CN108871303A - 电极微陀螺及其制备方法 - Google Patents

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张卫平
李敏阳
刘朝阳
谷留涛
田梦雅
崔峰
张钰莹
成宇翔
赵万良
刘瑞鑫
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Abstract

本发明提供了一种电极微陀螺的制备方法，包括第一器件凹槽形成步骤、第二器件凹槽形成步骤、支撑柱通孔形成步骤；所述第二器件凹槽形成步骤包括掩膜层形成步骤、谐振器凹槽形成步骤。所述第一器件凹槽形成步骤包括电极凹槽形成步骤、金属层组形成步骤、去除多余金属步骤。本发明提供的方法步骤简洁，采用成熟的微机械加工工艺和刻蚀方法，利于批量生产。本发明提供了镍电极侧驱半球微陀螺具有高度对称性，且结构相对稳定，抗冲击，具有优良的性能。本发明提供了所述镍电极侧驱半球微陀螺采用侧驱方式驱动，工艺上易于实现，成本相对较低，便于批量生产。本发明具有体积小、结构稳定、响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。

Description

电极微陀螺及其制备方法
技术领域
本发明属于微机电技术领域，具体地，涉及一种电极微陀螺的制备方法，尤其涉及一种镍电极侧驱半球微陀螺及其制备方法。
背景技术
陀螺仪是一种能够敏感检测载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。基于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS级的微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。
随着MEMS陀螺在导航系统中的应用和发展，国外科学家1994年研制的半球谐振陀螺具有较高的性能。借助于这种半球谐振陀螺的研究，研究者们对具有高Q值和对称结构的MEMS谐振器的设计有了更好的理解。但是，由于早期的杆结构，谐振器的杆部分需要组装在微机械机构上，从长远来看，更高的动态负载和在连接处的不精确连接会导致半球谐振陀螺产生更大偏移。于是，想到了设计一种具有良好对称性的、小而紧凑的、曲面结构的MEMS陀螺，即镍电极侧驱半球微陀螺。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电极微陀螺及其制备方法。
根据本发明提供的一种电极微陀螺的制备方法，包括第一器件凹槽形成步骤、第二器件凹槽形成步骤、支撑柱通孔形成步骤；
所述第二器件凹槽形成步骤包括掩膜层形成步骤、谐振器凹槽形成步骤。
优选地，所述第一器件凹槽形成步骤包括电极凹槽形成步骤、金属层组形成步骤、去除多余金属步骤。
优选地，在所述电极凹槽形成步骤中：
清洗衬底，在衬底上形成电极凹槽；
在金属层组形成步骤中：
在所述电极凹槽内依次沉积第一金属层、第二金属层以及第三金属层；
在所述去除多余金属步骤中：
去除多余的第三金属层。
所述多余的第三金属层为电极凹槽的槽外的第三金属层。
优选地，所述第一金属层为铬层；所述第二金属层为铜层；所述第三金属层为镍层。
优选地，在所述掩膜层形成步骤中：
在衬底及第三金属层上形成掩膜层；
在谐振器凹槽形成步骤中：
通过掩膜层形成谐振器凹槽，去除掩膜层。
优选地，在所述支撑柱通孔形成步骤中：
在所述谐振器凹槽底部形成支撑柱通孔，去除谐振器凹槽的槽外的余料。
优选地，还包括连接层步骤；
在所述连接层步骤中：
在谐振器凹槽、支撑柱通孔这两者内均形成连接层。
优选地，还包括谐振器结构形成步骤；
在所述谐振器结构形成步骤中：
沿谐振器凹槽的外表面方向，去除衬底。
本发明还提供了一种微陀螺，通过上述的电极微陀螺的制备方法制作出的陀螺。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供了加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工工艺和刻蚀方法，利于批量生产。
2、本发明提供了镍电极侧驱半球微陀螺具有高度对称性，且结构相对稳定，抗冲击，具有优良的性能。
3、本发明提供了所述镍电极侧驱半球微陀螺采用侧驱方式驱动，工艺上易于实现，成本相对较低，便于批量生产。
4、本发明具有体积小、结构稳定、响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性发明所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的电极侧驱微陀螺的制备方法的流程图。
图2为本发明提供的电极侧驱微陀螺的制备方法中的流程细节图。
图3为本发明提供的电极侧驱微陀螺的制备方法中的流程细节图。
图4为本发明提供的电极侧驱微陀螺的制备方法中的流程细节图。
图5为本发明提供的电极侧驱微陀螺的制备方法中的流程细节图。
图6为本发明提供的电极侧驱微陀螺的制备方法中的流程细节图。
图7为本发明提供的电极侧驱微陀螺的制备方法中的流程细节图。
图8为本发明提供的电极侧驱微陀螺的制备方法中的流程细节图。
图9为本发明提供的电极侧驱微陀螺的制备方法中的流程细节图。
图10为本发明提供的电极侧驱微陀螺剖视图。
图11为本发明提供的微陀螺的俯视图。
图12为本发明提供的微陀螺的基体结构的正视图。
图中附图标记如下表所示：
衬底1
电极凹槽2
掩膜层3
谐振器凹槽4
支撑柱通孔5
连接层6
第一金属层7
第二金属层8
第三金属层9
基体10
电极11
谐振器12
容纳腔13
固定部14
具体实施方式
下面结合具体发明对本发明进行详细说明。以下发明将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种电极微陀螺的制备方法，包括第一器件凹槽形成步骤、第二器件凹槽形成步骤、支撑柱通孔形成步骤；所述第二器件凹槽形成步骤包括掩膜层形成步骤、谐振器凹槽形成步骤。
所述第一器件凹槽形成步骤包括电极凹槽形成步骤、金属层组形成步骤、去除多余金属步骤。
在所述电极凹槽形成步骤中：清洗衬底1，在衬底1上形成电极凹槽2；在金属层组形成步骤中：在所述电极凹槽2内依次沉积第一金属层7、第二金属层8以及第三金属层9；在所述去除多余金属步骤中：去除多余的第三金属层9。
所述多余的第三金属层为电极凹槽的槽外的第三金属层。换句话说，所述多余的第三金属层9为超过电极凹槽2的槽口位置的第三金属层9。或者可以理解为，当第三金属层通过上述方式填满于电极凹槽2的槽口内时，第三金属层9没过于电极凹槽2的槽口的部分为多余的第三金属层9.
