CN109945851B - 一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪及其加工方法，陀螺仪包括铌酸锂光通路层、体声波谐振器、共型电极和玻璃衬底，玻璃衬底与体声波谐振器的硅层进行阳极键合，共型电极有多个，且均匀分布在体声波谐振器外围，并与玻璃衬底阳极键合，铌酸锂光路层覆盖在体声波谐振器上方，并在45°和225°方向延伸出光通路条，且光通路条位于共型电极上方；在每个共型电极和体声波谐振器底部设有金属焊盘；玻璃衬底上开设有与共型电极和体声波谐振器底部的金属焊盘位置一一对应的电极通孔。本发明可以做的很小，结构完整性好、测量精密度高；加工封装方法能缩短生产周期，适合批量化生产。
Description
技术领域
本发明属于微机电和惯性导航领域，涉及一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪及其加工方法。
背景技术
MOMES(Micro-opto-elector-mechanical System)，即微光机电系统或者光学MEMS，是一支极具活力的新技术系统，它是由微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统。目前MOEMS研究主要还是依赖经验，而相应的系统理论和研究方法的指导比较少，因此该领域的研究显得非常迫切。微光学元件包括衍射和折射两种，例如微透镜、微反射镜、微扇出光栅、最佳相位元件和偏振器等，已经成为实现各种光学功能的强有力工具，几乎在所有的工程应用领域中，特别是在现代国防科学技术领域中有重要的应用价值和广阔的应用前景。
光学微机械以及基于纳米结构的自适应光学装置的设计和实现。微工艺目前已经由毫米量级发展到微米量级。而纳米技术则可以使加工进入亚微米甚至分子的量级，将来还有可能在原子量级加工机械结构。
光学MEMS陀螺仪是针对大多数微机电陀螺容易受到产生寄生效应的干扰，精度和动态性能难以兼顾的限制，采用光学检测的方法代替电容检测的一种新型、高精度微型陀螺仪。
发明内容
发明目的：为克服现有技术不足，本发明目的提供一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪，本发明的另一目的是提供该基于体声波谐振器的光声波陀螺仪的加工方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪，包括铌酸锂光通路层、体声波谐振器、共型电极和玻璃衬底，玻璃衬底与体声波谐振器的硅层进行阳极键合，共型电极有多个，且均匀分布在体声波谐振器外围，铌酸锂光路层覆盖在体声波谐振器上方，并在45°和225°方向延伸出光通路条，且光通路条位于共型电极上方；在每个共型电极和体声波谐振器底部设有金属焊盘；玻璃衬底上开设有与共型电极和体声波谐振器底部的金属焊盘位置一一对应的电极通孔。
可选的，铌酸锂光路层是通过薄膜沉积工艺加工而成。
可选的，体声波谐振器为圆盘状，其周围的共型电极施加信号使其产生声波，声波在圆盘内产生驻波。
可选的，共型电极共8个，均匀分布在体声波谐振器圆盘外围，且与圆盘处于同一平面。
可选的，玻璃衬底上开设的电极通孔为上小下大的圆形锥孔结构。
本发明还提供了一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪的加工封装方法，包括以下步骤：
(1)取一块干净玻璃片，单面PECVD一层氮化硅，然后旋涂光刻胶，用掩膜版定义出玻璃锥孔所在位置，接着RIE刻蚀掉暴露出的氮化硅；
(2)使用单面刻蚀花篮，将有胶的一面暴露在HF酸刻蚀液中刻蚀出圆形锥孔；
(3)取一片干净的双抛硅片，在其上面采用低压化学气相沉积方法沉积一层铌酸锂作为光通路层；
(4)将步骤(3)得到的长有铌酸锂的硅片另一面先用光刻胶做掩膜在体声波谐振器背面刻蚀出谐振器的凸台结构，然后去胶；
(5)沉积一层氮化硅，然后再次匀胶曝光显影后暴露出体声波谐振器圆盘和共型电极的结构然后溅射一层金，接着用剥离工艺漏出要刻蚀的部分，先用RIE刻蚀掉氮化硅层，然后HNA湿法刻通硅片，接着去除金铬和氮化硅；
(6)将步骤(5)得到的片子硅的一面与玻璃阳极键合；
