CN104197912B - 一种双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双端固定式硅基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、一个双端固定支撑柱和一个图形化盖板，其中：所述双端固定支撑柱的下端通过沉积的方式与所述基底连接、上端通过键合的方式与所述图形化盖板连接；所述电极设置于所述基底的上表面，并均匀地分布在所述微型半球谐振子的周围；所述微型半球谐振子固定在所述双端固定支撑柱的底端。本发明结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作，通过截止层准确地控制支撑柱面积的大小。本发明可以稳定地固定微型半球谐振子，同时使陀螺的工作振动模态远离陀螺的倾斜、旋转以及支撑柱的变形等其他振动模态。

Description

一种双端固定式硅基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，涉及一种双端固定式硅基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，而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，因此加工时支撑面积的大小难以控制，既可能释放不充分，使支撑面积过大，也可能释放过度，造成支撑面积过小，两者对器件的工作性能都有严重的影响。此外，现有的宏观半球谐振陀螺仪均采用双端固定的支撑方式，因为单端固定的支撑方式易引起倾斜、旋转以及支撑柱的变形等其他振动模态，这对陀螺仪的正常工作是极其不利的。

基于此，迫切需要提出一种新的微陀螺结构及制备方法，使其能够准确控制支撑柱的支撑面积，同时减小倾斜、旋转以及支撑柱的变形等其他振动模态造成的影响。

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双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪及其制备方法，

根据本发明的一个方面，提供一种双端固定式硅基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；

一个双端固定支撑柱；

一个图形化盖板；

其中：所述双端固定支撑柱的下端通过沉积的方式与所述基底连接、上端通过键合的方式与所述图形化盖板连接；所述电极设置于所述基底的上表面，并均匀地分布在所述微型半球谐振子的周围；所述微型半球谐振子固定在所述双端固定支撑柱的底端；

所述微陀螺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；所述微陀螺结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作，能够通过截止层准确地控制支撑柱面积的大小，从而保证微陀螺的一致性；所述微陀螺采用双端固定的支撑方式，可以稳定地固定微型半球谐振子，同时使陀螺的工作振动模态远离陀螺的倾斜、旋转以及支撑柱的变形等其他振动模态。

根据本发明的另一个方面，提供一种双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：

包括如下步骤：

第一步、对基底进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、去胶工艺，以在基底上得到硼离子掺杂硅材料的电极；

第二步、在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影、深硅刻蚀，以在基底上得到支撑柱深槽；

第三步、在深槽中分别沉积氮化硅和二氧化硅，从而将深槽填满，然后进行去胶工艺，得到双端固定支撑柱；

第四步、重新涂胶、光刻、显影、各向同性刻蚀，得到以双端固定支撑柱中心为球心的半球形深槽；

第五步、去胶，在基底的正面热生长二氧化硅，以得到牺牲层；

第六步、在二氧化硅牺牲层上沉积多晶硅或金刚石，以得到结构层；

第七步、利用化学机械抛光，去除半球形深槽以外的结构材料；

第八步、利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层进行湿法刻蚀，以氮化硅作为截止层停止刻蚀，得到微型半球谐振子；

第九步、将图形化盖板与第八步完成的带有微型半球谐振子的基底进行键合，图形化盖板中心部分的圆心与圆柱形双端固定支撑柱的中心对准，从而实现双端固定。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明利用沉积的氮化硅层作为截止层，可准确控制支撑柱的支撑面积，保证微陀螺的一致性；采用双端固定的支撑方式，可以稳定地固定微型半球谐振子，同时使陀螺的工作振动模态远离陀螺的倾斜、旋转以及支撑柱的变形等其他振动模态。

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(i)为本实施例的工艺流程图；

图2(a)-图2(c)为本实施例的三维结构图；

图3(a)-图3(b)为本实施例的工作振动模态图；

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为双端固定支撑柱，5为图形化盖板。

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，本实施例提供一种双端固定式硅基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；

一个双端固定支撑柱4；

一个图形化盖板5；

其中，双端固定支撑柱4的面积通过氮化硅截止层技术进行准确控制；双端固定支撑柱4的下端通过沉积的方式与基底1连接、上端通过键合的方式与图形化盖板5连接。

本实施例中，所述基底1的材料为单晶硅，并与氮化硅截止层直接相连，从而固定双端固定支撑柱4的下端。

本实施例中，所述电极2的材料为硼离子掺杂硅，位于基底1的上表面，并均匀地分布在微型半球谐振子3的周围。

本实施例中，所述微型半球谐振子3的材料为多晶硅或金刚石，固定在双端固定支撑柱4的底端。

本实施例中，所述双端固定支撑柱4包括内层和外层，外层的材料为氮化硅，内层的材料为二氧化硅，两层共同组成双端固定支撑柱4，双端固定支撑柱4的下端通过沉积的方式与基底1连接，上端通过键合的方式与图形化盖板5连接。

本实施例中，所述图形化盖板5的中心与双端固定支撑柱4键合相连，外部与基底1及电极2键合相连。所述双端固定支撑柱4的面积通过氮化硅截止层技术进行准确控制。所述基底的材料为单晶硅，并与氮化硅截止层直接相连。