所述第一金属层7为铬层；所述第二金属层8为铜层；所述第三金属层9为镍层。
在所述掩膜层形成步骤中：在衬底1及第三金属层9上形成掩膜层3；在谐振器凹槽形成步骤中：通过掩膜层3形成谐振器凹槽4，去除掩膜层3。
在所述支撑柱通孔形成步骤中：在所述谐振器凹槽4底部形成支撑柱通孔5，去除谐振器凹槽4的槽口周围的余料。
本发明提供的电极微陀螺的制备方法，还包括连接层步骤；在所述连接层步骤中：在谐振器凹槽4、支撑柱通孔5这两者内均形成连接层6，优选地，所述连接层6为金层。
本发明提供的电极微陀螺的制备方法，还包括谐振器结构形成步骤；在所述谐振器结构形成步骤中：沿谐振器凹槽4的外表面方向，去除衬底1。
本发明还提供了一种微陀螺，通过上述的电极微陀螺的制备方法制作出的陀螺。
下面对本发明提供的电极微陀螺的制备方法以及微陀螺进行进一步说明：
优选地，所述衬底1材料的为单晶硅；所述谐振器凹槽4的材料为金刚石，所述电极11的材料为镍金属。
如图1所示，本发明提供了电极侧驱微陀螺的制备方法的流程图。
下面对本发明提供的电极侧驱微陀螺的制备方法的流程图的步骤进行进一步说明：
(1)如图2所示，首先，准备一双面抛光单晶硅基片，即衬底1，对单晶硅基片进行清洗，再对单晶硅基片进行光刻图形化，深反应离子刻蚀单晶硅基片，制作5μm-10μm深的电极凹坑，即电极凹槽2；
(2)如图3所示，去掉光刻胶，在单晶硅基片上依次溅射一层1μm-5μm厚的铬层，即第一金属层7、铜层，即第二金属层8，对表面进行抛光，再在铜层上电镀一层5μm-10μm厚的镍，即第三金属层9，对表面抛光，去除凹坑外的金属镍；
(3)如图4所示，在基片，即衬底1表面通过低压力化学气相沉积法(Low PressureChemical Vapor Deposition，LPCVD)一层5μm-10μm厚的氮化硅用作保护层，光刻图形化，反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)刻蚀出一个半径5μm-10μm的小窗口，用于腐蚀半球凹坑，即谐振器凹槽4；
(4)如图5所示，各向同性刻蚀制作直径500μm-800μm的半球凹坑，湿法腐蚀去除氮化硅层。
(5)如图6所示，对单晶硅基片背部进行光刻图形化，刻蚀出一个直径10μm-50μm的通孔，即支撑柱通孔5，用于制作半球微谐振器的支撑柱；
(6)如图7所示，热丝辅助化学汽相淀积(hot-filament-assisted chemicalvapor deposition，HFCVD)制作一层10μm-50μm厚的金刚石薄膜，对表面进行抛光，去除凹坑，即谐振器凹槽4外的金刚石；
(7)如图8所示，在基片表面溅射一层1μm-5μm厚的金，光刻图形化，采用离子束刻蚀，用于引线和焊接；
(8)如图9所示，用XeF2刻蚀硅，控制好一定的时间，刻蚀掉金刚石半球微谐振器下面的单晶硅，释放半球结构，即构成谐振器结构。
本发明还提供了一种微陀螺，是通过所述电极微陀螺的制备方法制作出的陀螺，包括基体10、谐振器12；所述谐振器12设置在基体10上，通过第二器件凹槽形成步骤形成；所述基体10具有容纳腔13，即谐振器凹槽4；所述谐振器12设置在容纳腔13内。
所述谐振器12底部延伸出固定部14；所述容纳腔13设置有固定部容纳槽，即支撑柱通孔5，由支撑柱通孔形成步骤形成；所述固定部14与固定部容纳槽相匹配；所述固定部14紧固连接在固定部容纳槽内。
本发明提供的微陀螺，还包括电极11，通过第一器件凹槽形成步骤形成；所述电极11沿周向均匀分布在谐振器12的周围；所述电极11分布在基体10的一个端面上。
所述电极11呈圆环分段形状。所述谐振器12为球面或半球面。
所述电极11的数量为多个；多个所述电极11之间沿谐振器12的所在球体的球心呈中心对称。
所述电极11与谐振器12电连接。相邻所述电极11之间具有空隙；所述基体10的一个端面设置有凹槽；所述电极11设置在凹槽内，并与凹槽相匹配。
