CN108007448B - 一种轴对称硅微机械陀螺敏感结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴对称硅微机械陀螺敏感结构及其制造方法，敏感结构包括两侧设有键合锚点的弹性框架，弹性框架上设有轴对称的通孔区域且其对称轴线处设有“H”型支撑梁，“H”型支撑梁的两侧各设有两个轴对称的两个敏感质量块，且敏感质量块布置于通孔区域内且一侧通过联接梁与“H”型支撑梁相连；制造方法包括采用干湿结合在单个硅片上制备敏感结构。本发明的轴对称硅微机械陀螺敏感结构实现了结构的完全轴对称分布，降低结构损耗，减小应力集中，降低运动耦合，提高结构的机械灵敏度；本发明制造方法具有加工工艺简单、加工质量高、结构鲁棒性好、稳定性好、应用范围广等优点。

Description

一种轴对称硅微机械陀螺敏感结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及微机电系统与传感器技术，具体涉及一种轴对称硅微机械陀螺敏感结构及其制造方法。

背景技术

陀螺仪是测量载体角运动的传感器，是姿态测量、惯性导航等领域的核心器件，在航空航天、无人机、机器人、稳定平台、制导弹药、战术武器等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。基于微机电系统（MEMS）技术的陀螺仪具有体积小、成本低、功耗低、寿命长、可批量生产等显著特点，应用范围不断拓展，应用价值不断提升。

微机械陀螺按照检测方式可以分为电容式、压电式、电阻式、谐振式、隧穿式等。电容式微机械陀螺按照结构形式又可分为梳齿式和平板式结构。目前，微机械陀螺仪普遍采用梳齿式电容结构。该类型微机械陀螺结构设计灵活，正交性好，但通常要求很高的深宽比，且梳齿结构数量较多。因此，加工工艺复杂，对加工设备要求较高，数量众多的梳齿对微机械陀螺成品率和一致性提出了巨大挑战。而采用平板式电容结构的微机械陀螺则具有结构简单、可加工性好、生产成本低、成品率和可靠性高等优势。

目前，国内外采用平板式电容结构的微机械陀螺研制单位主要为挪威sensonor公司，其发表的该类型微机械陀螺敏感结构采用“L”型截面支撑梁，多个质量块共用一根支撑梁，特殊的支撑梁结构导致质量块关于支撑梁的运动不对称，且结构之间耦合严重。加工工艺为深反应离子刻蚀，对工艺设备和加工精度要求较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种轴对称硅微机械陀螺敏感结构及其制造方法，本发明的轴对称硅微机械陀螺敏感结构多梁支撑、轴对称、结构解耦的特点，实现了结构的完全轴对称分布，降低结构损耗，减小应力集中，降低运动耦合，提高结构的机械灵敏度；本发明制造方法具有加工工艺简单、加工质量高、结构鲁棒性好、稳定性好、应用范围广等优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种轴对称硅微机械陀螺敏感结构，包括采用硅片制成的弹性框架，所述弹性框架的两侧设有对称布置的键合锚点，所述弹性框架上设有轴对称的通孔区域、且通孔区域的对称轴线处设有“H”型支撑梁，所述“H”型支撑梁的两侧各设有两个相对“H”型支撑梁呈轴对称的两个敏感质量块，且所述敏感质量块布置于通孔区域内且一侧通过联接梁与“H”型支撑梁相连。

优选地，所述“H”型支撑梁包括相互平行且间隙布置的两条振动梁，且两条振动梁的中部之间连接有耦合梁，所述两条振动梁之间相对耦合梁呈轴对称布置，且每一个振动梁的两侧各通过联接梁与一个敏感质量块相连。

