CN110631568A - 一种基于二维光子晶体腔体结构的新型moems双轴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二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪及其加工方法，陀螺仪由上至下依次包括玻璃盖帽、器件层和玻璃衬底，玻璃盖帽包括金属引线、电极和通光孔；器件层包括外框架、位于外框架中心的驱动质量块、驱动检测组件、X轴检测组件、Y轴检测组件、第一、第二驱动电极支撑柱、第一、第二驱动检测电极支撑柱，玻璃衬底包括金属引线和电极。驱动检测组件用于对驱动质量块施加静电力和驱动检测；X轴检测组件和Y轴检测组件分别沿X轴和Y轴方向对称分布于驱动质量块周围，用于检测X轴和Y轴方向的角速度输出。本发明加工工艺简单、成本低且便于批量生产，在单个器件内实现了对双轴的角速度的测量，有着良好的市场前景。
Description
技术领域
本发明设计微机电和惯性导航领域，具体涉及一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪及其加工方法。
背景技术
微惯性陀螺仪是测量角速度的重要器件，具有体积小、成本低、高可靠性等优点，非常适合应用于机器人、车辆、小型无人机的姿态测量和导航中。
目前，市面上多流行微机械陀螺仪，微机械陀螺仪精度较差，受温读湿度影响比较明显，很难应用于高精度测量系统中。
近些年了，新型MOEMS陀螺仪逐渐开始出现，因其测量精度高、受外界因素影响较小、加工工艺简单而受到欢迎。
发明内容
发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨在提供一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪及其加工方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，由上至下依次包括玻璃盖帽、器件层和玻璃衬底，玻璃盖帽和玻璃衬底与器件层通过阳极键合，且玻璃盖帽和玻璃衬底与器件层均电连接；器件层包括支撑外框架、驱动质量块、驱动检测组件、X轴检测组件、Y轴检测组件、第一驱动电极支撑柱、第二驱动电极支撑柱、第一驱动检测电极支撑柱和第二驱动检测电极支撑柱，驱动质量块位于外框架中心位置，驱动检测组件对称分布于驱动质量块上下表面，第一驱动电极支撑柱、第二驱动电极支撑柱、第一驱动检测电极支撑柱和第二驱动检测电极支撑柱分布于驱动质量块四周；驱动检测组件一方面用于使驱动质量块沿Z轴上下振动，另一方面用于检测驱动质量块振动式电容量的变化，实现驱动检测功能；X轴检测组件沿X轴对称分布于驱动质量块两侧，用于检测光强的变化，从而得到X轴方向的角速度输出；Y轴检测组件沿Y轴对称分布于驱动质量块两侧，用于检测光强的变化，从而得到Y轴方向角速度的输出。
可选的，驱动检测组件包括第一驱动平板电容、第一驱动检测平板电容、第二驱动平板电容和第二驱动检测平板电容，第一驱动平板电容和第二驱动平板电容对称设置于驱动质量块上下表面中心位置，第一驱动检测平板电容和第二驱动检测平板电容为框体结构，分别设置于第一驱动平板电容和第二驱动平板电容外围的驱动质量块上；第一驱动平板电容通过玻璃盖帽上的第一金属引线和第一驱动电极与第一驱动电极支撑柱电连接，第二驱动平板电容通过玻璃衬底上的第三金属引线和第二驱动电极与第二驱动电极支撑柱电连接，第一驱动检测平板电容通过第二金属引线和第一驱动检测电极与第一驱动检测电极电连接，第二驱动检测平板电容通过第四金属引线和第二驱动检测电极与第二驱动检测电极支撑柱电连接。
可选的，X轴检测组件包括X轴第一敏感质量块、X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构、X轴第二敏感质量块和X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构，其中X轴第一敏感质量块和X轴第二敏感质量块沿X方向通过第二悬臂梁结构对称连接于驱动质量块两侧，且通过第一悬臂梁结构与支撑外框架连接；且X轴第一敏感质量块与支撑外框架之间设有X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构，X轴第二敏感质量块与支撑外框架之间设有X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构；另外，X轴第一敏感质量块和X轴第二敏感质量块均分别通过第一悬臂梁结构与锚点连接。