(7)在步骤(6)的铌酸锂层表面沉积一层金属铝作为掩膜，然后在金属铝表面匀光刻胶并固化；
(8)在步骤(7)得到的光刻胶层上曝光显影留下设定的光通路结构部分的光刻胶，接着用盐酸去除暴露的金属铝层，然后去除多余的光刻胶，采用深反应离子刻蚀工艺，刻蚀掉多余的铌酸锂，然后在用盐酸去除铌酸锂结构表面的金属铝；
(9)在玻璃面匀胶进行深坑喷胶曝光显影后，在圆形锥孔里沉积金属焊盘，然后去除光刻胶，得到完整的光声波陀螺仪结构。
其中，步骤(1)中的玻璃锥孔和步骤(2)中的圆形锥孔均为上小下大结构。
其中，步骤(8)中，得到的铌酸锂在45°和225°方向的延伸部分为激光的进出通路。
有益效果：与现有技术相比，本发明基于体声波谐振器的光声波陀螺仪利用光来检测角速度，本发明结构简单，工艺难度低可以做的很小，结构完整性好、测量精密度高；加工封装较为方便，能缩短生产周期，有着较好的市场前景。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为本发明的加工方法流程图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
如图1和图2所示，一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪，包括铌酸锂光通路层1、体声波谐振器2、共型电极3、玻璃衬底4；玻璃衬底与体声波谐振器的硅层进行阳极键合；体声波谐振器为圆盘状，共型电极共八个均匀的分布在体声波谐振器外围，且与体声波谐振器圆盘处于同一平面；铌酸锂圆盘覆盖在体声波谐振器上方，并在45°和225°方向延伸出光通路条；玻璃衬底上开设有与共型电极和体声波谐振子位置一一对应的电极通孔5，电极通孔底部设有金属焊盘6，共型电极与金属焊盘焊接，另外，共型电极外围设有共型电极外围保护层7，其底部与玻璃衬底键合，并可用来与陀螺仪盖帽键合封装。铌酸锂光通路层是通过薄膜沉积工艺加工而成；体声波谐振器为圆盘状，其周围的电极施加信号可使其产生声波，声波在圆盘内产生驻波；电极通孔为上小下大的圆形锥孔结构。
基于体声波谐振器的光声波陀螺仪的加工封装方法，如图3所示，包括以下步骤：
(1)取一块干净玻璃片，单面PECVD一层氮化硅，然后旋涂光刻胶，用掩膜版定义出玻璃锥孔所在位置，接着RIE刻蚀掉暴露出的氮化硅；其中玻璃锥孔为上小下大结构；
(2)使用单面刻蚀花篮，将有胶的一面暴露在HF酸刻蚀液中刻蚀出圆形锥孔；其中圆形锥孔为上小下大结构；
(3)取一片干净的双抛硅片，在其上面采用低压化学气相沉积方法沉积一层铌酸锂作为光通路层；
(4)将步骤(3)得到的长有铌酸锂的硅片另一面先用光刻胶做掩膜在体声波谐振器背面刻蚀出谐振器的凸台结构，然后去胶；
(5)沉积一层氮化硅，然后再次匀胶曝光显影后暴露出体声波谐振器圆盘和共型电极的结构然后溅射一层金，接着用剥离工艺漏出要刻蚀的部分，先用RIE刻蚀掉氮化硅层，然后HNA湿法刻通硅片，接着去除金铬和氮化硅；
(6)将步骤(5)得到的片子硅的一面与玻璃阳极键合；
(7)在步骤(6)的铌酸锂层表面沉积一层金属铝作为掩膜，然后在金属铝表面匀光刻胶并固化；
(8)在步骤(7)得到的光刻胶层上曝光显影留下设定的光通路结构部分的光刻胶，接着用盐酸去除暴露的金属铝层，然后去除多余的光刻胶，采用深反应离子刻蚀工艺，刻蚀掉多余的铌酸锂，然后在用盐酸去除铌酸锂结构表面的金属铝；其中，铌酸锂在45°和225°方向的延伸部分为激光的进出通路。
(9)在玻璃面匀胶进行深坑喷胶曝光显影后，在圆形锥孔里沉积金属焊盘，然后去除光刻胶，得到完整的光声波陀螺仪结构。
本发明基于体声波原理的光声波陀螺仪及其加工方法，属于MOMES陀螺仪的范畴，共分为三层，上层铌酸锂光通路层，中间为体声波谐振器和电极层，下层为玻璃衬底层，下层玻璃衬底通过金属焊盘引出电极连接线，用以驱动谐振器以产生超声波，并在内部形成驻波；根据哥式效应，体声波谐振器内的超声波的波场会发生变化；入射激光通过被驱动的谐振器超声波声波场时就会发生衍射，引起的光强度变化与超声场相关；入射光通过铌酸锂声光材料后的出射光会随着超声场的变化，出射光的光强也随之变化，通过检测出射光强，就可以推算出角速度。
