CN106959106B - 一种基于soi封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪及其加工方法，基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪包括玻璃基底、SOI密封壳、熔融石英微半球壳谐振子、微半球壳支撑柱、基准电极、8个敏感电极、16六个激励电极、圆形金属焊盘和圆柱形电极通孔。本发明电极位于球壳唇沿的正下方，能避免微半球壳谐振子和电极组装时，由于键合对准精度问题而造成的偏心误差；而且在球壳唇沿处增加了唇外沿，增大了电极与球壳唇沿的正对面积，能提高检测精度；充分利用了SOI晶圆片的优势，对微半球谐振陀螺仪进行封装，使得整个陀螺仪的封装工艺大大简化；具有8个敏感电极和16个激励电极，能采用全角工作模式，使微半球谐振陀螺仪的动态性能将得到增强。

Description

一种基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪及其加工 方法

技术领域

本发明涉及微机电和惯性导航领域，具体涉及一种基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪及其加工方法。

背景技术

随着3-D MEMS(微电子机械系统)的发展，微系统的尺寸在不断缩小，以满足微型化和高度集成的需要。陀螺仪作为一种检测运动体旋转的重要惯性器件，在惯性导航领域有着广泛的应用。从已实现的性能来说，相较于其它类型和结构的陀螺仪，半球谐振陀螺仪具有无可匹敌的优势。而微半球谐振陀螺仪作为半球谐振陀螺微型化的产品，具有实现高性能的潜力。

目前，微半球谐振陀螺仪制作过程中，大部分加工是将微半球壳谐振子和电极分开加工，然后通过键合组装成一体。但由于键合时存在对准误差，这引起电容间隙不一致。另外由于尺寸的减小和加工工艺的限制，在微半球谐振陀螺仪中一般只能将电极配置在微半球壳外侧，其电极配置数量有限(通常为16个)。而为了保证陀螺仪正常工作时的性能，其所必需的控制与检测环路均不得减少。因此均采用力平衡工作模式；但相较于力平衡工作模式，全角工作模式可直接得到外界的输入角度值，其动态性能要好于力平衡工作模式。

近些年，基于SOI的MEMS加工工艺广泛应用于各种高性能的微型器件的制作中。由于MEMS器件的多种多样，使得MEMS封装具有特殊性和多样性，而且MEMS封装除了需要具有IC封装的功能外，还需要解决与外界的信息和能量交换的问题，这增加了MEMS封装的成本和难度。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪及其加工方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪，其特征在于：包括玻璃基底、SOI

密封壳、熔融石英微半球壳谐振子、微半球壳支撑柱、基准电极、8个敏感电极、16六个激励电极、圆形金属焊盘和圆柱形电极通孔；所述玻璃基底设在SOI密封壳底部形成密闭空腔结构，熔融石英微半球壳谐振子设在玻璃基底中心位置，基准电极设在熔融石英微半球壳谐振子中心位置的玻璃基底上表面，微半球壳支撑柱顶端与熔融石英微半球壳谐振子半球内顶面相接，底端与基准电极相接；8个敏感电极均匀设在微半球壳谐振子唇沿正下方的玻璃基底上表面，16个激励电极均匀设在微半球壳唇沿外侧的玻璃基底上表面；圆形金属焊盘为25个，分别对应设在基准电极、8个敏感电极和16六个激励电极下方的玻璃基底下表面上，圆形金属焊盘与对应的基准电极、8个敏感电极和16六个激励电极之间均设有圆柱形电极通孔。

工作原理：本发明基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪，电极位于球壳唇沿的正下方，避免了微半球壳谐振子和电极组装时，由于键合对准精度问题而造成的偏心误差；位于玻璃基底中心位置的电极通孔与基准电极相连，以便于对半球壳施加基准电压；8个电极通孔与8个敏感电极相连，以实现检测信号的输出；16个电极通孔与16个激励电极一一对应，以实现驱动信号的输入；8个敏感电极和16个激励电极，可以采用全角工作模式；微半球谐振陀螺仪的动态性能将得到增强。

所述熔融石英微半球壳谐振子的唇沿处设有环形唇外沿；能增大电极与球壳唇沿的正对面积，使得电极接触面积变大，提高了检测精度。

所述微半球壳谐振子顶部位置沉积有纳米吸气剂；能保证真空封装的真空度。

优选，所述半球壳谐振子直径为1200～2000μm，厚度为1～10μm。

优选，所述SOI密封壳尺寸为3500μm*3500μm*1500μm。

一种基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：

(1)清洗SOI晶硅圆片，在SOI硅片下表面PECVD二氧化硅层做掩膜，用第一块掩膜板光刻，使用RIE刻蚀二氧化硅掩膜层，定义密封墙的位置；

(2)使用DRIE/ICP刻蚀结构层，直到刻蚀到二氧化硅层为止，形成密封墙，去除光刻胶和二氧化硅；

(3)利用干膜工艺，使用第二块掩膜板光刻，在密封墙的中心位置沉积纳米吸气剂，以保证真空封装的真空度；

(4)清洗硅晶圆片，在硅晶圆片上表面PECVD二氧化硅层做掩膜，涂光刻胶，使用第三块掩膜板光刻，使用RIE刻蚀二氧化硅，在中心区域刻蚀出圆形开口，使用DRIE/ICP刻蚀结构层，形成圆柱型凹槽，去除光刻胶和二氧化硅；