可选的，Y轴检测组件包括Y轴第一敏感质量块、Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构、Y轴第二敏感质量块和Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构，其中Y轴第一敏感质量块和Y轴第二敏感质量块沿Y方向通过第二悬臂梁结构对称连接于驱动质量块两侧，且均通过第一悬臂梁结构与支撑外框架连接；且Y轴第一敏感质量块与支撑外框架之间设有Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构，Y轴第二敏感质量块与支撑外框架之间设有Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构；另外，Y轴第一敏感质量块和Y轴第二敏感质量块均分别通过第一悬臂梁结构与锚点连接。
可选的，第一驱动电极支撑柱和第二驱动电极支撑柱上连接的驱动电极的极性相反，第一驱动检测电极支撑柱和第二驱动检测电极支撑柱上连接的驱动检测电极的极性相反。
可选的，玻璃盖帽位于器件层的正上方，玻璃盖帽上与器件层四个敏感检测二维光子晶体腔体结构相对应的位置均设有通光孔，用于将光导入二维光子晶体腔体结构，玻璃盖帽下表面与器件层第一驱动电极支撑柱相对应的位置设有第一驱动电极，玻璃盖帽下表面与器件层第一驱动检测电极支撑柱对应的位置设有第一驱动检测电极；玻璃盖帽与器件层键合后，第一驱动电极位于第一驱动电极支撑柱上，且第一驱动电极通过第一金属引线与第一驱动平板电容电连接；第一驱动检测电极位于第一驱动检测电极支撑柱上，且第一驱动检测电极通过第二金属引线与第一驱动平板检测电容电连接。
可选的，玻璃衬底位于器件层的正下方，玻璃衬底上表面与器件层第二驱动电极支撑柱相对应的位置设有第二驱动电极，玻璃衬底上表面与器件层第二驱动检测电极支撑柱相对应的位置设有第二驱动检测电极；玻璃衬底与器件层键合后，第二驱动电极位于第二驱动电极支撑上，且第二驱动电极通过第三金属引线与第二驱动平板电容电连接；第二驱动检测电极位于第二驱动检测电极支撑柱上，且第二驱动检测电极通过第四金属引线与第二驱动平板检测电容电连接。
本发明还提供了一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：
(1)玻璃衬底加工；
(11)清洗玻璃衬底，在玻璃衬底表面旋涂光刻胶，在第一块掩膜版下曝光，显影，定义出金属引线的位置；
(12)完成步骤(11)后，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，加工玻璃衬底上的第二驱动电极和第二驱动检测电极，并利用lift-off剥离工艺制成金属引线；
(2)器件层加工，并将器件层与玻璃衬底键合；
(3)玻璃盖帽加工，并与步骤(2)中与玻璃衬底键合后的器件层下表面键合；
(4)在步骤(3)所得的玻璃-硅-玻璃结构上表面旋涂光刻胶，利用第九块掩膜版定义光纤放置凹槽位置；利用反应离子刻蚀(RIE)进行刻蚀，得到玻璃盖帽上的光纤放置凹槽，即得到完整的二维光子晶体腔体结构的MOEMS四质量陀螺仪结构。
进一步的，步骤(2)包括以下步骤：
(21)清洗硅片，干燥，在硅片下表面旋涂一层光刻胶，固化后，使用第二块掩膜版在硅片下表面定义锚点；
(22)完成步骤(21)后，采用反应离子刻蚀(RIE)在硅片下表面加工锚点后，使用丙酮溶液洗去残余的光刻胶；
(23)清洗硅片，干燥，在硅表面旋涂一层光刻胶，利用第三块掩膜版定义金属电极的位置，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，并利用lift-off剥离工艺制成金属引线和金属焊盘；
(24)将步骤(1)后的玻璃衬底与步骤(23)后的硅片的下表面进行阳极键合；
(25)完成步骤(24)后，步骤(24)后所得的硅-玻结构的硅上表面进行机械CMP抛光；
(26)在步骤(25)的硅片结构上表面旋涂光刻胶，利用第四块掩膜版定义金属电极的位置，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，利用lift-off剥离工艺制成金属引线和金属焊盘；
(27)在步骤(26)的基础上，在硅上表面旋涂电子束光刻胶，利用第五块掩膜版定义二维光子晶体腔体结构的位置；
(28)完成步骤(27)后，利用反应离子刻蚀(RIE)在硅结构层刻蚀出二维光子晶体腔体结构后，使用丙酮溶液洗去残余的电子束曝光胶；
(29)完成步骤(28)后，在硅片上表面PECVD一层氮化硅作为二维光子晶体腔体结构的保护层；
(210)完成步骤(29)后，在氮化硅表面旋涂光刻胶，显影，用第六块掩膜版将驱动质量块结构、驱动平板电容、驱动检测平板电容、MEMS敏感四质量块结构、第一悬臂梁结构、第二悬臂梁结构和支撑外框架结构转移到光刻胶层；
(211)完成步骤(210)后，利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀出驱动质量块结构、MEMS敏感四质量块结构、驱动平板电容、驱动检测平板电容、第一悬臂梁结构、第二悬臂梁结构和支撑外框结构，并用丙酮溶液洗掉残余的光刻胶。
进一步的，步骤(3)包括以下步骤：
(31)清洗另一块玻璃盖帽，在玻璃盖帽下表面旋涂光刻胶，在第七块掩膜版下进行曝光，显影，定义玻璃盖帽深腔结构；
