一定的寄生电容及信号干扰，限制了其检测精度；该陀螺仪并未设计引线及焊线盘，不利于信号施加和信号提取。

基于此，迫切需要提出一种新的陀螺仪结构，使其避免或减小上述影响因素，同时扩展其应用范围。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪及其制备方法，所述微陀螺仪结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作，是一种新颖的加工工艺；可提供不同的驱动、检测方式及不同的工作模式，可工作在需要复杂控制的系统中。

根据本发明的一个方面，提供一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪，包括：单晶硅基底，中心固定支撑柱，微型半球谐振子，外电极，外电极金属焊接板，玻璃基底，金属引线，圆形焊线盘，外电极金属连接柱，内电极以及种子层；其中：所述中心固定支撑柱的一端与所述单晶硅基底连接、另一端与所述微型半球谐振子连接；所述外电极设置于所述单晶硅基底的下表面，并均匀地分布在所述微型半球谐振子的周围；所述外电极金属焊接板位于所述外电极的下表面，并与所述外电极金属连接柱相连；所述种子层位于所述玻璃基底的上表面；所述金属引线位于所述种子层的上表面，所述金属引线的一端与所述圆形焊线盘连接、另一端与所述外电极金属连接柱或所述内电极相连；所述圆形焊线盘位于所述种子层的上表面；所述内电极设置于所述种子层的上表面，并位于所述微型半球谐振子的内腔；所述外电极金属连接柱的下表面与所述种子层相连、上表面与所述外电极金属焊接板相连，并均匀地分布在所述内电极的外侧。所述微陀螺仪利用静电驱动的方式激励微型半球谐振子进行工作，其驱动模态和检测模态相互匹配。

优选地，所述内电极采用八个均匀分布式内电极或环形一体式内电极，所述八个均匀分布式内电极均匀地分布在所述微型半球谐振子的内腔。

优选地，所述单晶硅基底的材料为高阻硅，高阻硅材料用于减小不同外电极之间的信号干扰。

优选地，所述中心固定支撑柱的材料为二氧化硅。

优选地，所述微型半球谐振子的材料为掺杂金刚石或掺杂多晶硅，是微陀螺仪的主要振动体。

优选地，所述外电极的材料为硼离子掺杂硅，用于微陀螺仪的驱动、检测及控制。

优选地，所述外电极金属焊接板的材料为铬、铜。

优选地，所述金属引线的材料为金属镍，一部分用于连接所述圆形焊线盘与所述内电极，另一部分用于连接所述圆形焊线盘与所述外电极金属连接柱。

优选地，所述圆形焊线盘的材料为金属镍，用于信号施加和信号提取。

优选地，所述外电极金属连接柱分为两层，下层的材料为金属镍，位于所述种子层的上表面；上层的材料为铅锡，通过铅锡焊的方式与所述外电极金属焊接板相连。

优选地，所述内电极的材料为金属镍，用于微陀螺仪的驱动、检测及控制。

优选地，所述种子层的材料为铬、铜，用于电镀金属引线、圆形焊线盘、外电极金属连接柱及内电极。

根据本发明的另一个方面，提供一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：

第一步、对单晶硅基底进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、溅射、去胶工艺，以在单晶硅基底上得到硼离子掺杂硅材料的外电极以及铬、铜材料的外电极金属焊接板；

第二步、在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影、硅的各向同性刻蚀、去胶，以在单晶硅基底上得到半球形凹槽；

