CN107560607A - 基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法。微陀螺仪中设有底部电极、绝缘层、硅基体、谐振子、基座、电极阵列；基座与谐振子的锚端相连，将电信号连到背面的底部电极；硅基体和基座构成半环凹模；环绕谐振子顶端的硅基体由局部离子掺杂，形成环形电极阵列；硅基体的背面设有环形阵列的释放孔；绝缘层位置位于硅基体与底部电极之间。本发明通过采用谐振子的设计同时引入金刚石材料，降低结构四波腹振动模态的谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高微陀螺仪的零偏置稳定性；所设计微电火花加工技术结合MEMS工艺避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)传感器及微纳米制造领域，特别是涉及一种基于半环壳谐振子、具有高品质因数和高稳定性的微陀螺仪及其制备方法。
背景技术
陀螺仪是一种用来测量转动速度或转动角度的传感器，可和GPS一起使用，提供精确定位和导航信息。结合微机电系统(MEMS)技术采用微制造工艺可以缩小陀螺仪的尺寸和功耗。MEMS陀螺仪的精度已达速率级别，被广泛应用于汽车和消费电子系统。新兴的MEMS制造技术集中在三维各向同性的质量和刚度均匀分布的微型壳的制造上，以此实现与半球谐振陀螺相似的三维轴对称微结构。已报道的制备技术包括通过硅各向同性刻蚀获得半球凹模法[1]和玻璃吹制法[2]等。半球壳三维结构使得传统MEMS二维制造扩展至三维制造，MEMS加工效果受限于晶体方向和掩膜材料的选择性，难以在晶片上得到高对称的半球凹模，半球壳结构不对称造成较大的频率裂解，并且以单晶硅或多晶硅为材料的半球谐振子的品质因数Q较低，影响陀螺仪的衰减时间和偏置稳定性。为克服上述问题，本发明提出了基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法，在材料上采用基于化学气相沉积(chemicalvapor deposition，CVD)的多晶金刚石薄膜作为谐振子，相比于硅材料具有更好的机械性能以及更高的品质因数；在结构上设计了半环结构谐振子，相比于现有的半球谐振子结构优势包括：(1)半环的曲面更长，使得半环壳的谐振频率更低，更易于降低频率裂解，提高衰减时间和品质因数；(2)半环壳结构的深度H、半径R比值变化范围大，振型分布优化空间大，有利于减弱环境振动对陀螺的干扰；(3)半环壳的边缘离基座更远，谐振时声音能量集中在壳边缘，更能最小化振子和基座的耦合效应，减少支座端的能量损失。在工艺上，采用微电火花加工技术和MEMS工艺结合制备陀螺仪，定量可控三维微加工半环凹模曲面的半径R、深度H，可避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，更有利于谐振频率、品质因数和角度增益因子等参数的分别优化。本发明提出的基于半环壳谐振子的微陀螺仪可以降低结构四波腹振动模态的谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高微陀螺仪的零偏置稳定性；引入微电火花加工技术结合MEMS工艺避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，可以使半环壳谐振子的深度H、半径R比值可控且变化范围大。
引用文献：
[1]X.Gao,L.Sorenson,F.Ayazi,“3-D Micromachined hemispherical shellresonators with integrated capacitive transducers”,IEEE MEMS conference 2012,Paris,France,Jan 2012,165-171.
[2]Sergei A.Zotov,Alexander A.Trusov,and Andrei M.Shkel，"Three-dimensional spherical shell resonator gyroscope fabricated using wafer-scaleglassblowing",Journal of Microelectromechanical Systems,VOL.21,NO.3,JUNE2012,509-510.