(32)完成步骤(31)后，利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀刻蚀出玻璃盖帽的深腔结构，并洗去残余的光刻胶；
(33)完成步骤(32)后，在玻璃盖帽下表面旋涂光刻胶，在第八块掩膜版下进行曝光、显影，并定义玻璃盖帽的金属引线，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，加工玻璃盖帽上的第一驱动电极和第一驱动检测电极，并利用lift-off剥离工艺制成金属引线；
(34)完成步骤(33)后，将玻璃盖帽下表面与硅片上表面进行阳极键合，实现玻璃盖帽与硅片上表面的连接；
(35)完成步骤(34)后，在所得的玻璃-硅-玻璃结构上表面旋涂光刻胶，利用第九块掩膜版定义光纤放置通孔位置；
(36)完成步骤(35)后，利用反应离子刻蚀(RIE)进行刻蚀，得到玻璃表面的光纤放置通孔，即可得到完整的二维光子晶体腔体结构的MOEMS四质量陀螺仪结构。
工作原理：本发明基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，通过机械结构与光学结构的共同作用，来检测X轴和Y轴的具体角速度。
有益效果：与现有技术相比，本发明利用二维光子晶体与机械结构结合的形式，提出了一种新的双轴陀螺仪，该型陀螺仪采用全新的检测方式，采用单片集成的方式，具有体积小、精度高、适用范围广等特点。
附图说明
图1是二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪整体结构图；
图2是二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪爆炸图；
图3是二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪器件层俯视图；
图4是二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪器件层整体结构图；
图5是二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪玻璃盖帽结构图；
图6是二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪玻璃盖帽俯视图；
图7是二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪玻璃衬底结构图；
图8是二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪加工工艺流程图；
其中，1、玻璃盖帽，2、器件层，3、玻璃衬底；11、第一驱动电极，12、第一金属引线，13、第一驱动检测电极，14、第二金属引线，15、通光孔；21、锚点，22、X轴第一敏感质量块，23、X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构，24、第一悬臂梁结构，25、Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构，26、Y轴第二敏感质量块，27、第二悬臂梁结构，28、X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构，29、Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构，210、Y轴第一敏感质量块，211、第一驱动平板电容，212、第一驱动检测平板电容，213、驱动质量块，214、第二驱动平板电容(图中未示出)，215、第二驱动检测平板电容(图中未示出)，216、第一驱动电极支撑柱，217第一驱动检测电极支撑柱，218第二驱动电极支撑柱，219第二驱动检测电极支撑柱，220、支撑外框架，221、X轴第二敏感质量块；31、第二驱动电极，32、第三金属引线，33、第二驱动检测电极，34、第四金属引线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明技术方案的内容，但本发明内容不仅仅局限于下面的实施例。以下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。
一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，由上至下依次包括玻璃盖帽、器件层和玻璃衬底，玻璃盖帽和玻璃衬底与器件层通过阳极键合，且玻璃盖帽和玻璃衬底与器件层均电连接；器件层包括器件层外框架、驱动质量块、驱动检测组件、X轴检测组件、Y轴检测组件、第一驱动电极支撑柱、第二驱动电极支撑柱、第一驱动检测电极支撑柱、第二驱动检测电极支撑柱，驱动质量块位于外框架中心位置，驱动检测组件对称分布于驱动质量块上下表面，第一驱动电极支撑柱和第二驱动电极支撑柱分别与驱动质量块上表面和下表面的驱动检测组件电连接；第一驱动检测电极支撑柱和第二驱动检测电极支撑柱分别与驱动质量块上表面和下表面的驱动检测组件电连接；驱动检测组件一方面用于使驱动质量块沿Z轴上下振动，另一方面用于检测驱动质量块振动式电容量的变化，实现驱动检测功能；X轴检测组件沿X轴对称分布于驱动质量块两侧，用于检测光强的变化，从而得到X轴方向的角速度输出；Y轴检测组件沿Y轴对称分布于驱动质量块两侧，用于检测光强的变化，从而得到Y轴方向角速度的输出。
