CN105628013A - 一种组装式半球谐振微陀螺仪及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种组装式半球谐振微陀螺仪，属于微机电和惯性导航领域，上层玻璃衬底、外围锚点结构和下层玻璃衬底由上而下依次设置，在上层玻璃衬底的底面的中心设有圆形凹槽，外围锚点结构为中空的框型结构，圆形凹槽和外围锚点结构的中空区域相连通形成腔体，在该腔体的中心设置半球壳谐振子；在上层玻璃衬底上等间距设置十六个电极，每个电极均分别与相对应的十六个电极孔相连，电极孔设置在上层玻璃衬底中；本发明还公开了一种组装式半球谐振微陀螺仪加工工艺。本发明的一种组装式半球谐振微陀螺仪实现了封装，缩减了生产周期，提高了产生效率；本发明的半球壳谐振子和均布式电极的加工工艺简单，尺寸较小，生产成本较低，适合批量化生产。

Description

一种组装式半球谐振微陀螺仪及其加工工艺

技术领域

本发明属于微机电和惯性导航领域，具体涉及一种组装式半球谐振微陀螺仪及其加工工艺。

背景技术

半球型谐振陀螺仪作为一种惯性姿态测量器件，具有很高的测量精度，超强的稳定性和可靠性，良好的抗冲击振动性及温度特性，独特的关机抗辐射能力，超长的寿命，启动时间短等突出优点，被惯性技术界认为是一种在21世纪先进的捷联惯导系统中最理想的元件。

2014年，美国佐治亚理工大学的P.Shao等人在其最新的论文中介绍了一种利用3D-HARPSS工艺制作的自校准大电容电极的半球壳，半球壳的直径为1200μm，厚度为1μm并且半球壳谐振陀螺仪的闭环敏感标度因数达到8.75mv/°/S。

半球谐振子的成型至今为止一直是制约其发展的瓶颈，查阅资料，到目前为止，只有美国和俄罗斯制造出比较好的成品，其它国家仅处于研究阶段或制造的产品性能较低。而且上述的利用3D-HARPSS工艺制作半球壳谐振陀螺仪的工艺复杂，并且半球壳的支撑面积是由牺牲层SiO₂的残留面积决定的，因此使用HF超临界干燥法刻蚀牺牲层释放半球壳时，HF的浓度和刻蚀的时间非常关键，控制难度较大，可能造成支撑面积过大或者过小，严重影响了陀螺仪的工作性能。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种组装式半球谐振微陀螺仪，本发明的另一目的在于提供一种组装式半球谐振微陀螺仪的加工工艺，半球壳谐振子的加工工艺简单，并且释放半球壳时，不存在支撑面积难以控制的问题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种组装式半球谐振微陀螺仪，包括半球壳谐振子、外围锚点结构、上层玻璃衬底、下层玻璃衬底、电极、圆形凹槽、电极孔、焊盘、金属电极区和金属引线；所述的上层玻璃衬底、外围锚点结构和下层玻璃衬底由上而下依次设置，在上层玻璃衬底的底面的中心设有圆形凹槽，外围锚点结构为中空的框型结构，圆形凹槽和外围锚点结构的中空区域相连通形成腔体，在该腔体的中心设置半球壳谐振子；在上层玻璃衬底上等间距设置十六个电极，每个电极均分别与相对应的十六个电极孔相连，电极孔设置在上层玻璃衬底中；在下层玻璃衬底上设有对应半球壳谐振子的电极孔；在上层玻璃衬底上的四周等间距设置有焊盘，焊盘为方形且为十六个，焊盘通过金属引线与相应的上层玻璃衬底中的电极孔相连；在下层玻璃衬底上设有金属电极区，圆形金属键合区通过金属引线与下层玻璃衬底中电极孔相连。