发明内容
本发明所提出一种基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法，优选化学气相沉积金刚石薄膜作为谐振子，设计了半环壳结构的谐振子，可降低谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高陀螺的零偏置稳定性；采用微电火花加工技术和MEMS工艺结合制备陀螺仪，定量可控三维微加工半环凹模曲面的半径R、深度H，可避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，可以使半环壳谐振子的深度H、半径R比值可控且变化范围大，更有利于谐振频率、品质因数和角度增益因子等参数的分别优化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其中设有底部电极、绝缘层、硅基体、谐振子；硅基体上加工有半环凹模，半环凹模中心为基座，半环凹模的任意一个纵向截面均包含两个向上开口且以基座为中心对称分布的半圆形或半椭圆形；硅基体上表面沿半环凹模周向排布有环形的电极阵列；所述的谐振子的横截面呈与半环凹模相匹配的“ω”形，谐振子置于半环凹模中且其锚端由基座固定支撑，半环凹模的上表面与谐振子的下表面在结构上等间距放置；硅基体背面开设有环形的释放孔阵列，释放孔连通半环凹模和硅基体底面；基座与谐振子的锚端相连，将电信号连到背面的底部电极，作为谐振子的一个电极；硅基体与底部电极之间设置有绝缘层。
作为优选，所述的谐振子沉积厚度范围为200nm～20μm，谐振子材料为金刚石薄膜或其它可导电的薄膜。
作为优选，所述的底部电极是金电极。
作为优选，所述的半环凹模的深度H和半径R比值范围为0.2～1，半径R的大小范围为0.5～2mm。
作为优选，半环凹模的上表面与谐振子的下表面的间距为0.5～4μm。
作为优选，所述的电极阵列中电极的数量为8、12、16、20。
作为优选，所述的释放孔阵列中释放孔的数量为2～20，直径范围为0.5～2mm。
作为优选，所述的绝缘层材料为Si3N4材料。
本发明的另一目的在于提供一种所述微陀螺仪的制备方法，其特征在于：由微电火花加工技术结合MEMS工艺组成，步骤如下：
1)在n-type硅基体局部区域掺杂硼原子，在硅基体上表面形成环形的电极阵列，利用掺杂区域和硅基体间形成的p-n结隔离电极与基体；
2)接着先用微电火花加工工艺在硅基体上实现半环凹模的初步成型，然后再用化学抛光工艺对半环凹模曲面进行抛光，利用微电火花钻头形状和钻头加工路线定量控制半环凹模的半径R和深度H；
3)在半环凹模上沉积二氧化硅作为牺牲层，在牺牲层上沉积金刚石薄膜，并用二氧化硅为掩膜，用化学机械抛光和反应离子刻蚀工艺除去半环凹模区域以外的金刚石薄膜，仅保留半环凹模内的金刚石薄膜作为谐振子；
4)在硅基体背面沉积绝缘层，并进行释放孔的图案化刻蚀，然后溅射金薄膜与硅基体接触形成底部电极，将谐振子电极信号连接到硅基体背面；
5)最后，去除牺牲层释放谐振子结构。
从上述的技术方案可以看出，本发明的有益效果是：采用了新型的半环壳谐振子设计同时引入了金刚石材料，降低结构四波腹振动模态的谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高微陀螺仪的零偏置稳定性；所设计微电火花加工技术结合MEMS工艺避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，可以使半环壳谐振子的深度H、半径R比值可控且变化范围大。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1是本发明中半环壳谐振子的微陀螺仪的结构层示意图；
图2是图1的A-A剖面示意图；
图3是本发明中微陀螺仪的底部电极结构图；
图4是本发明中微陀螺仪的工作原理图；
图5是本发明中谐振子的四波腹谐振模态示意图；
图6是本发明中微陀螺仪的制备工艺流程图；图中a)为硅掺杂形成环形电极阵列；b)为半环凹模成型；c)为二氧化硅牺牲层沉积与刻蚀；d)为金刚石薄膜和二氧化硅掩膜沉积；e)为二氧化硅掩膜层图案化，金刚石刻蚀，掩膜层去除；f)为背面沉积绝缘层和套刻，沉积金，背面开释放孔；g)为去除牺牲层，释放谐振子；