其中，驱动检测组件包括第一驱动平板电容、第一驱动检测平板电容、第二驱动平板电容和第二驱动检测平板电容。X轴检测组件包括X轴第一敏感质量块、X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构、X轴第二敏感质量块和X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构。Y轴检测组件包括Y轴第一敏感质量块、Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构、Y轴第二敏感质量块和Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构。
实施例1
如图1至图7所示，一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，由上至下依次包括玻璃盖帽、器件层和玻璃衬底，玻璃盖帽和玻璃衬底与器件层通过阳极键合，且玻璃盖帽和玻璃衬底与器件层均电连接。驱动质量块上下表面中心位置分别设有第一驱动平板电容和第二驱动平板电容(图中未示出)，第一驱动检测平板电容和第二驱动检测平板电容分别设置于第一驱动平板电容和第二驱动平板电容的周围。X轴第一敏感质量块和X轴第二敏感质量块沿X轴呈对称结构，Y轴第一敏感质量块和Y轴第二敏感质量块沿Y轴呈对称结构，X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构和X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构沿X轴呈对称结构，Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构和Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构沿Y轴呈对称结构，器件层的外框架上下左右分别连接着X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构、第二敏感检测二维光子晶体腔体结构、Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构和第二敏感检测二维光子晶体腔体结构。
如图3和图4所示，器件层包括支撑外框架、驱动质量块、第一驱动平板电容、第二驱动平板电容、第一驱动检测平板电容、第二驱动检测平板电容、X轴第一敏感质量块、X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构、X轴第二敏感质量块、X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构、第一悬臂梁结构、第二悬臂梁结构、若干锚点、Y轴第一敏感质量块、Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构、Y轴第二敏感质量块、Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构、第一驱动电极支撑柱、第二驱动电极支撑柱、第一驱动检测电极支撑柱和第二驱动检测电极支撑柱，其中，X轴第一敏感质量块和X轴第二敏感质量块沿X方向通过第二悬臂梁结构对称连接于驱动质量块两侧，且均通过第一悬臂梁结构与支撑外框架连接；且X轴第一敏感质量块与支撑外框架之间设有X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构，X轴第二敏感质量块与支撑外框架之间设有X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构；另外，X轴第一敏感质量块和X轴第二敏感质量块均分别通过第一悬臂梁结构与锚点连接；Y轴第一敏感质量块和Y轴第二敏感质量块沿Y方向通过第二悬臂梁结构对称连接于驱动质量块两侧，且均通过第一悬臂梁结构与支撑外框架连接；且Y轴第一敏感质量块与支撑外框架之间设有Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构，Y轴第二敏感质量块与支撑外框架之间设有Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构；另外，Y轴第一敏感质量块和Y轴第二敏感质量块均分别通过第一悬臂梁结构与锚点连接；第一驱动电极、第二驱动电极、第一驱动检测电极和第二驱动检测电极通过与外围电路电连接实现其功能。