所述的半球壳谐振子通过支撑柄键合在下层玻璃衬底上。

所述的电极孔与下层玻璃衬底底面的方形金属焊盘相连。

所述的半球壳谐振子的直径为1200~1500μm，厚度为1~5μm。

所述的半球壳谐振子和电极之间的间隙为5~20μm。

该组装式半球谐振微陀螺仪的整体尺寸为3000μm×3000μm×1200μm。

一种组装式半球谐振微陀螺仪的加工工艺，包括以下步骤：

1）形成键合区、焊盘和信号引线

上层玻璃衬底底面光刻并用湿法刻蚀，形成圆形凹槽，在正面光刻胶并湿法刻蚀，形成电极孔通孔，重新涂胶，光刻并湿法刻蚀，形成焊盘槽和信号引线槽；在下层玻璃衬底正面涂光刻胶、光刻、湿法刻蚀，形成圆形键合区和引线槽，在反面涂覆光刻胶、光刻、曝光、显影，湿法刻蚀，形成电极引线通孔；

在上、下层玻璃基底上光刻胶、光刻、曝光、显影、溅射金属铬和金，形成键合区、焊盘和信号引线；

2）形成支撑柄、电极、外围锚点结构和半球壳谐振子

清洗第一块硅晶圆片，在硅晶圆片双面热生长SiO₂，涂光刻胶、光刻并刻蚀SiO₂，在中心区域刻蚀出圆形开口，使用SF₆等离子体各向同性刻蚀，形成半球型凹槽；在硅片背面涂覆光刻胶、光刻、曝光、显影，利用ICP工艺刻蚀圆孔，使得中心孔穿透硅片，制作支撑柄；在硅晶圆片上热生长SiO₂，LPCVD多晶硅，掺杂，退火，去除表面的多晶硅，得到半球壳谐振子；

清洗第二块硅晶圆片，双面热生长SiO₂，在正面涂光刻胶，光刻、曝光、显影，使用ICP技术刻蚀凹槽，并利用CMP将硅晶圆片减薄到指定的厚度；将第二块晶硅圆片与上层玻璃基底进行硅-玻璃阳极键合；在第二块晶硅圆片上LPCVD沉积SiO₂，光刻并使用ICP技术刻蚀，直到刻蚀到底部的深槽为止，形成电极和外围锚点结构；

3）键合和封装

将经过步骤2）加工过的第一块硅晶圆片与带有金属电极和引线的下层玻璃基底进行阳极键合，并使用HF刻蚀掉SiO₂，使用同性刻蚀气体SF6/XeF₂刻蚀，去除光刻胶；使用HF刻蚀SiO₂，释放结构，将两个结构层进行阳极键合，并进行真空封装。

步骤1）中，在圆形凹槽中沉积纳米吸气剂；以保证真空封装的真空度；中陀螺仪的制作结合了MEMS体硅加工工艺、表面微加工工艺、玻璃刻蚀工艺和硅—玻璃阳极键合工艺。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种组装式半球谐振微陀螺仪的半球壳、电极和上、下层玻璃衬底四者的加工相互独立，可同时进行加工之后将上层玻璃基底与电极、下层玻璃基底与半球壳谐振子通过阳极键合为一体，然后再将二者键合，实现了封装，缩减了生产周期，提高了产生效率；本发明的半球壳谐振子和均布式电极的加工工艺简单，尺寸较小，生产成本较低，适合批量化生产。

附图说明

图1为组装式半球谐振微陀螺仪的结构示意图；

图2为图1沿A-A面的剖视图；

图3为组装式半球谐振微陀螺仪加工工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1-2所示，一种组装式半球谐振微陀螺仪，包括半球壳谐振子1、支撑柄2、外围锚点结构3、上层玻璃衬底4、下层玻璃衬底5、电极6、圆形凹槽7、电极孔8、焊盘9、金属电极区10和金属引线11。

上层玻璃衬底4、外围锚点结构3和下层玻璃衬底5由上而下依次设置，在上层玻璃衬底4的底面的中心设有圆形凹槽7，外围锚点结构3为中空的框型结构，圆形凹槽7和外围锚点结构3的中空区域相连通形成腔体，在该腔体的中心设置半球壳谐振子1；半球壳谐振子1通过中心支撑柄2键合在下层玻璃衬底上5。

在上层玻璃衬底4上等间距设置电极6，每个电极6均分别与相对应的电极孔8相连，其中，电极6为十六个，在上层玻璃衬底4中设有十六个电极孔8，以实现信号的输入与输出；在下层玻璃衬底5上设有对应半球壳谐振子1的电极孔8，用来对半球壳谐振子1施加基准电压。

