CN105387852B - 微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法，具体是以刻蚀有环形凹槽和圆形凹槽的硅片为硅衬底，在玻璃薄片上利用溅射金属的方法，形成所需要制备的图形和导线，利用高温下玻璃在熔融状态易被吹起的特性，使其形成空球壳和空环形壳体，通过腐蚀玻璃的方法，使没有溅射上金属的空壳部分被腐蚀掉，最终形成类“伞型”、“Y型”半球陀螺谐振子和与其近似平行的检测电极和激励电极。本发明谐振子的表面光滑并且完全对称，利用玻璃上的金属做掩膜，省去了激光切割技术，降低了成本同时提高了精度；本发明谐振子的谐振频率、品质因数等参数更优秀，同时制备出的激励电极和检测电极能够更完美的平行于谐振子，而且减少了工艺步骤。
Description
技术领域
本发明属于微机械加工技术领域，特别涉及一种用腐蚀的方法制备和加工微半球陀螺谐振子，具体是一种微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法。
背景技术
人类对半球谐振陀螺的研究已持续了超过50年了。半球谐振陀螺作为一种新型的惯性姿态测量单位的器件，具有很高的测量精度，超强的稳定性和可靠性，常用于空间飞行器、卫星、战略武器等装备中。世界上最早研制半球谐振陀螺的事美国Delco公司（后并入Northrop Grumman公司），自1996年以来，它首次将半球谐振陀螺仪用于空间中之后，半球谐振陀螺（HRG）成为高价值任务的“优选传感器”。俄罗斯的HRG在陀螺仪的设计、信号处理及系统设计上，其理论都是相当领先的。HRG俄罗斯拉明斯克仪器制造设计局早期研制直径为∅90mm的半球谐振陀螺，又开发了直径为∅50mm的半球谐振陀螺。俄罗斯SIE Medicon研究直径为∅30mm的半球谐振陀螺。半球谐振陀螺仪技术从长远来看，未来的陀螺技术将以HRG和微机电系统（MEMS）为主向微型化方向发展，并作为航天任务和制导系统的首选陀螺。
近年来，随着微加工技术的不断发展，人类利用MEMS技术也生产出了体积更小，质量更轻，成本更低，易于批量生产的半球谐振陀螺。法国现在研发的谐振子20mm的半球谐振陀螺，美国Northrop Grumman公司于2012年推出了微型半球谐振陀螺仪，并开始了超微型半球谐振陀螺仪的研究。MEMS技术制造的半球谐振陀螺仪正在飞速发展，而半球谐振陀螺仪的核心是半球陀螺谐振子，如何在保证陀螺仪品质的情况下，用MEMS技术制备出结构更合理的谐振子成为现在面临的问题。为此，美国加州大学欧文分校的A.M.Shkel等在文章“TITANIA SILICATE/FUSED QUARTZ GLASSBLOWING FOR 3-D FABRICATION OF LOWINTERNAL LOSS WINEGLASS MICRO-STRUCTURES”中给出了一种以石英为材料，利用高温下石英在熔融状态易被吹起的特性，制作出半球陀螺谐振子，并给出了利用Laser cut的方法将半球陀螺谐振子和硅表面分离。此制备方法的优点是正通过高温下熔融石英在压力差的作用下能被均匀的吹起，并且表面粗糙程度非常优秀，但不足之处在于首先利用Laser cut需要先将激光器与半球陀螺谐振子边缘进行对准，这就对对准的精度要求非常高，如果没有对准切割，半球陀螺的对称性就没有保证，这样会直接影响到半球谐振陀螺的测量精度和寿命；其次，利用Laser cut切割出来的模型边缘不规则，这也会导致半球谐振子的对称性。
另外，微型半球谐振陀螺的谐振子制备完成后，还需要制备检测电极和激励电极，如何让每个检测电极、激励电极同谐振子的距离都相等，并且尽可能同谐振子平行成为下一个需要解决的问题。为此，Sergei A.Zotov, Alexander A.Trusov和Andrei M.Shkel在文章“Three-Dimensional Spherical Shell Resonator Gyroscope Fabricated UsingWafer-Scale Glassblowing”中给出了一种球形结构的谐振子制备方法，文章中提出了将激励电极和检测电极同谐振子同时吹起的制备方法。