第一驱动平板电容和第二驱动平板电容对称设置于驱动质量块上、下表面中心位置；第一驱动检测平板电容和第二驱动检测平板电容为框体结构，分别设置于第一驱动平板电容和第二驱动平板电容外围的驱动质量块上；第一驱动电极支撑柱、第二驱动电极支撑柱、第一驱动检测电极支撑柱和第二驱动检测电极支撑柱设置在驱动质量块四周。
第一驱动电极和第二驱动电极的极性相反，第一驱动检测电极和第二驱动检测电极的极性相反；第一驱动电极和第二驱动电极给第一驱动平板电容和第二驱动平板电容提供驱动电压，第一驱动平板电容和第二驱动平板电容用于给驱动质量块施加驱动力；第一驱动检测平板电容和第二驱动检测平板电容用于检测驱动质量块的驱动信号。
若干第一悬臂梁结构和第二悬臂梁结构用于连接驱动质量块、各个敏感质量块、各个敏感检测二维光子晶体腔体结构，实现陀螺仪内力的传递以及模态的解耦。
如图1、图5和图6所示，玻璃盖帽位于器件层的正上方，用来保护器件层，玻璃盖帽上与器件层四个敏感检测二维光子晶体腔体结构相对应的位置设有通光孔，用于将光导入二维光子晶体腔体结构，玻璃盖帽下表面与器件层第一驱动电极支撑柱相对应的位置设有第一驱动电极，玻璃盖帽下表面与器件层第一驱动检测电极支撑柱对应的位置设有第一驱动检测电极；玻璃盖帽与器件层键合后，第一驱动电极位于第一驱动电极支撑柱上，且第一驱动电极通过第一金属引线与第一驱动平板电容电连接；第一驱动检测电极位于第一驱动检测电极支撑柱上，且第一驱动检测电极通过第二金属引线与第一驱动平板检测电容电连接。第一驱动电极和第一驱动检测电极用于与外围电路相连接。
如图1和图7所示，玻璃衬底位于器件层的正下方，用来保护器件层，玻璃衬底上表面与器件层第二驱动电极支撑柱相对应的位置设有第二驱动电极，玻璃衬底上表面与器件层第二驱动检测电极支撑柱相对应的位置设有第二驱动检测电极；玻璃衬底与器件层键合后，第二驱动电极位于第二驱动电极支撑上，且第二驱动电极通过第三金属引线与第二驱动平板电容电连接；第二驱动检测电极位于第二驱动检测电极支撑柱上，且第二驱动检测电极通过第四金属引线与第二驱动平板检测电容电连接；第二驱动电极和第二驱动检测电极用于与外界电路相连接。
双轴陀螺仪的工作原理为：
(1)Z轴驱动：通过外界电压源给第一驱动电极和第二驱动电极供电，通过在第一驱动电极和第二驱动电极上施加电压，使得第一驱动平板电容与和第二驱动平板电容发生移动，从而产生了微弱的电容信号，将电容信号转换为电压信号，通过外围电路可以在第一驱动检测电极和第二驱动检测电极上检测到电压，在通过外围电路的闭合回路，让整个驱动回路产生自激振荡，从而使驱动回路一直工作在谐振点上，使得驱动质量块在Z轴方向做周期性简谐振动。
(2)X轴方向的角速度检测：当获得沿X轴方向的角速度时，X轴第一敏感质量块和X轴第二敏感质量块沿X轴方向在第二悬臂梁的作用下左右移动，进而导致X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构和X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构输出的光强发生变化，通过X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构和X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构的差分检测机理计算出光强的变化量，再通过辅助设备将光强转换成电信号，最后通过外围电路计算出X轴角速度的大小。
(3)Y轴方向的角速度检测：当获得沿Y轴方向的角速度时，Y轴第一敏感质量块和Y轴第二敏感质量块沿Y轴方向在第二悬臂梁的作用下上下移动，进而导致Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构和Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构输出的光强发生变化，通过Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构和Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构差分检测机理计算出光强的变化量，再通过辅助设备将光强转换成电信号，最后通过外围电路计算出Y轴角速度的具体数值。
如图8所示，一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪的加工方法，结合体硅加工工艺，表面微加工工艺和键合工艺进行制作，其步骤如下：
(1)玻璃衬底加工；
(11)清洗玻璃衬底，在玻璃衬底表面旋涂光刻胶，在第一块掩膜版下曝光，显影，定义出金属引线的位置。
(12)完成步骤(11)后，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，加工玻璃衬底上的第二驱动电极和第二驱动检测电极，并利用lift-off剥离工艺制成金属引线。
(2)器件层加工，并将器件层与玻璃衬底键合；
(21)清洗硅片，干燥，在硅片下表面旋涂一层光刻胶，固化后，使用第二块掩膜版在硅片下表面定义锚点.