(5)清洗熔融石英片，将其与步骤(4)加工的硅晶圆片进行阳极键合；

(6)在键合晶圆片的熔融石英片的表面涂光刻胶，使用第四块掩膜板光刻，使用深氧化硅等离子体刻蚀机刻蚀熔融石英深槽，刻蚀深度为10～20μm，定义出熔融石英片的微半球谐振子区域和外电极区；

(7)将经过键合的晶圆片放入高温炉中，在熔融石英的软化温度点1600℃加热2min,吹制出熔融石英微半球壳，然后迅速冷却至室温；使用磁控溅射Cr/Au，得到微半球壳外表面的导电层；

(8)在吹制出熔融石英半球壳的键合晶圆片的表面涂覆研磨蜡，研磨蜡要高于半球壳的顶部，使用化学机械抛光减薄键合晶硅圆片，直至熔融石英片的外电极区的深槽底部；然后使用磁控溅射Cr/Au，得到微半球壳内表面的导电层；

(9)清洗玻璃基底，使用第五块掩膜板光刻，使用激光设备加工玻璃电极通孔，然后使用导电胶填满通孔；在玻璃基底的上表面使用第六掩膜板光刻，使用磁控溅射Al，制作基准电极和16个激励电极；

(10)在玻璃基底的上、下表面使用第七、八块掩膜板光刻，使用磁控溅射Cr/Au，利用玻璃工艺制作敏感电极和圆形金属焊盘；

(11)将有熔融石英半球壳的晶圆片与玻璃基底进行键合，去除研磨蜡；

(12)将经过步骤(3)加工的SOI晶硅圆片与经过步骤(11)加工的晶圆片进行金—硅键合，完成基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的封装。

上述硅晶圆片为(111)晶硅圆片，与步骤1SOI晶硅圆片为两种不同材料的晶硅圆片。

优选，所述步骤(6)中，刻蚀熔融石英深槽的深度为外电极的高度，深槽的宽度为激励电极与半球壳之间的电容间隙尺寸；所述的步骤(9)中磁控溅射Al的高度为敏感电极与微半球壳之间的电容间隙的尺寸。

另一种可供选择的优选方案，所述步骤(9)中的16个激励电极和步骤(10)中的8个敏感电极使用硅晶圆加工，并通过键合，使其分别位于微半球壳谐振子唇沿正下方的玻璃基底上表面和微半球壳唇沿外侧的玻璃基底上表面。

另一种可供选择的优选方案，在步骤(3)加工的SOI硅晶圆片的下表面沉积金或锡，在步骤(12)中，通过金-金键合或金—锡键合，完成封装。

本发明未提及的技术均为现有技术。

有益效果：本发明基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪及其加工方法，电极位于球壳唇沿的正下方，能避免微半球壳谐振子和电极组装时，由于键合对准精度问题而造成的偏心误差；而且在球壳唇沿处增加了唇外沿，增大了电极与球壳唇沿的正对面积，能提高检测精度；充分利用了SOI晶圆片的优势，对微半球谐振陀螺仪进行封装，使得整个陀螺仪的封装工艺大大简化；具有8个敏感电极和16个激励电极，能采用全角工作模式，使微半球谐振陀螺仪的动态性能将得到增强。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的沿A-A面的剖视图；

图3为本发明的加工工艺流程图；

图中：1为熔融石英微半球壳谐振子，2为玻璃衬底，3为基准电极，4为敏感电极，5为激励电极，6为圆形金属焊盘，7为SOI密封壳，8为圆柱形电极通孔，9为微半球壳支撑柱，10为纳米吸气剂。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1-3所示，一种基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪，包括玻璃基底、