由于在相同条件下制备谐振子和电极，所以它们的形状大小都应该是相同的。这种方法大大增加了谐振子和电极的对称性，但它也有不足之处，首先由于吹出的谐振子接近空球壳，而伞型、Y型的谐振子相对其他形状的谐振子拥有更高的品质因数Q；其次，由于激励电极和检测电极都为近似球体，它们与谐振子之间的距离是不均匀的。这两个问题对陀螺仪的精度是有影响的。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法。此方法制备出来的半球陀螺谐振子，综合了谐振子的“伞型”、“Y型”结构的高精度、激励电极和检测电极与谐振子接近平行的特点，有望在超微型半球陀螺谐振子制备技术中开创新的方向。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种伞型微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法，包括如下步骤：
1）选择圆形硅片作为衬底并清洗硅衬底，并在硅衬底上表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续深硅刻蚀工艺所用的第一掩膜；
2）采用深硅刻蚀工艺并通过第一掩膜在硅衬底上表面刻蚀形成环形凹槽结构、圆形凹槽结构和中心柱体结构，然后去除剩余的光刻胶即可：其中，环形凹槽结构紧邻圆形硅片的周缘开设，圆形凹槽结构开设于环形凹槽结构之内，中心圆柱体结构位于圆形凹槽结构的中心处，环形凹槽、圆形凹槽和中心柱体位于同一轴线上，环形凹槽的槽深、圆形凹槽的槽深以及中心柱体的高度相等；
3）清洗玻璃片和光刻后的硅衬底，将玻璃片置于硅衬底上表面上并进行硅-玻璃键合，环形凹槽和圆形凹槽与玻璃片之间分别形成密封的腔体；
4）将键合好的玻璃片进行玻璃面的减薄、研磨和抛光，减薄至80-90μm；
5）在减薄的玻璃片表面依次溅射铬层、铜层和金层（铬层、铜层和金层共同形成玻璃片上的金属层），同时对对准标记进行保护；其中，铬层厚度为50纳米、铜层厚度为600纳米、金层厚度为400纳米；
6）在金属层的表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续离子束刻蚀工艺所用的第二掩膜；
7）采用离子束刻蚀工艺并通过第二掩膜在金属层上刻蚀形成圆形金属层片以及若干电极金属层片，然后去除剩余光刻胶即可；其中，圆形金属层片位于玻璃片的中部且完全覆盖在硅衬底的圆形凹槽上，若干电极金属层片均布于玻璃片的周缘缘边且每个电极金属层片横跨其对应部位的环形凹槽的槽口；
8）将试样放入快速退火炉中进行高温处理，将温度升至玻璃的软化点，硅衬底上的环形凹槽腔体和圆形凹槽腔体内的气体在内外压力差的作用下会膨胀，从而将圆形凹槽上覆盖的玻璃片及圆形金属层片吹成近似空圆球形状，将环形凹槽上覆盖的玻璃片及若干电极金属层片吹成近似拱门的形状；
9）对所得的试样用HF缓冲液腐蚀，将没有被金属层覆盖的玻璃片腐蚀掉，最终得到伞型微半球陀螺谐振子及其检测电极和激励电极。
一种Y型微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法，包括如下步骤：
1）选择圆形硅片作为衬底并清洗硅衬底，并在硅衬底上表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续深硅刻蚀工艺所用的第三掩膜；
2）采用深硅刻蚀工艺并通过第三掩膜在硅衬底上表面刻蚀形成环形凹槽结构和圆形凹槽结构，然后去除剩余的光刻胶即可：其中，环形凹槽结构紧邻圆形硅片的周缘开设，圆形凹槽结构开设于环形凹槽结构之内，环形凹槽和圆形凹槽位于同一轴线上，环形凹槽和圆形凹槽的槽深相等；
3）清洗玻璃片和光刻后的硅衬底，将玻璃片置于硅衬底上表面上并进行硅-玻璃键合，环形凹槽和圆形凹槽与玻璃片之间分别形成密封的腔体；
4）将键合好的玻璃片进行玻璃面的减薄、研磨和抛光，减薄至80-90μm；
5）在减薄的玻璃片表面依次溅射铬层、铜层和金层，同时对对准标记进行保护；其中，铬层厚度为50纳米、铜层厚度为600纳米、金层厚度为400纳米；