优选地，所述振动梁的横截面为五边形。

优选地，所述振动梁的一侧为采用干法刻蚀工艺刻蚀形成的竖直侧壁边a，另一侧由采用湿法腐蚀工艺腐蚀形成的斜侧壁边b和采用干法刻蚀工艺刻蚀形成的竖直侧壁边c组成。

优选地，所述弹性框架包括四条弹性框架梁和两条刚性框架梁，所述键合锚点两侧各通过一根弹性框架梁与刚性框架梁端部的一侧相连，使得键合锚点、四条弹性框架梁以及两条刚性框架梁围绕形成中部的通孔区域，所述“H”型支撑梁的两条振动梁两端各与一条刚性框架梁相连。

优选地，所述刚性框架梁的内侧设有凸出块，所述“H”型支撑梁的两条振动梁两端各与一条刚性框架梁的凸出块相连。

优选地，所述敏感质量块上设有呈阵列状布置的导通小孔。

优选地，所述联接梁的横截面为矩形。

本发明还提供一种前述的轴对称硅微机械陀螺敏感结构的制造方法，实施步骤包括：

1）选用双面抛光的晶向硅片，在晶向硅片表面生成第一掩膜层；

2）利用光刻工艺制作出振动梁的斜侧壁边b的第一掩膜图形；

3）在碱性溶液中进行各向异性湿法腐蚀，待腐蚀到预定深度后去除第一掩膜层；

4）在腐蚀后的硅片表面生成第二掩膜层；

5）利用光刻工艺制作出轴对称硅微机械陀螺敏感结构其余部分的第二掩膜图形，所述轴对称硅微机械陀螺敏感结构其余部分包括振动梁的竖直侧壁边a和竖直侧壁边c、弹性框架、敏感质量块、联接梁以及敏感质量块的导通小孔；

6）采用深反应离子刻蚀，直至结构完全刻穿去除第二掩膜图形。

优选地，步骤1）中的第一掩膜层为二氧化硅膜或者氮化硅膜；步骤4）中的第二掩膜层为二氧化硅、或光刻胶、或金属。

优选地，步骤3）中的碱性溶液为TMAH溶液、或KOH溶液、或EDP溶液。

本发明的轴对称硅微机械陀螺敏感结构具有下述优点：

1、本发明的微机械陀螺敏感结构为平板电容式，工作方式为静电驱动、电容检测。采用了对称差分结构，抗干扰加速度、冲击、振动等能力较强。振动梁的刚度决定驱动模态和检测模态频率及振动梁的运动特性，而振动梁的刚度与振动梁截面形状紧密联系，因此对微陀螺振动梁截面形状进行优化设计，可以获得较高的灵敏度、提高微陀螺的检测性能。本发明中的振动梁为五边形截面，其余为矩形截面。制造工艺为湿法腐蚀与干法刻蚀相结合，制造工艺相对简单、工艺允差较大。

2、本发明弹性框架的中部设有轴对称“H”型支撑梁和四件作为活动电容板的敏感质量块，敏感质量块分别通过联接梁与轴对称“H”型支撑梁相连。采用轴对称“H”型支撑梁设计，实现微陀螺整体结构完全对称分布，降低结构损耗，提高结构的驱动效率。轴对称“H”型支撑梁包括相互平行且对称布置的两条振动梁和一条耦合梁，振动梁截面为五边形，该设计方案可以实现弯曲主轴方位角的灵活配置，同时还可以实现微陀螺整体结构完全对称分布，有利于降低结构损耗，减小应力集中，提高结构的机械灵敏度。耦合梁可以实现四个质量块在驱动模态振动的耦合以及驱动模态运动与检测模态运动的解耦，有利于减小结构运动耦合、提高微陀螺的整体性能。

3、陀螺在加工过程中会产生结构应力并对敏感结构的机械特性造成影响。因此本发明敏感结构采用弹性框架，弹性框架中部设有轴对称“H”型支撑梁和四件敏感质量块，采用弹性框架作为微陀螺结构设计中的应力释放结构，将结构的热应力变形与结构振动梁呈平行放置，灵活的将框架作为应力释放结构，使得整体结构设计简单易行，有效减小陀螺键合应力和热应力，提高陀螺性能。