SOI密封壳、熔融石英微半球壳谐振子、微半球壳支撑柱、基准电极、8个敏感电极、16六个激励电极、圆形金属焊盘和圆柱形电极通孔；所述玻璃基底设在SOI密封壳底部形成密闭空腔结构，熔融石英微半球壳谐振子设在玻璃基底中心位置，基准电极设在熔融石英微半球壳谐振子中心位置的玻璃基底上表面，微半球壳支撑柱顶端与熔融石英微半球壳谐振子半球内顶面相接，底端与基准电极相接；8个敏感电极均匀设在微半球壳谐振子唇沿正下方的玻璃基底上表面，16个激励电极均匀设在微半球壳唇沿外侧的玻璃基底上表面；圆形金属焊盘为25个，分别对应设在基准电极、8个敏感电极和16六个激励电极下方的玻璃基底下表面上，圆形金属焊盘与对应的基准电极、8个敏感电极和16六个激励电极之间均设有圆柱形电极通孔；熔融石英微半球壳谐振子的唇沿处设有环形唇外沿；微半球壳谐振子顶部位置沉积有纳米吸气剂；半球壳谐振子直径为1200μm，厚度为1μm；SOI密封壳尺寸为3500μm*3500μm*1500μm。

上述基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：

(1)清洗SOI晶硅圆片，在SOI硅片下表面PECVD二氧化硅层做掩膜，用第一块掩膜板光刻，使用RIE刻蚀二氧化硅掩膜层，定义密封墙的位置；

(2)使用DRIE/ICP刻蚀结构层，直到刻蚀到二氧化硅层为止，形成密封墙，去除光刻胶和二氧化硅；

(3)利用干膜工艺，使用第二块掩膜板光刻，在密封墙的中心位置沉积纳米吸气剂，以保证真空封装的真空度；

(4)清洗硅晶圆片，在硅晶圆片上表面PECVD二氧化硅层做掩膜，涂光刻胶，使用第三块掩膜板光刻，使用RIE刻蚀二氧化硅，在中心区域刻蚀出圆形开口，使用DRIE/ICP刻蚀结构层，形成圆柱型凹槽，去除光刻胶和二氧化硅；

(5)清洗熔融石英片，将其与步骤(4)加工的硅晶圆片进行阳极键合；

(6)在键合晶圆片的熔融石英片的表面涂光刻胶，使用第四块掩膜板光刻，使用深氧化硅等离子体刻蚀机刻蚀熔融石英深槽，刻蚀深度为10～20μm，定义出熔融石英片的微半球谐振子区域和外电极区；

(7)将经过键合的晶圆片放入高温炉中，在熔融石英的软化温度点1600℃加热2min,吹制出熔融石英微半球壳，然后迅速冷却至室温；使用磁控溅射Cr/Au，得到微半球壳外表面的导电层；

(8)在吹制出熔融石英半球壳的键合晶圆片的表面涂覆研磨蜡，研磨蜡要高于半球壳的顶部，使用化学机械抛光减薄键合晶硅圆片，直至熔融石英片的外电极区的深槽底部；然后使用磁控溅射Cr/Au，得到微半球壳内表面的导电层；

(9)清洗玻璃基底，使用第五块掩膜板光刻，使用激光设备加工玻璃电极通孔，然后使用导电胶填满通孔；在玻璃基底的上表面使用第六掩膜板光刻，使用磁控溅射Al，制作基准电极和16个激励电极；

(10)在玻璃基底的上、下表面使用第七、八块掩膜板光刻，使用磁控溅射Cr/Au，利用玻璃工艺制作敏感电极和圆形金属焊盘；

(11)将有熔融石英半球壳的晶圆片与玻璃基底进行键合，去除研磨蜡；

(12)将经过步骤(3)加工的SOI晶硅圆片与经过步骤(11)加工的晶圆片进行金—硅键合，完成基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的封装。

步骤(6)中，刻蚀熔融石英深槽的深度为外电极的高度，深槽的宽度为激励电极与半球壳之间的电容间隙尺寸；所述的步骤(9)中磁控溅射Al的高度为敏感电极与微半球壳之间的电容间隙的尺寸。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：半球壳谐振子直径为2000μm，厚度为10μm；。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的是：基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的加工方法，步骤(9)中的16个激励电极和步骤(10)中的8个敏感电极使用硅晶圆加工，并通过键合，使其分别位于微半球壳谐振子唇沿正下方的玻璃基底上表面和微半球壳唇沿外侧的玻璃基底上表面。

实施例4

与实施例1基本相同，所不同的是：基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的加工方法，步骤(3)加工的SOI硅晶圆片的下表面沉积金或锡，在步骤(12)中，通过金-金键合或金—锡键合，完成封装。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪，其特征在于：包括玻璃基底、SOI密封壳、熔融石英微半球壳谐振子、微半球壳支撑柱、基准电极、8个敏感电极、16个激励电极、圆形金属焊盘和圆柱形电极通孔；所述玻璃基底设在SOI密封壳底部形成密闭空腔结构，熔融石英微半球壳谐振子设在玻璃基底中心位置，基准电极设在熔融石英微半球壳谐振子中心位置的玻璃基底上表面，微半球壳支撑柱顶端与熔融石英微半球壳谐振子半球内顶面相接，底端与基准电极相接；8个敏感电极均匀设在熔融石英微半球壳谐振子唇沿正下方的玻璃基底上表面，16个激励电极均匀设在熔融石英微半球壳谐振子唇沿外侧的玻璃基底上表面；圆形金属焊盘为25个，分别对应设在基准电极、8个敏感电极和16个激励电极下方的玻璃基底下表面上，圆形金属焊盘与对应的基准电极、8个敏感电极和16个激励电极之间均设有圆柱形电极通孔。