所述谐振器12的材料为硼掺杂金刚石；所述电极11的材料为镍金属。
所述固定部14的材料为二氧化硅。
其中，需要说明的是，本发明提供的电极微陀螺的制备方法中，在所述第一器件凹槽形成步骤中形成了电极凹槽2；所述电极11设置在电极凹槽2内；在所述第二器件凹槽形成步骤中形成了容纳腔13，所述谐振器12设置在容纳腔13内；在支撑柱通孔形成步骤中形成了固定部容纳槽，所述固定部14设置在固定部容纳槽。
更具体地说，所述在所述电极凹槽形成步骤中：清洗衬底1，在衬底1上形成电极凹槽2，即谐振器凹槽14；在金属层组形成步骤中：在所述电极凹槽2内依次沉积第一金属层7，即铬层、第二金属层8，即铜层以及第三金属层9，即镍层，从而构成电极11；在所述去除多余金属步骤中：去除多余的第三金属层9，即去除多余的镍层；所述多余的第三金属层9为电极凹槽2的非槽口内的第三金属层9。此处多余的已经在上述解释，这里不做赘述。所述金属层组包括铬层、铜层以及金刚石层。
在所述掩膜层形成步骤中：在衬底1及第三金属层9上形成掩膜层3；在谐振器凹槽形成步骤中：通过掩膜层3形成谐振器凹槽4，去除掩膜层3。
在所述支撑柱通孔形成步骤中：在所述谐振器凹槽4底部形成支撑柱通孔5，即为固定部容纳槽；去除谐振器凹槽4的槽口周围的余料。
本发明提供的电极微陀螺的制备方法，还包括连接层步骤；在所述连接层步骤中：在谐振器凹槽4、支撑柱通孔5这两者内均形成连接层6。所述连接层，例如为金层。
本发明提供的电极微陀螺的制备方法，还包括谐振器结构形成步骤；
在所述谐振器结构形成步骤中：
沿谐振器凹槽4的外表面方向，去除衬底1。
以上对本发明的具体发明进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的发明和发明中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种电极微陀螺的制备方法，其特征在于，包括第一器件凹槽形成步骤、第二器件凹槽形成步骤、支撑柱通孔形成步骤；
所述第二器件凹槽形成步骤包括掩膜层形成步骤、谐振器凹槽形成步骤。
2.根据权利要求1所述的电极微陀螺的制备方法，其特征在于，所述第一器件凹槽形成步骤包括电极凹槽形成步骤、金属层组形成步骤、去除多余金属步骤。
3.根据权利要求2所述的电极微陀螺的制备方法，其特征在于，在所述电极凹槽形成步骤中：
清洗衬底(1)，在衬底(1)上形成电极凹槽(2)；
在金属层组形成步骤中：
在所述电极凹槽(2)内依次沉积第一金属层(7)、第二金属层(8)以及第三金属层(9)；
在所述去除多余金属步骤中：
去除多余的第三金属层(9)；
所述多余的第三金属层(9)为电极凹槽(2)的槽外的第三金属层(9)。
4.根据权利要求3所述的电极微陀螺的制备方法，其特征在于，所述第一金属层(7)为铬层；所述第二金属层(8)为铜层；所述第三金属层(9)为镍层。
5.根据权利要求1所述的电极微陀螺的制备方法，其特征在于，在所述掩膜层形成步骤中：
在衬底(1)及第三金属层(9)上形成掩膜层(3)；
在谐振器凹槽形成步骤中：
通过掩膜层(3)形成谐振器凹槽(4)，去除掩膜层(3)。
6.根据权利要求5所述的电极微陀螺的制备方法，其特征在于，在所述支撑柱通孔形成步骤中：
在所述谐振器凹槽(4)底部形成支撑柱通孔(5)，去除谐振器凹槽(4)的槽外的余料。
7.根据权利要求6所述的电极微陀螺的制备方法，其特征在于，还包括连接层步骤；
在所述连接层步骤中：
在谐振器凹槽(4)、支撑柱通孔(5)这两者内均形成连接层(6)。
8.根据权利要求7所述的电极微陀螺的制备方法，其特征在于，还包括谐振器结构形成步骤；
在所述谐振器结构形成步骤中：
沿谐振器凹槽(4)的外表面方向，去除衬底(1)。
9.一种微陀螺，其特征在于，通过权利要求1至8中任一项所述的电极微陀螺的制备方法制作出的陀螺。
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