对于声光介质，当介质中存在超声波时，会使晶体的介电常数发生变化，在晶体中形成周期性的有不同折射率的间隔层，以声速运动，这种间隔层具有光栅的功能，因此，当光通过存在声波的声光介质时，就会发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的变化。而当介质旋转时，由于哥式效应的作用，其内部的超声场就会发生相应变化，进而引起出射光的光强变化，通过检测光强的变化，就可以推算得出外界的角速度，实现陀螺仪功能。
本发明中陀螺仪的加工方法结合了MEMS体硅加工工艺、微表面加工工艺、键合工艺、深坑喷胶工艺。本发明可以做的很小，结构完整性好、测量精密度高；加工封装方法能缩短生产周期，适合批量化生产。
本发明未提及的技术均为现有技术。
Claims (8)
1.一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪，其特征在于：包括铌酸锂光通路层、体声波谐振器、共型电极和玻璃衬底，玻璃衬底与体声波谐振器的硅层进行阳极键合，共型电极有多个，且均匀分布在体声波谐振器外围，并与玻璃衬底阳极键合，铌酸锂光路层覆盖在体声波谐振器上方，并在45°和225°方向延伸出光通路条，且光通路条位于共型电极上方；在每个共型电极和体声波谐振器底部设有金属焊盘；玻璃衬底上开设有与共型电极和体声波谐振器底部的金属焊盘位置一一对应的电极通孔。
2.根据权利要求1所述的一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪，其特征在于：铌酸锂光路层是通过薄膜沉积工艺加工而成。
3.根据权利要求1所述的一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪，其特征在于：体声波谐振器为圆盘状，其周围的共型电极施加信号使其产生声波，声波在圆盘内产生驻波。
4.根据权利要求1所述的一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪，其特征在于：共型电极共8个，均匀分布在体声波谐振器圆盘外围，且与圆盘处于同一平面。
5.根据权利要求1所述的一种基于体声波谐振器的光声波陀螺仪，其特征在于：玻璃衬底上开设的电极通孔为上小下大的圆形锥孔结构。
6.一种权利要求1-5任意一项所述的基于体声波谐振器的光声波陀螺仪的加工封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取一块干净玻璃片，单面PECVD一层氮化硅，然后旋涂光刻胶，用掩膜版定义出玻璃锥孔所在位置，接着RIE刻蚀掉暴露出的氮化硅；
(2)使用单面刻蚀花篮，将有胶的一面暴露在HF酸刻蚀液中刻蚀出圆形锥孔；
(3)取一片干净的双抛硅片，在其上面采用低压化学气相沉积方法沉积一层铌酸锂作为光通路层；
(4)将步骤(3)得到的长有铌酸锂的硅片另一面先用光刻胶做掩膜在体声波谐振器背面刻蚀出谐振器的凸台结构，然后去胶；
(5)沉积一层氮化硅，然后再次匀胶曝光显影后暴露出体声波谐振器圆盘和共型电极的结构然后溅射一层金，接着用剥离工艺漏出要刻蚀的部分，先用RIE刻蚀掉氮化硅层，然后HNA湿法刻通硅片，接着去除金铬和氮化硅；
(6)将步骤(5)得到的片子硅的一面与玻璃阳极键合；
(7)在步骤(6)的铌酸锂层表面沉积一层金属铝作为掩膜，然后在金属铝表面匀光刻胶并固化；
(8)在步骤(7)得到的光刻胶层上曝光显影留下设定的光通路结构部分的光刻胶，接着用盐酸去除暴露的金属铝层，然后去除多余的光刻胶，采用深反应离子刻蚀工艺，刻蚀掉多余的铌酸锂，然后再用盐酸去除铌酸锂结构表面的金属铝；
(9)在玻璃面匀胶进行深坑喷胶曝光显影后，在圆形锥孔里沉积金属焊盘，然后去除光刻胶，得到完整的光声波陀螺仪结构。
7.根据权利要求6所述的基于体声波谐振器的光声波陀螺仪的加工封装方法，其特征在于：步骤(1)中的玻璃锥孔和步骤(2)中的圆形锥孔均为上小下大结构。
8.根据权利要求6所述的基于体声波谐振器的光声波陀螺仪的加工封装方法，其特征在于：步骤(8)中得到的铌酸锂在45°和225°方向的延伸部分为激光的进出通路。
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