本发明轴对称硅微机械陀螺敏感结构的制造方法具有加工工艺简单、加工质量高、结构鲁棒性好、稳定性好、应用范围广等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例中“H”型支撑梁的剖视结构示意图。

图3为本发明实施例轴对称硅微机械陀螺的驱动模态振型图。

图4为本发明实施例轴对称硅微机械陀螺的检测模态振型图。

图5为本发明实施例的制造工艺过程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例轴对称硅微机械陀螺敏感结构包括采用硅片制成的弹性框架1，弹性框架1的两侧设有对称布置的键合锚点2，弹性框架1上设有轴对称的通孔区域、且通孔区域的对称轴线处设有“H”型支撑梁3，“H”型支撑梁3的两侧各设有两个相对“H”型支撑梁3呈轴对称的两个敏感质量块4（作为活动电容板），且敏感质量块4布置于通孔区域内且一侧通过联接梁5与“H”型支撑梁3相连。本实施例用弹性框架1作为微陀螺结构设计中的应力释放结构，弹性框架1设计巧妙并直接作为有效的应力释放结构，将结构的热应力变形与结构振动梁呈平行放置，灵活的将框架作为应力释放结构，能够改善微陀螺的振动梁应力集中现象，使得整体结构设计简单易行，有效减小陀螺键合应力和热应力，提高陀螺性能。弹性框架1的两端各设有一个键合锚点2，且两个键合锚点2对称布置。应力释放采用弹性框架1来实现，弹性框架1形成中字型结构，上下两端各有凸出矩形结构为微陀螺的键合锚点2。上下两端通过键合锚点2固定的弹性框架1的结构，将结构的热应力变形与结构振动梁呈平行放置，将结构的热应力变形与轴对称“H”型支撑梁3平行放置，能够有效减小陀螺键合应力和热应力。本实施例采用轴对称“H”型支撑梁3能够有效提升微陀螺主轴方位角，增强陀螺的带宽，扩大陀螺的检测角速度范围，各类加工工艺误差对其性能的影响较小，具有很高的容差能力。

如图2所示，“H”型支撑梁3包括相互平行且间隙布置的两条振动梁31，且两条振动梁31的中部之间连接有耦合梁32，两条振动梁31之间相对耦合梁32呈轴对称布置，且每一个振动梁31的两侧各通过联接梁5与一个敏感质量块4相连，使得四个敏感质量块4形成对称差分结构，设计简单，误差小，温度特性好，在一定量程范围内具有很高的线性度、灵敏度，并能有效提高系统鲁棒性，成本低廉。

本实施例中，振动梁31的横截面为五边形，实现弯曲主轴的灵活配置，还可以实现微陀螺整体结构实现完全对称分布，降低结构损耗，提高结构的驱动效率，对加工工艺误差具有较高的容差能力，并且不存在尺寸突变可以避免应力集中现象。

如图2所示，振动梁31的一侧为采用干法刻蚀工艺刻蚀形成的竖直侧壁边a，另一侧由采用湿法腐蚀工艺腐蚀形成的斜侧壁边b和采用干法刻蚀工艺刻蚀形成的竖直侧壁边c组成。通过由采用湿法腐蚀工艺腐蚀形成的斜侧壁边b，易于激发出驱动模态，优势在于既具有倾斜的弯曲主轴，可以实现弯曲主轴的灵活配置，还可以实现微陀螺整体结构实现完全对称分布，降低结构损耗，提高结构的驱动效率，对加工工艺误差具有较高的容差能力，并且不存在尺寸突变可以避免应力集中现象。与现有采用湿法腐蚀预掩埋制备工艺制备振动梁的技术方案相比，本实施例的轴对称“H”型支撑梁11巧妙地利用湿法-干法刻蚀工艺的结合制备，而且通过改变湿法腐蚀缺角的位置，可以实现弯曲主轴方位角的灵活配置，且实现微陀螺敏感结构完全对称分布的设计，降低结构损耗，提高结构的驱动效率。