(22)完成步骤(21)后，采用反应离子刻蚀(RIE)在硅片下表面加工锚点后，使用丙酮溶液洗去残余的光刻胶。
(23)清洗硅片，干燥，在硅表面旋涂一层光刻胶，利用第三块掩膜版定义金属电极的位置，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，并利用lift-off剥离工艺制成金属引线和金属焊盘。
(24)将步骤(1)后的玻璃衬底与步骤(23)后的硅片的下表面进行阳极键合。
(25)完成步骤(24)后，步骤(24)后所得的硅-玻结构的硅上表面进行机械CMP抛光。
(26)在步骤(25)的硅片结构上表面旋涂光刻胶，利用第四块掩膜版定义金属电极的位置，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，利用lift-off剥离工艺制成金属引线和金属焊盘。
(27)在步骤(26)的基础上，在硅上表面旋涂电子束光刻胶，利用第五块掩膜版定义二维光子晶体腔体结构的位置。
(28)完成步骤(27)后，利用反应离子刻蚀(RIE)在硅结构层刻蚀出二维光子晶体腔体结构后，使用丙酮溶液洗去残余的电子束曝光胶。
(29)完成步骤(28)后，在硅片上表面PECVD一层氮化硅作为二维光子晶体腔体结构的保护层。
(210)完成步骤(29)后，在氮化硅表面旋涂光刻胶，显影，用第六块掩膜版将驱动质量块结构、驱动平板电容、驱动检测平板电容、MEMS敏感四质量块结构、第一悬臂梁结构、第二悬臂梁结构和支撑外框架结构转移到光刻胶层。
(211)完成步骤(210)后，利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀出驱动质量块结构、MEMS敏感四质量块结构、驱动平板电容、驱动检测平板电容、第一悬臂梁结构、第二悬臂梁结构和支撑外框结构，并用丙酮溶液洗掉残余的光刻胶。
(3)玻璃盖帽加工，并与步骤(2)加工后的器件层下表面键合；
(31)清洗另一块玻璃盖帽，在玻璃盖帽下表面旋涂光刻胶，在第七块掩膜版下进行曝光，显影，定义玻璃盖帽深腔结构。
(32)完成步骤(31)后，利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀刻蚀出玻璃盖帽的深腔结构，并洗去残余的光刻胶。
(33)完成步骤(32)后，在玻璃盖帽下表面旋涂光刻胶，在第八块掩膜版下进行曝光，显影，并定义玻璃盖帽的金属引线，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，加工玻璃盖帽上的第一驱动电极和第一驱动检测电极，并利用lift-off剥离工艺制成金属引线。
(34)完成步骤(33)后，将玻璃盖帽下表面与硅片上表面进行阳极键合，实现玻璃盖帽与硅片上表面的连接。
(35)完成步骤(34)后，在所得的玻璃-硅-玻璃结构上表面旋涂光刻胶，利用第九块掩膜版定义光纤放置通孔位置。
(36)完成步骤(35)后，利用反应离子刻蚀(RIE)进行刻蚀，得到玻璃表面的光纤放置通孔，即可得到完整的二维光子晶体腔体结构的MOEMS四质量陀螺仪结构。
Claims (10)
1.一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，其特征在于：由上至下依次包括玻璃盖帽、器件层和玻璃衬底，玻璃盖帽和玻璃衬底与器件层通过阳极键合，且玻璃盖帽和玻璃衬底与器件层均电连接；器件层包括支撑外框架、驱动质量块、驱动检测组件、X轴检测组件、Y轴检测组件、第一驱动电极支撑柱、第二驱动电极支撑柱、第一驱动检测电极支撑柱和第二驱动检测电极支撑柱，驱动质量块位于外框架中心位置，驱动检测组件对称分布于驱动质量块上下表面，第一驱动电极支撑柱、第二驱动电极支撑柱、第一驱动检测电极支撑柱和第二驱动检测电极支撑柱分布于驱动质量块四周；驱动检测组件一方面用于使驱动质量块沿Z轴上下振动，另一方面用于检测驱动质量块振动式电容量的变化，实现驱动检测功能；X轴检测组件沿X轴对称分布于驱动质量块两侧，用于检测光强的变化，从而得到X轴方向的角速度输出；Y轴检测组件沿Y轴对称分布于驱动质量块两侧，用于检测光强的变化，从而得到Y轴方向角速度的输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，其特征在于：驱动检测组件包括第一驱动平板电容、第一驱动检测平板电容、第二驱动平板