本实施例中，双端固定式硅基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。

实施例2

如图1(a)-图1(i)所示，本实施例提供一种所述双端固定式硅基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1进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、去胶工艺，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电极2；

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、深硅刻蚀，在单晶硅基底1上得到深度为400-800μm的双端固定支撑柱4深槽；

第三步，如图1(c)所示，在深槽中分别沉积氮化硅和二氧化硅，从而将深槽填满，然后进行去胶工艺，得到双端固定支撑柱4。

第四步，如图1(d)所示，重新涂胶、光刻、显影、各向同性刻蚀，得到以双端固定支撑柱4的中心为球心的半球形深槽，其半径为300-700μm；

第五步，如图1(e)所示，去胶，在单晶硅基底1的正面热生长二氧化硅，得到厚度为1-5μm的牺牲层；

第六步，如图1(f)所示，在二氧化硅牺牲层上沉积多晶硅或金刚石，得到厚度为1-5μm的结构层；

第七步，如图1(g)所示，利用化学机械抛光，去除半球形深槽以外的结构材料；

第八步，如图1(h)所示，利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层进行湿法刻蚀，以氮化硅作为截止层停止刻蚀，得到微型半球谐振子3；

第九步，如图1(i)所示，将图形化盖板5与第八步完成的带有微型半球谐振子的基底进行键合，其中心部分的圆心与圆柱形双端固定支撑柱4的中心对准，实现双端固定。

如图3(a)、图3(b)所示，通过有限元分析方法得到微型半球谐振陀螺仪的工作振动模态，当微型半球谐振陀螺仪工作在图3(a)所示的驱动模态时，在外加角速度(垂直于基体的方向)的作用下，会引起如图3(b)所示的检测模态，该检测模态的振幅与外加角速度的大小成正比。

本发明利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。本发明利用MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺相结合的方式进行制作，能够通过截止层准确地控制双端固定支撑柱4支撑面积的大小，从而保证微陀螺的一致性。本发明采用双端固定的支撑方式，可以稳定地固定微型半球谐振子3，同时使陀螺的工作振动模态远离陀螺的倾斜、旋转以及支撑柱的变形等其他振动模态。

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 (11)

1.一种双端固定式硅基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；

一个双端固定支撑柱；

一个图形化盖板；

其中：所述双端固定支撑柱的下端通过沉积的方式与所述基底连接、上端通过键合的方式与所述图形化盖板连接；所述电极设置于所述基底的上表面，并均匀地分布在所述微型半球谐振子的周围；所述微型半球谐振子固定在所述双端固定支撑柱的底端；

所述双端固定支撑柱包括内层和外层，内层的材料为二氧化硅，外层的材料为氮化硅，内、外两层共同组成所述双端固定支撑柱；

所述双端固定支撑柱的面积通过氮化硅截止层技术进行准确控制。

2.根据权利要求1所述的一种双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述基底的材料为单晶硅，并与氮化硅截止层直接相连。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述图形化盖板的中心与所述双端固定支撑柱键合相连、外部与所述基底及所述电极键合相连。

4.根据权利要求1-2任一项所述的一种双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪，其特征在于，所述电极的材料为硼离子掺杂硅。

5.根据权利要求1-2任一项所述的一种双端固定式硅基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多晶硅或金刚石。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的双端固定式硅基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、对基底进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、去胶工艺，以在基底上得到硼离子掺杂硅材料的电极；

第二步、在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影、深硅刻蚀，以在基底上得到支撑柱深槽；

第三步、在深槽中分别沉积氮化硅和二氧化硅，从而将深槽填满，然后进行去胶工艺，得到双端固定支撑柱；

第四步、重新涂胶、光刻、显影、各向同性刻蚀，得到以双端固定支撑柱中心为球心的半球形深槽；

第五步、去胶，在基底的正面热生长二氧化硅，以得到牺牲层；

第六步、在二氧化硅牺牲层上沉积多晶硅或金刚石，以得到结构层；

第七步、利用化学机械抛光，去除半球形深槽以外的结构材料；

第八步、利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层进行湿法刻蚀，以氮化硅作为截止层停止刻蚀，得到微型半球谐振子；

第九步、将图形化盖板与第八步完成的带有微型半球谐振子的基底进行键合，图形化盖板中心部分的圆心与圆柱形双端固定支撑柱的中心对准，从而实现双端固定。

7.根据权利要求6所述的双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于：第一步中，在基底上得到厚度为10μm-50μm的硼离子掺杂硅材料的电极。

8.根据权利要求6所述的双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于：第二步中，在基底上得到深度为400-800μm的支撑柱深槽。

9.根据权利要求6所述的双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于：第三步中，所述深槽的半径为300-700μm。

10.根据权利要求6所述的双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于：第五步中，得到厚度为1-5μm的牺牲层。

11.根据权利要求6所述的双端固定式硅基微型半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于：第六步中，得到厚度为1-5μm的结构层。