图中：底部电极1、绝缘层2、硅基体3、电极阵列31、基座32、释放孔阵列33、半环凹模34、谐振子4、锚端41。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，基于半环壳谐振子的微陀螺仪，包括底部电极1、绝缘层2、硅基体3、电极阵列31、基座32、释放孔阵列33、半环凹模34、谐振子4和锚端41。本实施例中，绝缘层2材料为绝缘介质Si3N4。谐振子4材料优选为金刚石薄膜，金刚石薄膜在沉积过程中原位掺杂，具有较好的导电性。在其他实施例中，半环壳谐振子材料也可选择其它可导电的薄膜，如多晶硅、SiC等。
硅基体3上部加工有半环凹模34，半环凹模34中心为基座32，半环凹模34的任意一个纵向截面均包含两个向上开口且以基座32为中心对称分布的半圆形或半椭圆形。该半环凹模34结构具有较高的对称性，并且能够定量控制凹模34的尺寸，易于批量加工。在一个实施例中，半环凹模34的深度H、半径R(如果是半椭圆形，则R为椭圆的长半径)比值范围可为0.2～1，半径R的大小范围可为0.5～2mm。硅基体3上表面沿半环凹模34周向排布有环形的电极阵列31，电极阵列31中电极的数量为8、12、16、20。
谐振子4为三维轴对称半环壳形结构，谐振子4的任一横截面均呈与半环凹模34相匹配的“ω”形，该曲面结构的曲面面积更大，能降低谐振子四波腹振动模态的谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高微陀螺仪的零偏置稳定性。在一个实施例中，谐振子4优选金刚石材料化学沉积形成，所沉积半环壳谐振子薄膜的厚度范围可为200nm～20μm。谐振子4置于半环凹模34中且其锚端41由基座32固定支撑，半环凹模34的上表面与谐振子4的下表面在结构上等间距放置，半环凹模34的上表面与谐振子4的下表面的间距为0.5～4μm。硅基体3背面开设有环形排布的释放孔阵列33，每个释放孔连通半环凹模34和硅基体3底面。释放孔阵列33中释放孔的数量为2～20，直径范围为0.5～2mm。基座32与谐振子4的锚端41相连，将电信号连到背面的底部电极1，作为谐振子4的一个电极，底部电极1可采用金电极。在图3中所示的即为谐振子的微陀螺仪的底部电极1结构；上面所示有释放孔阵列33。另外，硅基体3与底部电极1之间设置有绝缘层2。
在图4中，所示为半环壳谐振子的微陀螺仪的工作原理图。半环壳谐振子4在电极阵列31的静电力作用下发生四波腹径向驻波振动(如图5所示)；当外界有转动输入时，半环壳谐振子4绕着基座32有转动角度Φ，因为科里奥利效应，驻波图案对谐振子4的半环壳体产生与转角成比例而方向相反的进动角度θ，并且其关系恒定θ＝KΦ。K是角度增益因子，是半环壳谐振子4的结构常数，不受外界条件变化的影响。通过电极阵列31感应测出进动角度θ，就可以计算出半环壳体4的转动角度Φ，实现对转动角度的直接测量。
在图5中，图示为所建立的有限元模型对半环壳4结构进行模态分析找出干扰振型进行分析衰减时间和角度增益因子的优化平衡。针对环境振动的频率范围，建立有限元模型分析四波腹谐振频率和干扰频率，四波腹模态的频率和干扰模态频率在均远高于环境频率，不易受环境振动干扰。随着半环壳4深度H和半径R的变化，四波腹模态的频率和干扰模态频率间隔有个最优值，由此可以指导基于半环壳谐振子微陀螺仪的设计，提高抗振干扰性能。
如图6所示，为基于半环壳谐振子的微陀螺仪微加工的集成工艺，在一个实施例中步骤如下：
1)在低电阻率的n-type硅基体3局部区域掺杂硼原子，在硅基体上表面形成环形的电极阵列31，利用掺杂区域和硅基体3间形成的p-n结隔离电极与基体，p-n结的漏电性和电极掺杂深度是该步骤的关键。
2)先用微电火花加工工艺在硅基体上实现半环凹模的初步成型，然后再用化学抛光工艺对半环凹模34曲面进行抛光。凹模曲面34的对称性、半径误差和表面光滑度是该步骤的关键。半环凹模34曲面的半径R、深度H定量可控，均由微电火花钻头形状和钻头加工路线决定，可避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题。
