CN104819711B - 一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，包括：在石英晶片上依次形成多层金属层，采用光刻‑湿法腐蚀方法刻蚀多层金属层及石英晶片，形成三维石英微机械陀螺音叉结构和表面电极；以光刻胶为掩膜，对三维述石英微机械陀螺音叉基片进行溅射镀膜，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极；剥离所述光刻胶，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极。本发明极大地简化了制备工艺流程，工艺兼容性好且易于加工，适用于大批量生产。

Description

一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法
技术领域
本发明涉及电极制备技术领域，具体涉及一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法。
背景技术
石英微机械陀螺具有体积小、成本低、功耗小、可靠性高、抗过载能力强及可批量生产等优点，使其适用于战术武器指导、微小卫星姿态控制、微小飞行器导航、作战平台稳定控制及微小型机器人等军事领域，又可广泛应用于汽车稳定控制系统、相机防抖系统、医疗仪器、运动机械及玩具等民用领域。
石英音叉是石英微机械陀螺的敏感元件，基于哥氏效应进行工作，利用压电效应和逆压电效应进行驱动和检测。工作时，利用逆压电效应，驱动叉指沿驱动轴方向产生在音叉所在平面内固定频率和固定幅值的持续振动，当陀螺壳体存在一个绕输入轴的角速率输入时，音叉受到哥氏力的作用产生一个垂直于音叉平面的振动，哥氏力通过音叉的框架结构耦合到检测叉指，检测叉指产生的位移通过压电效应产生出电荷信号，经外电路检测并放大后用驱动信号解调、滤波，从而得到与输入角速度成比例的输出电压信号。
高精度三维复杂侧电极加工的难点主要在于：高精度侧面电极加工、高精度减薄梁电极加工、高精度电连接电极加工。现有技术中，可以通过微电铸掩模蒸镀加工侧面电极和不等高电极，其侧面电极尺寸精度可以控制在±10um；该方法制备的电极尺寸精度可以控制在一定精度范围内，但仍然是使用掩膜蒸镀的方法，所要求湿法腐蚀的音叉尺寸一致性精度高，高精度掩膜加工难度大，同时掩膜与音叉对位精度要求高，工艺复杂，效率低，不适用于大批量生产。还可以通过喷胶、光刻的方式加工电极，虽然改善了三维微机械结构上光刻胶层的均匀性，可以在石英结构表面获得复杂电极图形，但三维结构的侧面不能进行光刻，在同一侧面上不能形成不同极性的侧面电极；同时采用本方法不能制备减薄梁电极和表面电连接电极。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，该方法省去了高精度掩膜的加工和掩膜与音叉的高精度对位步骤，极大地简化了制备工艺流程，工艺兼容性好且易于加工，适用于大批量生产。
第一方面，本发明提供了一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，所述方法包括：
在石英晶片上依次形成多层金属层，采用光刻-湿法腐蚀方法刻蚀所述多层金属层及石英晶片，形成三维石英微机械陀螺音叉结构和表面电极；
以光刻胶为掩膜，对所述三维石英微机械陀螺音叉基片进行溅射镀膜，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极；
剥离所述光刻胶，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极。
优选地，所述在石英晶片上依次形成多层金属层，采用光刻-湿法腐蚀方法刻蚀所述多层金属层及石英晶片，形成三维石英微机械陀螺音叉结构和表面电极，包括：
在石英晶片上形成依次形成铬、金、铬三层金属层，以及光刻胶；
以光刻胶为掩膜，对所述三层金属层依次进行湿法腐蚀，得到表面电极膜结构图形和表面电连接电极膜结构图形；
对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀，形成石英微机械陀螺音叉结构；
去除无光刻胶覆盖的金金属层和铬金属层，并对石英晶片进行第二次湿法腐蚀，形成减薄梁结构。
优选地，对所述三层金属层依次进行湿法腐蚀，包括：
采用硝酸铈铵和醋酸的混合腐蚀液腐蚀所述铬金属层，采用碘和碘化钾的饱和溶液腐蚀所述金金属层。
优选地，所述对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀，包括：
采用氢氟酸HF和氟化铵NH4F的混合溶液对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀；其中，所述HF的浓度为40％，所述NH4F的浓度为50％，HF和NH4F的体积比为1:1，腐蚀温度为70℃至80℃，腐蚀时间为30小时。