电容和第二驱动检测平板电容，第一驱动平板电容和第二驱动平板电容对称设置于驱动质量块上下表面中心位置，第一驱动检测平板电容和第二驱动检测平板电容为框体结构，分别设置于第一驱动平板电容和第二驱动平板电容外围的驱动质量块上；第一驱动平板电容通过玻璃盖帽上的第一金属引线和第一驱动电极与第一驱动电极支撑柱电连接，第二驱动平板电容通过玻璃衬底上的第三金属引线和第二驱动电极与第二驱动电极支撑柱电连接，第一驱动检测平板电容通过第二金属引线和第一驱动检测电极与第一驱动检测电极电连接，第二驱动检测平板电容通过第四金属引线和第二驱动检测电极与第二驱动检测电极支撑柱电连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，其特征在于：X轴检测组件包括X轴第一敏感质量块、X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构、X轴第二敏感质量块和X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构，其中X轴第一敏感质量块和X轴第二敏感质量块沿X方向通过第二悬臂梁结构对称连接于驱动质量块两侧，且通过第一悬臂梁结构与支撑外框架连接；且X轴第一敏感质量块与支撑外框架之间设有X轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构，X轴第二敏感质量块与支撑外框架之间设有X轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构；另外，X轴第一敏感质量块和X轴第二敏感质量块均分别通过第一悬臂梁结构与锚点连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，其特征在于：Y轴检测组件包括Y轴第一敏感质量块、Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构、Y轴第二敏感质量块和Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构，其中Y轴第一敏感质量块和Y轴第二敏感质量块沿Y方向通过第二悬臂梁结构对称连接于驱动质量块两侧，且均通过第一悬臂梁结构与支撑外框架连接；且Y轴第一敏感质量块与支撑外框架之间设有Y轴第一敏感检测二维光子晶体腔体结构，Y轴第二敏感质量块与支撑外框架之间设有Y轴第二敏感检测二维光子晶体腔体结构；另外，Y轴第一敏感质量块和Y轴第二敏感质量块均分别通过第一悬臂梁结构与锚点连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，其特征在于：第一驱动电极支撑柱和第二驱动电极支撑柱上连接的驱动电极的极性相反，第一驱动检测电极支撑柱和第二驱动检测电极支撑柱上连接的驱动检测电极的极性相反。
6.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，其特征在于：玻璃盖帽位于器件层的正上方，玻璃盖帽上与器件层四个敏感检测二维光子晶体腔体结构相对应的位置均设有通光孔，用于将光导入二维光子晶体腔体结构，玻璃盖帽下表面与器件层第一驱动电极支撑柱相对应的位置设有第一驱动电极，玻璃盖帽下表面与器件层第一驱动检测电极支撑柱对应的位置设有第一驱动检测电极；玻璃盖帽与器件层键合后，第一驱动电极位于第一驱动电极支撑柱上，且第一驱动电极通过第一金属引线与第一驱动平板电容电连接；第一驱动检测电极位于第一驱动检测电极支撑柱上，且第一驱动检测电极通过第二金属引线与第一驱动平板检测电容电连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪，其特征在于：玻璃衬底位于器件层的正下方，玻璃衬底上表面与器件层第二驱动电极支撑柱相对应的位置设有第二驱动电极，玻璃衬底上表面与器件层第二驱动检测电极支撑柱相对应的位置设有第二驱动检测电极；玻璃衬底与器件层键合后，第二驱动电极位于第二驱动电极支撑上，且第二驱动电极通过第三金属引线与第二驱动平板电容电连接；第二驱动检测电极位于第二驱动检测电极支撑柱上，且第二驱动检测电极通过第四金属引线与第二驱动平板检测电容电连接。
8.权利要求1-7任一项所述的一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)玻璃衬底加工；