6）在金属层的表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续离子束刻蚀工艺所用的第四掩膜；
7）采用离子束刻蚀工艺并通过第四掩膜在金属层上刻蚀形成圆环形金属层片以及若干电极金属层片，然后去除剩余光刻胶即可；其中，圆环形金属层片位于玻璃片的中部且完全覆盖在硅衬底的圆形凹槽上、即圆环形金属层片的外径大于环形凹槽的内径，若干电极金属层片均布于玻璃片的周缘缘边且每个电极金属层片横跨其对应部位的环形凹槽的槽口；
8）将试样放入快速退火炉中进行高温处理，将温度升至玻璃的软化点，硅衬底上的环形凹槽腔体和圆形凹槽腔体内的气体在内外压力差的作用下会膨胀，从而将圆形凹槽上覆盖的玻璃片及圆形金属层片吹成近似空圆球形状，将环形凹槽上覆盖的玻璃片及若干电极金属层片吹成近似拱门的形状；
9）对所得的试样用HF缓冲液腐蚀，将没有被金属层覆盖的玻璃片腐蚀掉，最终得到Y型微半球陀螺谐振子及其检测电极和激励电极。
本发明是在玻璃薄片上利用溅射金属的方法，形成所需要制备的图形和导线，利用高温下玻璃在熔融状态易被吹起的特性，使其形成空球壳和空环形壳体，通过腐蚀玻璃的方法，使没有溅射上金属的空壳部分被腐蚀掉，最终形成类“伞型”、“Y型”半球陀螺谐振子和与其近似平行的检测电极和激励电极。
本发明提供了一种半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法，利用熔融玻璃上图形化的金属薄膜的延展性，在吹起的玻璃上形成对电极，把金属薄膜当成掩膜来腐蚀没有被金属覆盖的区域，同时制备出谐振子、激励电极和检测电极。与现有技术相比，具有以下几个优点：1）采用压力差制备谐振子，谐振子的表面光滑并且完全对称；2）利用玻璃上的金属做掩膜，省去了激光切割技术，降低了成本同时提高了精度；3）形成的类“伞型”、“Y型”半球陀螺谐振子的谐振频率、品质因数等参数更优秀；4）同时制备出的激励电极和检测电极能够更完美的平行于谐振子，而且减少了工艺步骤。
附图说明
图1为本发明所述伞型微半球陀螺谐振子的结构示意图。
图2为本发明所述伞型微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法的工艺步骤图。
图3为本发明所述Y型微半球陀螺谐振子的结构示意图。
图4为本发明所述Y型微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法的工艺步骤图。
图中：1-硅衬底、2-环形凹槽、3-圆形凹槽、4-中心柱体、5-玻璃片、6-金属层、7-圆形金属层片、8-电极金属层片、9-圆环形金属层片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的描述：
一种伞型微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法，包括如下步骤：
1）选择圆形硅片作为衬底并清洗硅衬底1，并在硅衬底1上表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续深硅刻蚀工艺所用的第一掩膜，如图2中的a所示；
2）采用深硅刻蚀工艺并通过第一掩膜在硅衬底1上表面刻蚀形成环形凹槽2结构、圆形凹槽3结构和中心柱体4结构，然后去除剩余的光刻胶即可：其中，环形凹槽2结构紧邻圆形硅片的周缘开设，圆形凹槽3结构开设于环形凹槽2结构之内，中心圆柱体4结构位于圆形凹槽3结构的中心处，环形凹槽2、圆形凹槽3和中心柱体4位于同一轴线上，环形凹槽2的槽深、圆形凹槽3的槽深以及中心柱体4的高度相等，如图2中的b所示；
3）清洗玻璃片5和光刻后的硅衬底1，将玻璃片5置于硅衬底1上表面上并进行硅-玻璃键合，环形凹槽2和圆形凹槽3与玻璃片5之间分别形成密封的腔体，如图2中的c所示；
4）将键合好的玻璃片5进行玻璃面的减薄、研磨和抛光，减薄至80-90μm；
5）在减薄的玻璃片5表面依次溅射铬层、铜层和金层，同时对对准标记进行保护；其中，铬层厚度为50纳米、铜层厚度为600纳米、金层厚度为400纳米，如图2中的d所示；