第三步、在第二步的基础上沉积二氧化硅，为制作微型半球谐振子及微小电极间隙提供牺牲层；

第四步、在第三步的基础上沉积掺杂金刚石或掺杂多晶硅，并进行化学机械抛光，以制作微型半球谐振子；

第五步、在第四步的基础上利用BOE溶液刻蚀二氧化硅牺牲层并控制刻蚀时间，以释放微型半球谐振子，将残余部分作为中心固定支撑柱；

第六步、在玻璃基底上溅射铬、铜种子层，为后续电镀金属引线、圆形焊线盘、外电极金属连接柱、内电极做准备；

第七步、在第六步的基础上涂胶、光刻、显影、电镀镍、去胶，以制作金属引线及圆形焊线盘；

第八步、在第七步的基础上涂胶、光刻、显影、电镀镍、电镀铅锡、去胶，以制作外电极金属连接柱；

第九步、在第八步的基础上涂胶、光刻、显影、电镀镍、去胶，以制作金属镍材料的内电极；

第十步、在第九步的基础上进行离子束刻蚀，以去除不需要的铬、铜种子层；

第十一步、在第五步和第十步的基础上倒置玻璃基底，对准外电极金属焊接板和外电极金属连接柱，通过铅锡焊连接外电极金属焊接板和外电极金属连接柱。

优选地，第一步中，在所述单晶硅基底上得到厚度为10μm-50μm的硼离子掺杂硅材料所述外电极，以及厚度为50nm-300nm的铬、铜材料所述外电极金属焊接板。

优选地，第二步中，在所述单晶硅基底上得到半径为300μm-700μm的所述半球形凹槽。

优选地，第三步中，沉积厚度为1μm-5μm的所述二氧化硅牺牲层。

优选地，第四步中，得到厚度为1μm-5μm的所述微型半球谐振子。

优选地，第五步中，得到半径为15μm-35μm的所述中心固定支撑柱。

优选地，第六步中，在所述玻璃基底上得到厚度为50nm-300nm的所述铬、铜种子层。

优选地，第七步中，在所述铬、铜种子层上电镀厚度为1μm-5μm的金属镍材料所述金属引线及所述圆形焊线盘。

优选地，第八步中，电镀厚度为3μm-10μm的金属镍及厚度为2μm-10μm的金属铅锡，以制作厚度为5μm-20μm的所述外电极金属连接柱。

优选地，第九步中，制作高度为20μm-70μm的金属镍材料所述内电极。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)所述微陀螺仪是结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作的，是一种新颖的加工工艺；

(2)所述微陀螺仪可提供不同的驱动、检测方式及不同的工作模式，在不减小电极面积的情况下，增加了电极数量，可使所述微陀螺仪工作在需要复杂控制的系统中；

(3)所述微陀螺仪可利用内电极和外电极分别进行驱动和检测，减小驱动电极和检测电极之间的寄生电容，提高检测精度；

(4)所述微陀螺仪为内电极和外电极提供了金属引线及圆形焊线盘，便于信号施加和信号提取。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1(a)-图1(k)为本发明一较优实施例的制备流程图；

图2(a)-图2(c)为本发明一较优实施例的三维结构图；

图3(a)-图3(b)为本发明另一实施例的三维结构图；

图中：1为单晶硅基底，2为中心固定支撑柱，3为微型半球谐振子，4为外电极，5为外电极金属焊接板，6为玻璃基底，7为金属引线，8为圆形焊线盘，9为外电极金属连接柱，10为内电极，11为种子层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图2(a)-图2(c)所示，本实施例提供一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪，包括：

一个单晶硅基底1；

一个中心固定支撑柱2；

一个微型半球谐振子3；

八个均匀分布式外电极4；

八个外电极金属焊接板5；

一个玻璃基底6；

十六个金属引线7；

十六个圆形焊线盘8；

八个外电极金属连接柱9；

八个均匀分布式内电极10；

一个种子层11；

其中：所述中心固定支撑柱2的一端与所述单晶硅基底1连接、另一端与所述微型半球谐振子3连接；所述外电极4设置于所述单晶硅基底1的下表面，并均匀地分布在所述微型半球谐振子3的周围；所述外电极金属焊接板5位于所述外电极4的下表面，并与所述外电极金属连接柱9通过铅锡焊的方式相连；所述种子层11位于所述玻璃基底6的上表面；所述金属引线7位于所述种子层11的上表面，且所述金属引线7的一端与所述圆形焊线盘8连接、另一端与所述外电极金属连接柱9或所述内电极10相连；所述圆形焊线盘8位于所述种子层11的上表面；所述内电极10设置于所述种子层11的上表面，并均匀地分布在所述微型半球谐振子3的内腔；所述外电极金属连接柱9的下表面与所述种子层11相连、上表面与所述外电极金属焊接板5相连，并均匀地分布在所述内电极10的外侧。