(11)清洗玻璃衬底，在玻璃衬底表面旋涂光刻胶，在第一块掩膜版下曝光，显影，定义出金属引线的位置；
(12)完成步骤(11)后，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，加工玻璃衬底上的第二驱动电极和第二驱动检测电极，并利用lift-off剥离工艺制成金属引线；
(2)器件层加工，并将器件层与玻璃衬底键合；
(3)玻璃盖帽加工，并与步骤(2)中与玻璃衬底键合后的器件层下表面键合；
(4)在步骤(3)所得的玻璃-硅-玻璃结构上表面旋涂光刻胶，利用第九块掩膜版定义光纤放置凹槽位置；利用反应离子刻蚀(RIE)进行刻蚀，得到玻璃盖帽上的光纤放置凹槽，即得到完整的二维光子晶体腔体结构的MOEMS四质量陀螺仪结构。
9.根据权利要求8所述的一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪的加工方法，其特征在于，步骤(2)包括以下步骤：
(21)清洗硅片，干燥，在硅片下表面旋涂一层光刻胶，固化后，使用第二块掩膜版在硅片下表面定义锚点；
(22)完成步骤(21)后，采用反应离子刻蚀(RIE)在硅片下表面加工锚点后，使用丙酮溶液洗去残余的光刻胶；
(23)清洗硅片，干燥，在硅表面旋涂一层光刻胶，利用第三块掩膜版定义金属电极的位置，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，并利用lift-off剥离工艺制成金属引线和金属焊盘；
(24)将步骤(1)后的玻璃衬底与步骤(23)后的硅片的下表面进行阳极键合；
(25)完成步骤(24)后，步骤(24)后所得的硅-玻结构的硅上表面进行机械CMP抛光；
(26)在步骤(25)的硅片结构上表面旋涂光刻胶，利用第四块掩膜版定义金属电极的位置，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，利用lift-off剥离工艺制成金属引线和金属焊盘；
(27)在步骤(26)的基础上，在硅上表面旋涂电子束光刻胶，利用第五块掩膜版定义二维光子晶体腔体结构的位置；
(28)完成步骤(27)后，利用反应离子刻蚀(RIE)在硅结构层刻蚀出二维光子晶体腔体结构后，使用丙酮溶液洗去残余的电子束曝光胶；
(29)完成步骤(28)后，在硅片上表面PECVD一层氮化硅作为二维光子晶体腔体结构的保护层；
(210)完成步骤(29)后，在氮化硅表面旋涂光刻胶，显影，用第六块掩膜版将驱动质量块结构、驱动平板电容、驱动检测平板电容、MEMS敏感四质量块结构、第一悬臂梁结构、第二悬臂梁结构和支撑外框架结构转移到光刻胶层；
(211)完成步骤(210)后，利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀出驱动质量块结构、MEMS敏感四质量块结构、驱动平板电容、驱动检测平板电容、第一悬臂梁结构、第二悬臂梁结构和支撑外框结构，并用丙酮溶液洗掉残余的光刻胶。
10.根据权利要求8所述的一种基于二维光子晶体腔体结构的新型MOEMS双轴陀螺仪的加工方法，其特征在于，步骤(3)包括以下步骤：
(31)清洗另一块玻璃盖帽，在玻璃盖帽下表面旋涂光刻胶，在第七块掩膜版下进行曝光，显影，定义玻璃盖帽深腔结构；
(32)完成步骤(31)后，利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀刻蚀出玻璃盖帽的深腔结构，并洗去残余的光刻胶；
(33)完成步骤(32)后，在玻璃盖帽下表面旋涂光刻胶，在第八块掩膜版下进行曝光、显影，并定义玻璃盖帽的金属引线，采用sputter工艺溅射Cr/Au金属，加工玻璃盖帽上的第一驱动电极和第一驱动检测电极，并利用lift-off剥离工艺制成金属引线；
(34)完成步骤(33)后，将玻璃盖帽下表面与硅片上表面进行阳极键合，实现玻璃盖帽与硅片上表面的连接；
(35)完成步骤(34)后，在所得的玻璃-硅-玻璃结构上表面旋涂光刻胶，利用第九块掩膜版定义光纤放置通孔位置；
(36)完成步骤(35)后，利用反应离子刻蚀(RIE)进行刻蚀，得到玻璃表面的光纤放置通孔，即可得到完整的二维光子晶体腔体结构的MOEMS四质量陀螺仪结构。
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