优选地，所述对石英晶片进行第二次湿法腐蚀，包括：
采用HF和NH4F的混合溶液对所述石英晶片进行第二次湿法腐蚀，以减薄所述石英晶片；其中，所述HF的浓度为40％，所述NH4F的浓度为50％，HF和NH4F的体积比为1:2，腐蚀温度为70℃至80℃，腐蚀时间为1小时。
优选地，所述以光刻胶为掩膜，对所述三维石英微机械陀螺音叉基片进行溅射镀膜，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极，包括：
以光刻胶为掩膜，采用磁控溅射镀膜方法在石英微机械陀螺音叉基片上依次形成铬金属层和金金属层，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极。
优选地，所述侧面电极包括驱动端音叉侧面电极和检测端音叉侧面电极。
优选地，所述剥离所述光刻胶，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极，包括：
采用剥离液剥离所述光刻胶；
对表层的铬金属层进行湿法腐蚀，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极。
由上述技术方案可知，本发明提供一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，使用光刻胶作为掩膜、溅射镀膜、剥离的方法加工音叉侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极，改变了以往使用金属掩膜加工音叉侧电极的方法，省去了高精度掩膜的加工和掩膜与音叉的高精度对位步骤，极大地简化了制备工艺流程，工艺兼容性好且易于加工，适用于大批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是三维石英微机械陀螺音叉电极的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法的流程示意图；
图3是本发明另一实施例提供的在石英晶片表面形成表面电极膜结构图形和表面电连接电极膜结构图形的示意图；
图4是本发明另一实施例提供的对石英晶片进行第一次腐蚀后形成音叉结构的示意图；
图5是本发明另一实施例提供的对石英晶片进行第二次腐蚀后形成减薄梁结构的示意图；
图6是本发明另一实施例提供的形成驱动侧音叉侧面电极的示意图；
图7是本发明另一实施例提供的形成检测端音叉侧面电极的示意图；
图8是本发明另一实施例提供的剥离光刻胶后，形成驱动端音叉侧面电极、减薄梁电极和电连接电极的示意图；
图9是本发明另一实施例提供的腐蚀铬金属层后，形成驱动端音叉及孤岛处表面电极的示意图；
图10是本发明另一实施例提供的剥离光刻胶后，形成检测端音叉侧面电极、减薄梁电极和电连接电极的示意图；
图11是本发明另一实施例提供的腐蚀铬金属层后，形成检测端音叉及孤岛处表面电极的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
三维石英微机械陀螺音叉如图1所示，该音叉由驱动叉指I、II、检测叉指III、IV、支撑结构V、减薄梁结构VI和中间孤岛结构VII组成；其中减薄梁结构的厚度为60um～170um；其余结构的厚度为200um～500um。其中，在三维石英音叉上覆盖金属电极，高精度三维复杂石英陀螺音叉电极图如图所示：电极可以分为表面电极(11a、11b、2)、侧面电极(51a/51b/711a/712a/711b/712b)、减薄梁电极(4)和电连接电极(6)。
高精度三维复杂侧电极加工的难点主要在于：高精度侧面电极加工、高精度减薄梁电极加工、高精度电连接电极加工。其中高精度的检测端侧面不同极性的侧电极加工是最大的难点，它直接影响三维石英微机械陀螺音叉的检测信号精度，是制约三维石英微机械陀螺音叉加工的关键技术难点。
其中，高精度侧面电极加工的难点具体体现为：检测叉指侧面两条分离电极之间的间距控制在60～160μm之间，两条分离电极的尺寸精度要求高，加工误差要求控制在±10μm以内。高精度减薄梁电极加工的难点具体体现为：湿法腐蚀后的减薄梁表面为丘岭结构，而且与表面电极不在同一平面，直接镀制电极难度大，而且要求减薄梁四周都镀有电极，镀膜角度要求高。高精度电连接电极加工的难点具体体现为：电连接电极用于连接表面电极和减薄梁电极、连接表面电极和侧面电极，同一连接电极位于不同的平面，位置精度要求高，电极加工难度大。
基于上述现有技术的加工难点，如图2所示，本发明一实施例提供了一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，该方法包括如下步骤：
S1：在石英晶片上依次形成多层金属层，采用光刻-湿法腐蚀方法刻蚀所述多层金属层及石英晶片，形成三维石英微机械陀螺音叉结构和表面电极；
