CN104197910A - 基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪及其制备方法，包括：一个单晶硅基底、八个均匀分布式电极、一个微型半球谐振子、一个背部圆形孔、一个粘附层，其中：微型半球谐振子依靠背部圆形孔进行精确定位及自动对准并通过粘附层固定在单晶硅基底上，八个电极均匀地分布在微型半球谐振子的周围；采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分别相互匹配。本发明结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作所述陀螺仪。本发明陀螺仪无需制作半球形模具，可提供结构良好的微型半球谐振子，同时进行自动对准，是一种便捷的批量化生产微型半球谐振陀螺仪的方法。

Description

基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电机技术领域的陀螺仪，具体地，涉及一种基于微圆球的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微陀螺仪的重要性不言而喻。特别地，微型半球谐振陀螺仪作为MEMS微陀螺仪的一个重要研究方向，已经成为该领域的一个研究热点。

半球谐振陀螺仪利用半球谐振子进行检测，没有高速旋转部件，加之材料的稳定性和结构的对称性，使其具有许多突出的优点，是目前精度最高的机械振动陀螺仪。

经过现有技术的文献搜索发现，美国专利“VIBRATORY ROTATION SENSOR”(专利号：4951508)详细地介绍了半球谐振陀螺仪的原理及信号检测方法，对半球谐振陀螺仪的研究具有指导意义。然而，上述陀螺属于传统型的半球谐振陀螺仪，尺寸相对较大，限制了其应用范围。基于MEMS技术的微型半球谐振陀螺仪继承了传统型半球谐振陀螺仪的优点，又兼具体积小、功耗低、批量化生产等优势，具有重要的研究价值。基于MEMS技术的微型半球谐振陀螺仪多利用微尺度下的半球形模具制作微型半球谐振子，半球形模具的对称性和光滑度直接影响微型半球谐振子的性能，目前仍无法对微尺度下的半球形模具进行精确制作。此外，MEMS技术制作微型半球谐振子通常依靠光刻技术进行电极和半球形模具的定位，无法实现自动对准。

基于此，迫切需要提出一种新的微陀螺仪制作方法，制作结构良好的微型半球谐振子，并能够实现精确定位及自动对准。

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基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪及其制备方法，能够制作结构良好的微型半球谐振子，同时进行精确定位及自动对准。

根据本发明的一个方面，提供一种基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪，包括：

一个单晶硅基底；

八个均匀分布式电极；

一个微型半球谐振子；

一个背部圆形孔；

一个粘附层；

其中：所述微型半球谐振子的中心轴与所述背部圆形孔的中心轴重合以实现精确定位及自动对准，所述微型半球谐振子通过所述粘附层固定在所述单晶硅基底上，八个所述电极均匀地分布在所述微型半球谐振子的周围。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪的制备方法，所述陀螺仪结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作。所述方法包括如下步骤：

第一步、在蓝宝石微圆球的外围分别沉积多晶硅层和超低膨胀系数玻璃层，沉积过程不断旋转蓝宝石微圆球，从而使沉积层厚度均匀；

第二步、对单晶硅片进行清洗，在单晶硅片背面涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶、涂胶，从而制作背部圆形孔并进行保护，避免后续工艺对所述背部圆形孔造成影响；

第三步、在单晶硅片正面涂胶、光刻、显影、离子注入、去胶，形成掺杂硅材料的电极；

第四步、在第三步的基础上于单晶硅片正面涂胶、光刻、显影、溅射金属铜、去胶、刻蚀，利用金属铜进行掩模并在后续工艺中对单晶硅片进行保护，同时去除第二步中在单晶硅片背面旋涂的保护胶；刻蚀出的深槽与背部圆形孔相通，深槽的直径比沉积后的蓝宝石微圆球的直径稍大；

第五步、单晶硅片正面向上放平，将沉积后的蓝宝石微圆球滚入正面深槽中，并轻轻晃动，通过背部圆形孔进行自动对准，同时用热熔胶或液体粘合剂在单晶硅片背面通过背部圆形孔将蓝宝石微圆球粘连；