6）在金属层6的表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续离子束刻蚀工艺所用的第二掩膜；
7）采用离子束刻蚀工艺并通过第二掩膜在金属层6上刻蚀形成圆形金属层片7以及若干电极金属层片8，然后去除剩余光刻胶即可；其中，圆形金属层片7位于玻璃片5的中部且完全覆盖在硅衬底1的圆形凹槽3上，若干电极金属层片8均布于玻璃片5的周缘缘边且每个电极金属层片8横跨其对应部位的环形凹槽2的槽口，每个电极金属层片8的形状为环形的一部分，其中心角为15°，如图2中的e所示；
8）将试样放入快速退火炉中进行高温处理，将温度升至玻璃的软化点，硅衬底1上的环形凹槽2腔体和圆形凹槽3腔体内的气体在内外压力差的作用下会膨胀，从而将圆形凹槽3上覆盖的玻璃片5及圆形金属层片7吹成近似空圆球形状，将环形凹槽2上覆盖的玻璃片5及若干电极金属层片8吹成近似拱门的形状，如图2中的f所示；
9）对所得的试样用HF缓冲液腐蚀，将没有被金属层6覆盖的玻璃片腐蚀掉，最终得到伞型微半球陀螺谐振子及其检测电极和激励电极，如图1及图2中的g、h所示。
一种Y型微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法，包括如下步骤：
1）选择圆形硅片作为衬底并清洗硅衬底1，并在硅衬底1上表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续深硅刻蚀工艺所用的第三掩膜，如图4中的a所示；
2）采用深硅刻蚀工艺并通过第三掩膜在硅衬底1上表面刻蚀形成环形凹槽2结构和圆形凹槽3结构，然后去除剩余的光刻胶即可：其中，环形凹槽2结构紧邻圆形硅片的周缘开设，圆形凹槽3结构开设于环形凹槽2结构之内，环形凹槽2和圆形凹槽3位于同一轴线上，环形凹槽2和圆形凹槽3的槽深相等，如图4中的b所示；
3）清洗玻璃片5和光刻后的硅衬底1，将玻璃片5置于硅衬底1上表面上并进行硅-玻璃键合，环形凹槽2和圆形凹槽3与玻璃片5之间分别形成密封的腔体，如图4中的c所示；
4）将键合好的玻璃片5进行玻璃面的减薄、研磨和抛光，减薄至80-90μm；
5）在减薄的玻璃片5表面依次溅射铬层、铜层和金层，同时对对准标记进行保护；其中，铬层厚度为50纳米、铜层厚度为600纳米、金层厚度为400纳米，如图4中的d所示；
6）在金属层6的表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续离子束刻蚀工艺所用的第四掩膜；
7）采用离子束刻蚀工艺并通过第四掩膜在金属层6上刻蚀形成圆环形金属层片9以及若干电极金属层片8，然后去除剩余光刻胶即可；其中，圆环形金属层片9位于玻璃片5的中部且完全覆盖在硅衬底1的圆形凹槽3上，若干电极金属层片8均布于玻璃片5的周缘缘边且每个电极金属层片8横跨其对应部位的环形凹槽2的槽口，每个电极金属层片8的形状为环形的一部分，其中心角为15°，如图4中的e所示；
8）将试样放入快速退火炉中进行高温处理，将温度升至玻璃的软化点，硅衬底1上的环形凹槽2腔体和圆形凹槽3腔体内的气体在内外压力差的作用下会膨胀，从而将圆形凹槽3上覆盖的玻璃片5及圆环形金属层片9吹成近似空圆球形状，将环形凹槽2上覆盖的玻璃片5及若干电极金属层片8吹成近似拱门的形状，如图4中的f所示；
9）对所得的试样用HF缓冲液腐蚀，将没有被金属层6覆盖的玻璃片5腐蚀掉，最终得到Y型微半球陀螺谐振子及其检测电极和激励电极，如图3及图4中的g、h所示。
Claims (2)
1.一种伞型微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）选择圆形硅片作为衬底并清洗硅衬底（1），并在硅衬底（1）上表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续深硅刻蚀工艺所用的第一掩膜；
2）采用深硅刻蚀工艺并通过第一掩膜在硅衬底（1）上表面刻蚀形成环形凹槽（2）结构、圆形凹槽（3）结构和中心柱体（4）结构，然后去除剩余的光刻胶即可：其中，环形凹槽（2）结构紧邻圆形硅片的周缘开设，圆形凹槽（3）结构开设于环形凹槽（2）结构之内，中心圆柱体（4）结构位于圆形凹槽（3）结构的中心处，环形凹槽（2）、圆形凹槽（3）和中心柱体（4）位于同一轴线上，环形凹槽（2）的槽深、圆形凹槽（3）的槽深以及中心柱体（4）的高度相等；