3)在半环凹模34上沉积二氧化硅作为牺牲层，在牺牲层上沉积金刚石薄膜，并用二氧化硅为掩膜，用化学机械抛光(CMP)和反应离子刻蚀(RIE)工艺除去半环凹模区域以外的金刚石薄膜，仅保留半环凹模34内的金刚石薄膜作为谐振子4。谐振子4边缘的齐整性(无瑕疵、无冒沿)是该步骤的关键。
4)在背面沉积低应力绝缘层Si3N4，并进行释放孔的图案化刻蚀，然后溅射金薄膜与硅基体3接触形成底部电极1，将谐振子4电极信号连接到硅基体背面。
5)最后，去除牺牲层释放金刚石半环壳谐振子4结构，避免半环壳4和半环凹模34的吸合是关键。壳底部到基体背面的环形释放孔33可以辅助加快牺牲层材料的刻蚀，缩短结构释放时间，对准精度无需很高。
本发明中半环凹模34采用微电火花加工工艺从正面形成，因此半径参数可以由电火花刀具尺寸控制，所以谐振子4的深度H、半径R比值可控且变化范围大，利用谐振子4结构参数容易控制、振型分布优化空间大从而减弱环境振动对陀螺仪的干扰。本发明采用了新型的半环壳谐振子设计同时引入金刚石材料，降低结构四波腹振动模态的谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高微陀螺仪的零偏置稳定性。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：设有底部电极、绝缘层、硅基体、谐振子；硅基体上加工有半环凹模，半环凹模中心为基座，半环凹模的任意一个纵向截面均包含两个向上开口且以基座为中心对称分布的半圆形或半椭圆形；硅基体上表面沿半环凹模周向排布有环形的电极阵列；所述的谐振子的横截面呈与半环凹模相匹配的“ω”形，谐振子置于半环凹模中且其锚端由基座固定支撑，半环凹模的上表面与谐振子的下表面在结构上等间距放置；硅基体背面开设有环形的释放孔阵列，释放孔连通半环凹模和硅基体底面；基座与谐振子的锚端相连，将电信号连到背面的底部电极，作为谐振子的一个电极；硅基体与底部电极之间设置有绝缘层。
2.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：所述的谐振子沉积厚度范围为200nm～20μm，谐振子材料为金刚石薄膜或其它可导电的薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：所述的底部电极是金电极。
4.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：所述的半环凹模的深度H和半径R比值范围为0.2～1，半径R的大小范围为0.5～2mm。
5.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：半环凹模的上表面与谐振子的下表面的间距为0.5～4μm。
6.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：所述的电极阵列中电极的数量为8、12、16、20。
7.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：所述的释放孔阵列中释放孔的数量为2～20，直径范围为0.5～2mm。
8.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：所述的绝缘层材料为Si3N4材料。
9.一种权利要求1所述微陀螺仪的制备方法，其特征在于：由微电火花加工技术结合MEMS工艺组成，步骤如下：
1)在n-type硅基体局部区域掺杂硼原子，在硅基体上表面形成环形的电极阵列，利用掺杂区域和硅基体间形成的p-n结隔离电极与基体；
2)接着先用微电火花加工工艺在硅基体上实现半环凹模的初步成型，然后再用化学抛光工艺对半环凹模曲面进行抛光，利用微电火花钻头形状和钻头加工路线定量控制半环凹模的半径R和深度H；
3)在半环凹模上沉积二氧化硅作为牺牲层，在牺牲层上沉积金刚石薄膜，并用二氧化硅为掩膜，用化学机械抛光和反应离子刻蚀工艺除去半环凹模区域以外的金刚石薄膜，仅保留半环凹模内的金刚石薄膜作为谐振子；
4)在硅基体背面沉积绝缘层，并进行释放孔的图案化刻蚀，然后溅射金薄膜与硅基体接触形成底部电极，将谐振子电极信号连接到硅基体背面；
5)最后，去除牺牲层释放谐振子结构。
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