本实施例中，所述单晶硅基底1的材料为高阻硅，高阻硅材料可减小不同外电极4之间的信号干扰。

本实施例中，所述中心固定支撑柱2的材料为二氧化硅。

本实施例中，所述微型半球谐振子3的材料为掺杂金刚石或掺杂多晶硅，是微型半球谐振陀螺仪的主要振动体。

本实施例中，所述外电极4的材料为硼离子掺杂硅，用于微型半球谐振陀螺仪的驱动、检测及控制。

本实施例中，所述外电极金属焊接板5的材料为铬、铜。

本实施例中，所述金属引线7的材料为金属镍，从附图中可以看出，金属引线有多个，其中一部分用于所述圆形焊线盘8与所述内电极10的连接，另一部分用于所述圆形焊线盘8与所述外电极金属连接柱9的连接。

本实施例中，所述圆形焊线盘8的材料为金属镍，用于信号施加和信号提取。

本实施例中，所述外电极金属连接柱9分为两层，下层的材料为金属镍，位于所述种子层11的上表面；上层的材料为铅锡，通过铅锡焊的方式与所述外电极金属焊接板5相连。

本实施例中，所述内电极10的材料为金属镍，用于微型半球谐振陀螺仪的驱动、检测及控制。

本实施例中，所述种子层11的材料为铬、铜，用于电镀金属引线7、圆形焊线盘8、外电极金属连接柱9及内电极10。

本实施例中，所述微陀螺仪可工作在角速率模式下，在所述外电极金属连接柱9连接的所述圆形焊线盘8上施加交流驱动信号，在所述微型半球谐振子3上施加直流偏置信号，所述外电极4通过静电力使所述微型半球谐振子3工作在所需的驱动模态下，驱动模态的振动幅值和频率保持不变；当垂直于基体方向存在外加角速度时，检测模态的振动幅值会发生变化，该振动幅值的大小与外加角速度的大小成正比，同时引起部分所述外电极4与所述微型半球体谐振子3之间的电容发生变化；通过采集这部分所述外电极4上的信号变化可以计算检测模态振动幅值的大小，进而计算外加角速度的大小。

本实施例中，所述微陀螺仪也可以采集所述内电极10上的信号变化计算检测模态振动幅值的大小，进而计算外加角速度的大小，从而减小所述外电极4之间的寄生电容，提高检测精度。

本实施例中，所述微陀螺仪可以在所述内电极10上施加交流驱动信号，并在所述外电极4或所述内电极10上采集检测信号，提供不同的驱动、检测及控制方式。

本实施例中，所述微陀螺仪可以通过所述内电极10上的信号变化判断所述微陀螺仪的工作状态，在非正常工作状态下，通过控制算法在部分所述内电极10上施加控制信号，可调节微陀螺仪的工作状态，从而使微陀螺仪正常工作。

本实施例中，所述微陀螺仪也可工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式可直接检测外加角速度的大小，全角度模式可直接检测外加旋转角度的大小。

实施例2

如图1(a)-图1(k)所示，本实施例提供一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：

第一步、如图1(a)所示，对单晶硅基底进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、溅射、去胶工艺，以在单晶硅基底1上得到厚度为10μm-50μm的硼离子掺杂硅材料的外电极4以及厚度为50nm-300nm的铬、铜材料的外电极金属焊接板5；

第二步、如图1(b)所示，在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影、硅的各向同性刻蚀、去胶，以在单晶硅基底1上得到半径为300μm-700μm的半球形凹槽；