S2：以光刻胶为掩膜，对所述三维石英微机械陀螺音叉基片进行溅射镀膜，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极；
S3：剥离所述光刻胶，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极。
本实施例中，步骤S1具体包括如下步骤：
S11：在石英晶片上形成依次形成铬、金、铬三层金属层，以及光刻胶；
具体来说，在石英晶片的上下表面采用磁控溅射镀膜的方式依次镀上铬Cr、金Au、铬Cr三层金属层，石英晶片表面的Cr膜用于增强石英基底与Au膜的结合力，该Cr膜与其表层的Au膜构成电极膜。其中，Cr膜厚度为10nm～50nm；Au膜厚度为100nm～400nm。
S12：以光刻胶为掩膜，对所述三层金属层依次进行湿法腐蚀，得到表面电极膜结构图形和表面电连接电极膜结构图形；
具体来说，如图3所示，经过多次光刻套刻将不同结构图形转移至石英基片上，通过硝酸铈铵和醋酸的混合溶液腐蚀Cr膜，碘和碘化钾的饱和溶液来腐蚀Au膜，得到表面电极膜结构图形和表面电连接电极膜结构图形；最后一次光刻电极图形，留下光刻胶13作为掩膜。
S13：对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀，形成石英微机械陀螺音叉结构；
其中，如图4所示，采用氢氟酸HF和氟化铵NH4F的混合溶液对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀，形成石英微机械陀螺音叉结构；其中，所述HF的浓度为40％，所述NH4F的浓度为50％，HF和NH4F的体积比为1:1，腐蚀温度为70℃至80℃，腐蚀时间为30小时。
需要说明的是，图4中所示的音叉结构为驱动端音叉，驱动端音叉的表面电极膜结构图形如图4所示，而检测端音叉的表面电极膜结构图形并未在图中示出，检测端音叉的表面电极没有金属层，只存在一层光刻胶。
S14：去除无光刻胶覆盖的金金属层和铬金属层，并对石英晶片进行第二次湿法腐蚀，形成减薄梁结构。
本步骤中，去除无光刻胶覆盖的金金属层和铬金属层具体过程为：首先采用碘和碘化钾的饱和溶液来腐蚀无光刻胶覆盖的Au膜；然后采用硝酸铈铵和醋酸的混合溶液腐蚀无光刻胶覆盖的Cr膜。最后对石英晶片进行第二次湿法腐蚀：采用HF和NH4F的混合溶液对所述石英晶片进行第二次湿法腐蚀，以减薄所述石英晶片；其中，所述HF的浓度为40％，所述NH4F的浓度为50％，HF和NH4F的体积比为1:2，腐蚀温度为70℃至80℃，腐蚀时间为1小时。需要说明的是，如图5所示，由于腐蚀石英晶片的时间较短，则该处的石英晶片不会完全被腐蚀掉，而是被减薄，形成减薄梁结构6，而15则为孤岛结构。
本实施例中，步骤S2具体包括如下步骤：
以光刻胶为掩膜，采用磁控溅射镀膜方法在石英微机械陀螺音叉基片上依次形成铬金属层和金金属层，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极。
其中，由于侧面电极包括驱动端音叉侧面电极和检测端音叉侧面电极，两个不同极性侧的侧面电极形状不同，则在磁控溅射镀膜的过程中，通过调整晶片与靶材夹角来获得两个不同极性侧的侧面电极。具体可控制晶片与靶材夹角在45°至90°之间。
需要说明的是，可利用专门设计加工的工装来固定三维石英音叉基片，磁控溅射镀膜过程中调整工装的角度，使其与靶材的夹角在45°～90°之间。而由于磁控溅射镀膜机为对称平行双靶材，则专门设计加工的工装原始位置位于双靶中间，依据不同极性侧电极尺寸的需求，调节工装与靶材的角度来满足尺寸要求。
举例来说，通过调整晶片与靶材形成一定角度的夹角，在图5形成的结构上溅射铬、金后，驱动端音叉与孤岛处结构如图6所示，在驱动端音叉的侧面形成了铬金属膜和金金属膜组成的侧面电极51a、52b；而通过调整晶片与靶材形成一定角度的夹角，在图5形成的结构上溅射铬、金后，检测端音叉与孤岛处结构如图7所示，在检测端音叉的侧面形成了铬金属膜和金金属膜组成的侧面电极711a、712a、711b、712b。
本实施例中，步骤S3具体包括：
S31：采用剥离液剥离所述光刻胶；
具体来说，将溅射完铬、金薄膜后形成了侧面电极的三维石英晶片放入剥离液中剥离光刻胶，经过一定时间，光刻胶及其上面的铬、金薄膜被剥离液剥离掉，留下了需要的铬、金薄膜图形。对于驱动端音叉来说，剥离光刻胶后形成的驱动端音叉与孤岛结构处的铬、金薄膜图形，如图8所示，形成了驱动端音叉侧面电极、减薄梁电极和电连接电极。对于检测端音叉来说，剥离光刻胶后形成的检测端音叉与孤岛结构处的铬、金薄膜图形，如图10所示，形成了检测端音叉侧面电极、减薄梁电极和电连接电极。
S32：对表层的铬金属层进行湿法腐蚀，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极。