3）清洗玻璃片（5）和光刻后的硅衬底（1），将玻璃片（5）置于硅衬底（1）上表面上并进行硅-玻璃键合，环形凹槽（2）和圆形凹槽（3）与玻璃片（5）之间分别形成密封的腔体；
4）将键合好的玻璃片（5）进行玻璃面的减薄、研磨和抛光，减薄至80-90μm；
5）在减薄的玻璃片（5）表面依次溅射铬层、铜层和金层，同时对对准标记进行保护；其中，铬层厚度为50纳米、铜层厚度为600纳米、金层厚度为400纳米；
6）在金属层（6）的表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续离子束刻蚀工艺所用的第二掩膜；
7）采用离子束刻蚀工艺并通过第二掩膜在金属层（6）上刻蚀形成圆形金属层片（7）以及若干电极金属层片（8），然后去除剩余光刻胶即可；其中，圆形金属层片（7）位于玻璃片（5）的中部且完全覆盖在硅衬底（1）的圆形凹槽（3）上，若干电极金属层片（8）均布于玻璃片（5）的周缘缘边且每个电极金属层片（8）横跨其对应部位的环形凹槽（2）的槽口；
8）将试样放入快速退火炉中进行高温处理，将温度升至玻璃的软化点，硅衬底（1）上的环形凹槽（2）腔体和圆形凹槽（3）腔体内的气体在内外压力差的作用下会膨胀，从而将圆形凹槽（3）上覆盖的玻璃片（5）及圆形金属层片（7）吹成近似空圆球形状，将环形凹槽（2）上覆盖的玻璃片（5）及若干电极金属层片（8）吹成近似拱门的形状；
9）对所得的试样用HF缓冲液腐蚀，将没有被金属层（6）覆盖的玻璃片腐蚀掉，最终得到伞型微半球陀螺谐振子及其检测电极和激励电极。
2.一种Y型微半球陀螺谐振子的自对准技术制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）选择圆形硅片作为衬底并清洗硅衬底（1），并在硅衬底（1）上表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续深硅刻蚀工艺所用的第三掩膜；
2）采用深硅刻蚀工艺并通过第三掩膜在硅衬底（1）上表面刻蚀形成环形凹槽（2）结构和圆形凹槽（3）结构，然后去除剩余的光刻胶即可：其中，环形凹槽（2）结构紧邻圆形硅片的周缘开设，圆形凹槽（3）结构开设于环形凹槽（2）结构之内，环形凹槽（2）和圆形凹槽（3）位于同一轴线上，环形凹槽（2）和圆形凹槽（3）的槽深相等；
3）清洗玻璃片（5）和光刻后的硅衬底（1），将玻璃片（5）置于硅衬底（1）上表面上并进行硅-玻璃键合，环形凹槽（2）和圆形凹槽（3）与玻璃片（5）之间分别形成密封的腔体；
4）将键合好的玻璃片（5）进行玻璃面的减薄、研磨和抛光，减薄至80-90μm；
5）在减薄的玻璃片（5）表面依次溅射铬层、铜层和金层，同时对对准标记进行保护；其中，铬层厚度为50纳米、铜层厚度为600纳米、金层厚度为400纳米；
6）在金属层（6）的表面上旋涂光刻胶，光刻形成后续离子束刻蚀工艺所用的第四掩膜；
7）采用离子束刻蚀工艺并通过第四掩膜在金属层（6）上刻蚀形成圆环形金属层片（9）以及若干电极金属层片（8），然后去除剩余光刻胶即可；其中，圆环形金属层片（9）位于玻璃片（5）的中部且完全覆盖在硅衬底（1）的圆形凹槽（3）上，若干电极金属层片（8）均布于玻璃片（5）的周缘缘边且每个电极金属层片（8）横跨其对应部位的环形凹槽（2）的槽口；
8）将试样放入快速退火炉中进行高温处理，将温度升至玻璃的软化点，硅衬底（1）上的环形凹槽（2）腔体和圆形凹槽（3）腔体内的气体在内外压力差的作用下会膨胀，从而将圆形凹槽（3）上覆盖的玻璃片（5）及圆环形金属层片（9）吹成近似空圆球形状，将环形凹槽（2）上覆盖的玻璃片（5）及若干电极金属层片（8）吹成近似拱门的形状；
9）对所得的试样用HF缓冲液腐蚀，将没有被金属层（6）覆盖的玻璃片（5）腐蚀掉，最终得到Y型微半球陀螺谐振子及其检测电极和激励电极。
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