第三步、如图1(c)所示，在第二步的基础上沉积厚度为1μm-5μm的二氧化硅，为制作微型半球谐振子3及微小电极间隙提供牺牲层；

第四步、如图1(d)所示，在第三步的基础上沉积掺杂金刚石或掺杂多晶硅，并进行化学机械抛光，以制作厚度为1μm-5μm的微型半球谐振子3；

第五步、如图1(e)所示，在第四步的基础上利用BOE溶液刻蚀二氧化硅牺牲层并控制刻蚀时间，以释放微型半球谐振子3，将残余部分作为半径为15μm-35μm的中心固定支撑柱2；

第六步、如图1(f)所示，在玻璃基底6上溅射厚度为50nm-300nm的铬、铜种子层11，为后续电镀金属引线7、圆形焊线盘8、外电极金属连接柱9、内电极10做准备；

第七步、如图1(g)所示，在第六步的基础上涂胶、光刻、显影、电镀镍、去胶，以制作厚度为1μm-5μm的金属引线7及圆形焊线盘8；

第八步、如图1(h)所示，在第七步的基础上涂胶、光刻、显影、电镀厚度为3μm-10μm的金属镍、电镀厚度为2μm-10μm的金属铅锡、去胶，以制作厚度为5μm-20μm的外电极金属连接柱9；

第九步、如图1(i)所示，在第八步的基础上涂胶、光刻、显影、电镀镍、去胶，以制作高度为20μm-70μm的金属镍材料的内电极10。

第十步、如图1(j)所示，在第九步的基础上进行离子束刻蚀，以去除不需要的铬、铜种子层11；

第十一步、如图1(k)所示，在第五步和第十步的基础上倒置玻璃基底6，对准外电极金属焊接板5和外电极金属连接柱9，并通过铅锡焊连接外电极金属焊接板5和外电极金属连接柱9。

本实施例所述的微陀螺仪采用静电驱动的方式激励微型半球谐振子3进行工作，其驱动模态和检测模态相互匹配。

实施例3

与实施例1和实施例2基本相同，所不同的是：

如图3(a)、图3(b)所示，本实施例制备的微陀螺仪：所述的内电极10是环形一体式电极。

本实施例中，所述微陀螺仪中的所述内电极10只能提供单一控制信号，无法施加驱动信号和提取检测信号。

本实施例中，所述微陀螺仪可在所述内电极10上施加环形控制信号，从而使所述微陀螺仪工作在全角度模式下，直接检测外加旋转角度的大小。

当然在其他实施例中，具体部件的数目也可以适当变化，这对于本领域技术人员来说是很容易实现的。

本发明结合了MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作，是一种新颖的加工工艺；本发明中的微陀螺仪可提供不同的驱动、检测方式及不同的工作模式，可工作在需要复杂控制的系统中；本发明中的微陀螺仪可利用内电极和外电极分别进行驱动和检测，减小驱动电极和检测电极之间的寄生电容，提高检测精度；本发明中的微陀螺仪内电极和外电极提供了金属引线及圆形焊线盘，便于信号施加和信号提取。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，包括：单晶硅基底，中心固定支撑柱，微型半球谐振子，外电极，外电极金属焊接板，玻璃基底，金属引线，圆形焊线盘，外电极金属连接柱，内电极以及种子层；其中：所述中心固定支撑柱的一端与所述单晶硅基底连接、另一端与所述微型半球谐振子连接；所述外电极设置于所述单晶硅基底的下表面，并均匀地分布在所述微型半球谐振子的周围；所述外电极金属焊接板位于所述外电极的下表面，并与所述外电极金属连接柱相连；所述种子层位于所述玻璃基底的上表面；所述金属引线位于所述种子层的上表面，所述金属引线的一端与所述圆形焊线盘连接、另一端与所述外电极金属连接柱或所述内电极相连；所述圆形焊线盘位于所述种子层的上表面；所述内电极设置于所述种子层的上表面，并位于所述微型半球谐振子的内腔；所述外电极金属连接柱的下表面与所述种子层相连、上表面与所述外电极金属焊接板相连，并均匀地分布在所述内电极的外侧。

2.根据权利要求1所述的一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述内电极采用八个均匀分布式内电极或环形一体式内电极，所述八个均匀分布式内电极均匀地分布在所述微型半球谐振子的内腔。