如图1所示，弹性框架1包括四条弹性框架梁11和两条刚性框架梁12，键合锚点2两侧各通过一根弹性框架梁11与刚性框架梁12端部的一侧相连，使得键合锚点2、四条弹性框架梁11以及两条刚性框架梁12围绕形成中部的通孔区域，“H”型支撑梁3的两条振动梁31两端各与一条刚性框架梁12相连。上述结构作为微陀螺结构设计中的应力释放结构，巧妙并直接作为有效的应力释放结构，将结构的热应力变形与结构振动梁呈平行放置，灵活的将框架作为应力释放结构，能够改善微陀螺的振动梁应力集中现象，使得整体结构设计简单易行，有效减小陀螺键合应力和热应力，提高陀螺性能。

如图1所示，刚性框架梁12的内侧设有凸出块121，“H”型支撑梁3的两条振动梁31两端各与一条刚性框架梁12的凸出块121相连。

如图1所示，敏感质量块4上设有呈阵列状布置的导通小孔41，陀螺在驱动和检测模态都会朝着垂直于平板方向运动，存在压膜阻尼，因此在敏感质量块4上设置多个均匀布置的导通小孔41能够减小由于非完全真空封装而存在的空气阻尼。

本实施例中，联接梁5的横截面为矩形。

本实施例中四个敏感质量块4为差分式结构，采用静电驱动、电容检测原理进行工作，每个敏感质量块4下方有对应的驱动和检测电容板，驱动电容板将产生水平方向的弯矩，由于陀螺的支撑梁主轴方位角不是90°，该弯矩在轴对称“H”型支撑梁3弯曲主轴方向将产生分量，敏感质量块4在该力矩的作用下，将沿振动平面，即轴对称“H”型支撑梁3的弯曲主轴方向振动，激励出微陀螺的驱动模态振型（图3）。同时，如果在摆动平面内垂直于运动方向有角速度输入，在垂直于该平面将会产生相应的哥氏力，敏感质量块4将绕支撑梁做反向的扭转运动，得到微陀螺的检测模态振型（图4）。通过检测敏感质量块4的位移变化可解算出输入角速度的大小。

如图5所示，本实施例轴对称硅微机械陀螺敏感结构的制造方法的实施步骤包括：

1）选用双面抛光的晶向硅片，在晶向硅片表面生成第一掩膜层61；第一掩膜层61可以根据需要采用二氧化硅膜或者氮化硅膜；

2）利用光刻工艺制作出振动梁31的斜侧壁边b的第一掩膜图形62；

3）在碱性溶液中进行各向异性湿法腐蚀，待腐蚀到预定深度后去除第一掩膜层61；步骤3）中的碱性溶液可以根据需要采用TMAH溶液（四甲基氢氧化铵溶液）、或KOH溶液（氢氧化钾溶液）、或EDP溶液（乙二胺+对苯二酚+水）；

4）在腐蚀后的硅片表面生成第二掩膜层63，第二掩膜层63可以根据需要采用二氧化硅、或光刻胶、或金属；

5）利用光刻工艺制作出轴对称硅微机械陀螺敏感结构其余部分的第二掩膜图形64，轴对称硅微机械陀螺敏感结构其余部分包括振动梁31的竖直侧壁边a和竖直侧壁边c、弹性框架1、敏感质量块4、联接梁5以及敏感质量块4的导通小孔41；