具体来说，采用硝酸铈铵和醋酸的混合溶液腐蚀铬金属层，得到三维石英微机械陀螺音叉侧表面电极。腐蚀掉驱动端音叉及孤岛表面的铬金属层，如图9所示，进一步形成了驱动端音叉及孤岛处的表面电极。而腐蚀掉检测端音叉及孤岛表面的铬金属层，如图11所示，进一步形成了及孤岛处的表面电极。
本发明实施例提供了一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，使用光刻胶作为掩膜、溅射镀膜、剥离的方法加工音叉侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极，改变了以往使用金属掩膜加工音叉侧电极的方法，省去了高精度掩膜的加工和掩膜与音叉的高精度对位步骤，极大地简化了制备工艺流程，工艺兼容性好且易于加工，适用于大批量生产。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，其特征在于，所述方法包括：
在石英晶片上依次形成多层金属层，采用光刻-湿法腐蚀方法刻蚀所述多层金属层及石英晶片，形成三维石英微机械陀螺音叉结构和表面电极；
以光刻胶为掩膜，对所述三维述石英微机械陀螺音叉基片进行溅射镀膜，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极；其中，在溅射镀膜过程中，通过调整所述石英晶片与靶材的夹角来获得所述侧面电极；
剥离所述光刻胶，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在石英晶片上依次形成多层金属层，采用光刻-湿法腐蚀方法刻蚀所述多层金属层及石英晶片，形成三维石英微机械陀螺音叉结构和表面电极，包括：
在石英晶片上形成依次形成铬、金、铬三层金属层，以及光刻胶；
以光刻胶为掩膜，对所述三层金属层依次进行湿法腐蚀，得到表面电极膜结构图形和表面电连接电极膜结构图形；
对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀，形成石英微机械陀螺音叉结构；
去除无光刻胶覆盖的金金属层和铬金属层，并对石英晶片进行第二次湿法腐蚀，形成减薄梁结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述三层金属层依次进行湿法腐蚀，包括：
采用硝酸铈铵和醋酸的混合腐蚀液腐蚀所述铬金属层，采用碘和碘化钾的饱和溶液腐蚀所述金金属层。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀，包括：
采用氢氟酸HF和氟化铵NH4F的混合溶液对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀；其中，所述HF的浓度为40％，所述NH4F的浓度为50％，HF和NH4F的体积比为1:1，腐蚀温度为70℃至80℃，腐蚀时间为30小时。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对石英晶片进行第二次湿法腐蚀，包括：
采用HF和NH4F的混合溶液对所述石英晶片进行第二次湿法腐蚀，以减薄所述石英晶片；其中，所述HF的浓度为40％，所述NH4F的浓度为50％，HF和NH4F的体积比为1:2，腐蚀温度为70℃至80℃，腐蚀时间为1小时。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以光刻胶为掩膜，对所述三维述石英微机械陀螺音叉基片进行溅射镀膜，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极，包括：
以光刻胶为掩膜，采用磁控溅射镀膜方法在石英微机械陀螺音叉基片上依次形成铬金属层和金金属层，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述侧面电极包括驱动端音叉侧面电极和检测端音叉侧面电极。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述剥离所述光刻胶，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极，包括：
采用剥离液剥离所述光刻胶；对表层的铬金属层进行湿法腐蚀，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极。
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一种基于叉指电极的大肠杆菌生物传感器;张琳等;《长沙大学学报》;20130930;第27卷(第5期);第20-23页 *

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