半球壳谐振子1和十六个围绕半球壳谐振子均匀分布的电极6、外围锚点结构3是在两块硅晶圆片上加工而成。

在上层玻璃衬底4上的四周等间距设置有焊盘9，焊盘9为方形且为十六个，焊盘9通过金属引线11与相应的上层玻璃衬底4中的电极孔8相连；在下层玻璃衬底5上设有金属电极区10，圆形金属键合区10通过金属引线11与下层玻璃衬底5中电极孔8相连，电极孔8与下层玻璃衬底5底面的方形金属焊盘相连。

半球壳谐振子1的直径为1200~1500μm，厚度为1~5μm。

半球壳谐振子1和电极6之间的间隙为5~20μm；半球壳陀螺仪的整体尺寸为3000μm×3000μm×1200μm。

如图3中，图3（a）-图3（k）对应下述步骤1）-11）。MEMS是微电子机械系统。LPCVD是低压化学气象沉积。HF刻蚀是氢氟酸刻蚀。

一种组装式半球谐振微陀螺仪的加工工艺，包括以下步骤：

1）在上层PYREX7740玻璃衬底反面光刻并用湿法刻蚀，形成圆形腔体，在正面光刻胶并湿法刻蚀，形成电极孔通孔，重新涂胶，光刻并湿法刻蚀，形成方形焊盘槽和信号引线槽；

2）在下层玻璃衬底正面涂光刻胶、光刻、湿法刻蚀，形成圆形键合区和引线槽，在反面涂覆光刻胶、光刻、曝光、显影，湿法刻蚀，形成电极引线通孔；

3）在上、下层玻璃基底上光刻胶、光刻、曝光、显影、溅射金属铬（Cr）和金（Au），形成键合区、焊盘和信号引线；

4）清洗第一块硅晶圆片，热生长SiO₂，涂光刻胶、光刻并刻蚀SiO₂，在中心区域刻蚀出圆形开口，使用SF₆等离子体各向同性刻蚀，形成半球型凹槽；

5）在硅片背面涂覆光刻胶、光刻、曝光、显影，利用ICP工艺刻蚀圆孔，使得中心孔穿透硅片，以便于制作支撑柄；

6）热生长SiO₂，LPCVD多晶硅，掺杂，退火，去除表面的多晶硅，形成半球壳；

7）清洗第二块硅晶圆片，双面热生长SiO₂,在正面涂光刻胶，光刻、曝光、显影，使用ICP技术刻蚀凹槽，并利用CMP将硅晶圆片减薄到指定的厚度；

8）将经过步骤7）加工过的第二块晶硅圆片与上层玻璃基底进行硅-玻璃阳极键合；

9）在第二块晶硅圆片上LPCVD沉积SiO₂，光刻并使用ICP技术刻蚀，直到刻蚀到底部的深槽为止，形成电极和外围锚点结构；

10）将经过步骤4）至6）加工过的第一块硅晶圆片与带有金属电极和引线的下层玻璃基底进行阳极键合，并使用HF刻蚀掉SiO₂，使用同性刻蚀气体SF6/XeF₂刻蚀，去除光刻胶；

11）使用HF刻蚀SiO₂，释放结构，将两个结构层进行阳极键合，并进行真空封装。

步骤1）中，可以在制成的圆形腔体7中沉积纳米吸气剂，以保证真空封装的真空度；中陀螺仪的制作结合了MEMS体硅加工工艺、表面微加工工艺、玻璃刻蚀工艺和硅—玻璃阳极键合工艺。

Claims (8)