第六步、在第五步的基础上于单晶硅片正面用氩等离子体进行刻蚀，以去除蓝宝石微圆球上半部分的多晶硅层及超低膨胀系数玻璃层；

第七步、将单晶硅片背面向上，取出蓝宝石微圆球；

第八步、将单晶硅片正面向上，在第七步的基础上于单晶硅片正面利用SF6或XeF2去除其余的多晶硅层，从而形成微型半球谐振子，同时去除金属保护层。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述陀螺仪仪结合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；所述陀螺仪无需制作半球形模具，能够形成对称性好、光滑度高的微型半球谐振子；所述陀螺仪能够通过背部圆形孔进行精确定位及自动对准。

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(h)为本发明一实施例微型半球谐振陀螺仪的工艺流程图；

图2为本发明一实施例微型半球谐振陀螺仪的三维结构图；

图中：1为单晶硅基底，2为均匀分布式电极，3为微型半球谐振子，4为背部圆形孔，5为粘附层。

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所示，本实施例提供一种基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪，包括：

一个单晶硅基底1；

八个均匀分布式电极2；

一个微型半球谐振子3；

一个背部圆形孔4；

一个粘附层5；

其中：微型半球谐振子3的中心轴与背部圆形孔4的中心轴重合，以实现精确定位及自动对准；微型半球谐振子3通过粘附层5固定在单晶硅基底1上；八个电极2均匀地分布在微型半球谐振子3的周围。

本实施例中，所述陀螺仪利用结构对称性好、光滑度高的微圆球，制作微型半球谐振子3；所述陀螺仪在背部开圆形孔4，可实现微圆球及微型半球谐振子3的自动定位及对准。所述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分别相互匹配。

本实施例中，所述基底1的材料为单晶硅，其上均匀地分布着八个电极2，同时通过粘附层5固定有微型半球谐振子3；

本实施例中，所述电极2为掺杂硅并均匀地分布在微型半球谐振子3的周围，所述电极2通过静电力激励微型半球谐振子3进行工作；

本实施例中，所述微型半球谐振子3的材料为膨胀系数低于0.03ppm/℃的超低膨胀系数玻璃(ULE)，所述微型半球谐振子3的中心轴与背部圆形孔4的中心轴重合；

本实施例中，所述背部圆心孔4是通过深硅刻蚀得到的，可精确定位微型半球谐振子3，同时实现自动对准；

本实施例中，所述粘附层5的材料为热熔胶或液体粘合剂，起到固定微型半球谐振子3的作用。

本实施例中，基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪在驱动电极2上施加驱动电压，驱动电极2通过静电力的方式使微型半球谐振子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，通过检测电极2检测该振动幅值的大小，即可计算得到外加角速度的大小。

如图1(a)-1(h)所示，一种基于微圆球的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，在蓝宝石微圆球的外围分别沉积多晶硅和超低膨胀系数玻璃(ULE)，蓝宝石的直径为500-1500μm，沉积层的厚度均为1-5μm，沉积过程不断旋转微圆球，从而使沉积层厚度均匀；

第二步，如图1(b)所示，对单晶硅片进行清洗，在单晶硅片背面涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶、涂胶，从而制作背部圆形孔4，并进行保护，避免后续工艺对背部圆形孔4造成影响，背部圆形孔4的直径为100-400μm；

第三步，如图1(c)所示，在单晶硅片正面涂胶、光刻、显影、离子注入、去胶，形成掺杂硅材料的电极2，电极2的厚度为10-50μm；

第四步，如图1(d)所示，在第三步的基础上于单晶硅片正面涂胶、光刻、显影、溅射金属保护层铜、去胶、刻蚀，利用金属铜进行掩模，并在后续工艺中对单晶硅片进行保护，同时去除第二步中在单晶硅片背面旋涂的保护胶；刻蚀出的深槽与背部圆形孔4相通，深槽的直径比沉积后的微圆球的直径稍大；

第五步，如图1(e)所示，单晶硅片正面向上放平，将沉积后的微圆球滚入正面深槽中，并轻轻晃动，通过背部圆形孔4进行自动对准，同时用热熔胶或液体粘合剂在背面通过背部圆形孔4将微圆球粘连；