2.如权利要求1所述的基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述熔融石英微半球壳谐振子的唇沿处设有环形唇外沿。

3.如权利要求2所述的基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述SOI密封壳下表面正对熔融石英微半球壳谐振子顶部位置处沉积有纳米吸气剂。

4.如权利要求1-3任意一项所述的基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述熔融石英微半球壳谐振子直径为1200～2000μm，厚度为1～10μm。

5.如权利要求1-3任意一项所述的基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述SOI密封壳尺寸为3500μm*3500μm*1500μm。

6.权利要求1-5任意一项所述的基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)清洗SOI晶硅圆片，在SOI硅片下表面PECVD二氧化硅层做掩膜，用第一块掩膜板光刻，使用RIE刻蚀二氧化硅掩膜层，定义密封墙的位置；

(2)使用DRIE/ICP刻蚀结构层，直到刻蚀到二氧化硅层为止，形成密封墙，去除光刻胶和二氧化硅；

(3)利用干膜工艺，使用第二块掩膜板光刻，在密封墙的中心位置沉积纳米吸气剂，以保证真空封装的真空度；

(4)清洗硅晶圆片，在硅晶圆片上表面PECVD二氧化硅层做掩膜，涂光刻胶，使用第三块掩膜板光刻，使用RIE刻蚀二氧化硅，在中心区域刻蚀出圆形开口，使用DRIE/ICP刻蚀结构层，形成圆柱型凹槽，去除光刻胶和二氧化硅；

(5)清洗熔融石英片，将其与步骤(4)加工的硅晶圆片进行阳极键合；

(6)在键合晶圆片的熔融石英片的表面涂光刻胶，使用第四块掩膜板光刻，使用深氧化硅等离子体刻蚀机刻蚀熔融石英深槽，刻蚀深度为10～20μm，定义出熔融石英片的微半球谐振子区域和外电极区；

(7)将经过键合的晶圆片放入高温炉中，在熔融石英的软化温度点1600℃加热2min,吹制出熔融石英微半球壳，然后迅速冷却至室温；使用磁控溅射Cr/Au，得到微半球壳外表面的导电层；

(8)在吹制出熔融石英半球壳的键合晶圆片的表面涂覆研磨蜡，研磨蜡要高于半球壳的顶部，使用化学机械抛光减薄键合晶硅圆片，直至熔融石英片的外电极区的深槽底部；然后使用磁控溅射Cr/Au，得到微半球壳内表面的导电层；

(9)清洗玻璃基底，使用第五块掩膜板光刻，使用激光设备加工玻璃电极通孔，然后使用导电胶填满通孔；在玻璃基底的上表面使用第六掩膜板光刻，使用磁控溅射Al，制作基准电极和16个激励电极；

(10)在玻璃基底的上、下表面使用第七、八块掩膜板光刻，使用磁控溅射Cr/Au，利用玻璃工艺制作敏感电极和圆形金属焊盘；

(11)将有熔融石英半球壳的晶圆片与玻璃基底进行键合，去除研磨蜡；

(12)将经过步骤(3)加工的SOI晶硅圆片与经过步骤(11)加工的晶圆片进行金—硅键合，完成基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的封装。

7.如权利要求6所述的基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的加工方法，其特征在于：所述步骤(6)中，刻蚀熔融石英深槽的深度为外电极的高度，深槽的宽度为激励电极与半球壳之间的电容间隙尺寸；所述的步骤(9)中磁控溅射Al的高度为敏感电极与微半球壳之间的电容间隙的尺寸。

8.如权利要求6或7所述的基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的加工方法，其特征在于：所述步骤(9)中的16个激励电极和步骤(10)中的8个敏感电极使用硅晶圆加工，并通过键合，使其分别位于熔融石英微半球壳谐振子唇沿正下方的玻璃基底上表面和熔融石英微半球壳谐振子唇沿外侧的玻璃基底上表面。

9.如权利要求6或7所述的基于SOI封装的熔融石英微半球谐振陀螺仪的加工方法，其特征在于：在步骤(3)加工的SOI硅晶圆片的下表面沉积金或锡，在步骤(12)中，通过金-金键合或金—锡键合，完成封装。

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