3.根据权利要求1所述的一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述单晶硅基底的材料为高阻硅，所述中心固定支撑柱的材料为二氧化硅；所述微型半球谐振子的材料为掺杂金刚石或掺杂多晶硅；所述外电极的材料为硼离子掺杂硅，用于微陀螺仪的驱动、检测及控制；所述外电极金属焊接板的材料为铬、铜。

4.根据权利要求1所述的一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述金属引线的材料为金属镍，用于所述圆形焊线盘与所述内电极的连接，以及用于所述圆形焊线盘与所述外电极金属连接柱的连接；所述圆形焊线盘的材料为金属镍，用于信号施加和信号提取。

5.根据权利要求1所述的一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述外电极金属连接柱分为两层，下层的材料为金属镍，位于所述种子层的上表面；上层的材料为铅锡，通过铅锡焊的方式与所述外电极金属焊接板相连；所述内电极的材料为金属镍，用于微陀螺仪的驱动、检测及控制。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述种子层的材料为铬、铜，用于电镀金属引线、圆形焊线盘、外电极金属连接柱及内电极。

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的内外双电极式微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、对单晶硅基底进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、溅射、去胶工艺，以在单晶硅基底上得到硼离子掺杂硅材料的外电极以及铬、铜材料的外电极金属焊接板；

第二步、在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影、硅的各向同性刻蚀、去胶，以在单晶硅基底上得到半球形凹槽；

第三步、在第二步的基础上沉积二氧化硅，为制作微型半球谐振子及微小电极间隙提供牺牲层；

第四步、在第三步的基础上沉积掺杂金刚石或掺杂多晶硅，并进行化学机械抛光，以制作微型半球谐振子；

第五步、在第四步的基础上利用BOE溶液刻蚀二氧化硅牺牲层并控制刻蚀时间，以释放微型半球谐振子，将残余部分作为中心固定支撑柱；

第六步、在玻璃基底上溅射铬、铜种子层，为后续电镀金属引线、圆形焊线盘、外电极金属连接柱、内电极做准备；

第七步、在第六步的基础上涂胶、光刻、显影、电镀镍、去胶，以制作金属引线及圆形焊线盘；

第八步、在第七步的基础上涂胶、光刻、显影、电镀镍、电镀铅锡、去胶，以制作外电极金属连接柱；

第九步、在第八步的基础上涂胶、光刻、显影、电镀镍、去胶，以制作金属镍材料的内电极；

第十步、在第九步的基础上进行离子束刻蚀，以去除不需要的铬、铜种子层；

第十一步、在第五步和第十步的基础上倒置玻璃基底，对准外电极金属焊接板和外电极金属连接柱，通过铅锡焊连接外电极金属焊接板和外电极金属连接柱。

8.根据权利要求7所述的一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第一步中，在所述单晶硅基底上得到厚度为10μm-50μm的硼离子掺杂硅材料的所述外电极，以及厚度为50nm-300nm的铬、铜材料的所述外电极金属焊接板；第二步中，在所述单晶硅基底上得到半径为300μm-700μm的所述半球形凹槽；第三步中，沉积厚度为1μm-5μm的二氧化硅材料的所述牺牲层。

9.根据权利要求7所述的一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第四步中，得到厚度为1μm-5μm的所述微型半球谐振子；第五步中，得到半径为15μm-35μm的所述中心固定支撑柱；第六步中，在所述玻璃基底上得到厚度为50nm-300nm的所述铬、铜种子层。

10.根据权利要求7-9任一项所述的一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第七步中，在所述铬、铜种子层上电镀厚度为1μm-5μm的金属镍材料作为所述金属引线及所述圆形焊线盘；第八步中，电镀厚度为3μm-10μm的金属镍及厚度为2μm-10μm的金属铅锡，以制作厚度为5μm-20μm的所述外电极金属连接柱；第九步中，制作高度为20μm-70μm的金属镍材料作为所述内电极。