1.一种组装式半球谐振微陀螺仪，其特征在于：包括半球壳谐振子（1）、外围锚点结构（3）、上层玻璃衬底（4）、下层玻璃衬底（5）、电极（6）、圆形凹槽（7）、电极孔（8）、焊盘（9）、金属电极区（10）和金属引线（11）；所述的上层玻璃衬底（4）、外围锚点结构（3）和下层玻璃衬底（5）由上而下依次设置，在上层玻璃衬底（4）的底面的中心设有圆形凹槽（7），外围锚点结构（3）为中空的框型结构，圆形凹槽（7）和外围锚点结构（3）的中空区域相连通形成腔体，在该腔体的中心设置半球壳谐振子（1）；在上层玻璃衬底（4）上等间距设置十六个电极（6），每个电极（6）均分别与相对应的十六个电极孔（8）相连，电极孔（8）设置在上层玻璃衬底（4）中；在下层玻璃衬底（5）上设有对应半球壳谐振子（1）的电极孔（8）；在上层玻璃衬底（4）上的四周等间距设置有焊盘（9），焊盘（9）为方形且为十六个，焊盘（9）通过金属引线（11）与相应的上层玻璃衬底（4）中的电极孔（8）相连；在下层玻璃衬底（5）上设有金属电极区（10），圆形金属键合区（10）通过金属引线（11）与下层玻璃衬底（5）中电极孔（8）相连。

2.根据权利要求1所述的一种组装式半球谐振微陀螺仪，其特征在于：所述的半球壳谐振子（1）通过支撑柄（2）键合在下层玻璃衬底上（5）。

3.根据权利要求1所述的一种组装式半球谐振微陀螺仪，其特征在于：所述的电极孔（8）与下层玻璃衬底（5）底面的方形金属焊盘相连。

4.根据权利要求1所述的一种组装式半球谐振微陀螺仪，其特征在于：所述的半球壳谐振子（1）的直径为1200~1500μm，厚度为1~5μm。

5.根据权利要求1所述的一种组装式半球谐振微陀螺仪，其特征在于：所述的半球壳谐振子（1）和电极（6）之间的间隙为5~20μm。

6.根据权利要求1所述的一种组装式半球谐振微陀螺仪，其特征在于：该组装式半球谐振微陀螺仪的整体尺寸为3000μm×3000μm×1200μm。

7.权利要求1~6中任意一项所述的一种组装式半球谐振微陀螺仪的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1）形成键合区、焊盘和信号引线

上层玻璃衬底底面光刻并用湿法刻蚀，形成圆形凹槽，在正面光刻胶并湿法刻蚀，形成电极孔通孔，重新涂胶，光刻并湿法刻蚀，形成焊盘槽和信号引线槽；在下层玻璃衬底正面涂光刻胶、光刻、湿法刻蚀，形成圆形键合区和引线槽，在反面涂覆光刻胶、光刻、曝光、显影，湿法刻蚀，形成电极引线通孔；

在上、下层玻璃基底上光刻胶、光刻、曝光、显影、溅射金属铬和金，形成键合区、焊盘和信号引线；

2）形成支撑柄、电极、外围锚点结构和半球壳谐振子

清洗第一块硅晶圆片，在硅晶圆片双面热生长SiO₂，涂光刻胶、光刻并刻蚀SiO₂，在中心区域刻蚀出圆形开口，使用SF₆等离子体各向同性刻蚀，形成半球型凹槽；在硅片背面涂覆光刻胶、光刻、曝光、显影，利用ICP工艺刻蚀圆孔，使得中心孔穿透硅片，制作支撑柄；在硅晶圆片上热生长SiO₂，LPCVD多晶硅，掺杂，退火，去除表面的多晶硅，得到半球壳谐振子；

清洗第二块硅晶圆片，双面热生长SiO₂，在正面涂光刻胶，光刻、曝光、显影，使用ICP技术刻蚀凹槽，并利用CMP将硅晶圆片减薄到指定的厚度；将第二块晶硅圆片与上层玻璃基底进行硅-玻璃阳极键合；在第二块晶硅圆片上LPCVD沉积SiO₂，光刻并使用ICP技术刻蚀，直到刻蚀到底部的深槽为止，形成电极和外围锚点结构；

3）键合和封装

将经过步骤2）加工过的第一块硅晶圆片与带有金属电极和引线的下层玻璃基底进行阳极键合，并使用HF刻蚀掉SiO₂，使用同性刻蚀气体SF6/XeF₂刻蚀，去除光刻胶；使用HF刻蚀SiO₂，释放结构，将两个结构层进行阳极键合，并进行真空封装。

8.根据权利要求7所述的一种组装式半球谐振微陀螺仪的加工工艺，其特征在于：步骤1）中，在圆形凹槽中沉积纳米吸气剂。