6）采用深反应离子刻蚀，直至结构完全刻穿去除第二掩膜图形64。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轴对称硅微机械陀螺敏感结构，其特征在于：包括采用硅片制成的弹性框架（1），所述弹性框架（1）的两侧设有对称布置的键合锚点（2），所述弹性框架（1）上设有轴对称的通孔区域、且通孔区域的对称轴线处设有“H”型支撑梁（3），所述“H”型支撑梁（3）的两侧各设有两个相对“H”型支撑梁（3）呈轴对称的两个敏感质量块（4），且所述敏感质量块（4）布置于通孔区域内且一侧通过联接梁（5）与“H”型支撑梁（3）相连。

2.根据权利要求1所述的轴对称硅微机械陀螺敏感结构，其特征在于：所述“H”型支撑梁（3）包括相互平行且间隙布置的两条振动梁（31），且两条振动梁（31）的中部之间连接有耦合梁（32），所述两条振动梁（31）之间相对耦合梁（32）呈轴对称布置，且每一个振动梁（31）的两侧各通过联接梁（5）与一个敏感质量块（4）相连。

3.根据权利要求2所述的轴对称硅微机械陀螺敏感结构，其特征在于：所述振动梁（31）的横截面为五边形。

4.根据权利要求3所述的轴对称硅微机械陀螺敏感结构，其特征在于：所述振动梁（31）的一侧为采用干法刻蚀工艺刻蚀形成的竖直侧壁边a，另一侧由采用湿法腐蚀工艺腐蚀形成的斜侧壁边b和采用干法刻蚀工艺刻蚀形成的竖直侧壁边c组成。

5.根据权利要求3或4所述的轴对称硅微机械陀螺敏感结构，其特征在于：所述弹性框架（1）包括四条弹性框架梁（11）和两条刚性框架梁（12），所述键合锚点（2）两侧各通过一根弹性框架梁（11）与刚性框架梁（12）端部的一侧相连，使得键合锚点（2）、四条弹性框架梁（11）以及两条刚性框架梁（12）围绕形成中部的通孔区域，所述“H”型支撑梁（3）的两条振动梁（31）两端各与一条刚性框架梁（12）相连。

6.根据权利要求5所述的轴对称硅微机械陀螺敏感结构，其特征在于：所述刚性框架梁（12）的内侧设有凸出块（121），所述“H”型支撑梁（3）的两条振动梁（31）两端各与一条刚性框架梁（12）的凸出块（121）相连。

7.根据权利要求1所述的轴对称硅微机械陀螺敏感结构，其特征在于：所述敏感质量块（4）上设有呈阵列状布置的导通小孔（41）。

8.根据权利要求1所述的轴对称硅微机械陀螺敏感结构，其特征在于：所述联接梁（5）的横截面为矩形。

9.一种权利要求1～8中任意一项所述的轴对称硅微机械陀螺敏感结构的制造方法，其特征在于实施步骤包括：

1）选用双面抛光的晶向硅片，在晶向硅片表面生成第一掩膜层（61）；

2）利用光刻工艺制作出振动梁（31）的斜侧壁边b的第一掩膜图形（62）；

3）在碱性溶液中进行各向异性湿法腐蚀，待腐蚀到预定深度后去除第一掩膜层（61）；

4）在腐蚀后的硅片表面生成第二掩膜层（63）；

5）利用光刻工艺制作出轴对称硅微机械陀螺敏感结构其余部分的第二掩膜图形（64），所述轴对称硅微机械陀螺敏感结构其余部分包括振动梁（31）的竖直侧壁边a和竖直侧壁边c、弹性框架（1）、敏感质量块（4）、联接梁（5）以及敏感质量块（4）的导通小孔（41）；

6）采用深反应离子刻蚀，直至结构完全刻穿去除第二掩膜图形（64）。

10.根据权利要求9所述的轴对称硅微机械陀螺敏感结构的制造方法，其特征在于，步骤1）中的第一掩膜层（61）为二氧化硅膜或者氮化硅膜；步骤4）中的第二掩膜层（63）为二氧化硅、或光刻胶、或金属；步骤3）中的碱性溶液为TMAH溶液、或KOH溶液、或EDP溶液。