第六步，如图1(f)所示，在第五步的基础上于单晶硅片正面用氩等离子体进行刻蚀，以去除微圆球上半部分的多晶硅层及ULE层；

第七步，如图1(g)所示，将单晶硅片反面向上，取出蓝宝石微圆球；

第八步，如图1(h)所示，将单晶硅片正面向上，在第七步的基础上于单晶硅片正面利用SF6或XeF2去除其余的多晶硅层，形成微型半球谐振子3，同时去除金属保护层。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：

上述基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪的制备方法第四步中，溅射的金属保护层为铬或铂或其他能起到保护作用的金属。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的是：

上述基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪的制备方法第五步中，所用粘合剂为热熔胶等其他粘合剂。

实施例4

与实施例1基本相同，所不同的是：

上述基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪的制备方法第五步中，图1(e)-图1(h)中粘合剂将背部圆形孔4部分或全部填满。

本发明所述陀螺仪无需制作半球形模具，能够形成对称性好、光滑度高的微型半球谐振子；所述陀螺仪能够通过背部圆形孔进行精确定位及自动对准。本发明所述制备方法是一种便捷的批量化生产微型半球谐振陀螺仪的方法。

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 (9)

1.一种基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，包括：

一个单晶硅基底；

八个均匀分布式电极；

一个微型半球谐振子；

一个背部圆形孔；

一个粘附层；

其中：所述微型半球谐振子的中心轴与所述背部圆形孔的中心轴重合以实现精确定位及自动对准，所述微型半球谐振子通过所述粘附层固定在所述单晶硅基底上，八个所述电极均匀地分布在所述微型半球谐振子的周围。

2.根据权利要求1所述的一种基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述电极为掺杂硅材料，并均匀地分布在所述微型半球谐振子的周围，通过静电力激励所述微型半球谐振子进行工作。

3.根据权利要求1所述的一种基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述微型半球谐振子的材料为膨胀系数低于0.03ppm/℃的超低膨胀系数玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述背部圆形孔通过深硅刻蚀得到，用于精确定位所述微型半球谐振子，同时实现自动对准。

5.根据权利要求1所述的一种基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述粘附层的材料为热熔胶或液体粘合剂，起到固定所述微型半球谐振子的作用。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步、在蓝宝石微圆球的外围分别沉积多晶硅层和超低膨胀系数玻璃层，沉积过程不断旋转蓝宝石微圆球，从而使沉积层厚度均匀；

第二步、对单晶硅片进行清洗，在单晶硅片背面涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶、涂胶，从而制作背部圆形孔并进行保护，避免后续工艺对所述背部圆形孔造成影响；

第三步、在单晶硅片正面涂胶、光刻、显影、离子注入、去胶，形成掺杂硅材料的电极；

第四步、在第三步的基础上于单晶硅片正面涂胶、光刻、显影、溅射金属铜、去胶、刻蚀，利用金属铜进行掩模并在后续工艺中对单晶硅片进行保护，同时去除第二步中在单晶硅片背面旋涂的保护胶；刻蚀出的深槽与背部圆形孔相通，深槽的直径比沉积后的蓝宝石微圆球的直径稍大；

第五步、单晶硅片正面向上放平，将沉积后的蓝宝石微圆球滚入正面深槽中，并轻轻晃动，通过背部圆形孔进行自动对准，同时用热熔胶或液体粘合剂在单晶硅片背面通过背部圆形孔将蓝宝石微圆球粘连；

第六步、在第五步的基础上于单晶硅片正面用氩等离子体进行刻蚀，以去除蓝宝石微圆球上半部分的多晶硅层及超低膨胀系数玻璃层；

第七步、将单晶硅片背面向上，取出蓝宝石微圆球；

第八步、将单晶硅片正面向上，在第七步的基础上于单晶硅片正面利用SF6或XeF2去除其余的多晶硅层，从而形成微型半球谐振子，同时去除金属保护层。

7.根据权利要求6所述的基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第一步中，蓝宝石微圆球的直径为500-1500μm，沉积层的厚度均为1-5μm。

8.根据权利要求6所述的基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第二步中，所述背部圆形孔的直径为100-400μm。

9.根据权利要求6所述的基于微圆球的微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第三步中，所述电极的厚度为10-50μm。