CN111693037A - 一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪及其制备方法，陀螺仪包括顶层打孔玻璃引线盖板，中间层单晶硅结构层和底层玻璃衬底。单晶硅结构层包括中心支撑柱、鸟盆式谐振子，十六个固定的电容式电极；打孔玻璃盖板包括一个中心引线电极和十六个按圆周均匀分布的引线电极，用于引出结构层信号。玻璃衬底淀积有吸气剂，用于真空封装。制备过程中，先由深硅刻蚀确定中心支撑柱位置，然后各向同性腐蚀得到硅微鸟盆式模子，接着在模子上沉积氧化硅牺牲层和多晶硅结构层，释放牺牲层后得到硅微鸟盆式谐振子。引线盖板和玻璃衬底通过阳极键合与单晶硅基底封装在一起。本发明通过传统半导体的工艺完成了硅微鸟盆式谐振陀螺仪的制造，具有批量化、低成本等优点。

Description

一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪及其制备方法

技术领域：

本发明属于微机电系统加工和惯性导航领域，具体涉及一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪及其制备方法。

背景技术：

传统的宏观旋转对称式谐振陀螺仪具有高精度、高可靠性、抗冲击、高温度、长寿命和抗辐射能力等优点，目前已经在空间惯性领域取得了广泛而成功的应用。美国是最早研究旋转对称式谐振陀螺仪的国家，从20世纪50年代开始，经过近40年的研究，于20世纪90年代研制成功，并列装在其空间应用飞行器上。目前最先进的旋转对称式谐振陀螺仪由Northrop Grumman公司生产，其零偏稳定性小于0.0015°/h，角随机游走小于0.00015°/root-h，设计寿命优于连续工作十五年，抗Z轴冲击3000g以上，成功为美国宇航局NASA的火星探测器提供了姿态测量应用。

然而，传统宏观旋转对称式谐振陀螺仪是由熔融石英精密机械加工而成的，熔融石英的加工难度大，成本高，难以批量加工，此外，宏观的旋转对称式谐振陀螺仪的体积和功耗也较大，目前最小直径的谐振子也超过了20毫米。

近年来，随着对导航单元精度和可靠性的要求，以及微电子加工工艺水平的不断提高，以及旋转对称式谐振陀螺所表现出的优势，使得基于微电子工艺加工的半球谐振陀螺成为国内外该领域的研究热点。利用微电子加工工艺制作而成的旋转对称式谐振陀螺具有体积小，成本低，功耗小，可批量生产等优点，预期可广泛用于工业机器人、汽车、航天航空等领域，具有广阔的应用前景。本发明所涉及的硅微鸟盆式谐振陀螺仪是一种典型的旋转对称式谐振陀螺，并采用标准的成熟的微电子工艺进行加工。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪及其制备方法，其加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工方法，利于批量生产。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪，包括由上而下依次是，顶层打孔玻璃引线盖板、中间层单晶硅壳体结构和电极、底层含有吸气剂的玻璃衬底；

其中，在上层玻璃打孔玻璃引线盖板层，包括一个中心锥形电极引出孔和十六个旋转对称的锥形电极引出孔；在中间层的单晶硅结构层，设有中心支撑柱、鸟盆式谐振子和十六个电容式电极，所述的半球壳谐振子通过中心支撑柱固定在硅结构层上；底层玻璃层包括一个环形腔体，淀积有吸气剂，用于完成真空封装，使鸟盆型谐振子工作在真空环境中。

所述顶层的十六个旋转对称的锥形电极引出孔与中间层的十六个电容式电极一一对应，用于完成对中间层电容电极的电气连接引出。所述顶层的中心锥形电极引出孔与谐振子的中心支撑柱对应，用于完成对鸟盆式谐振子的电气连接引出。

所述顶层引线玻璃盖板和底层吸气剂衬底通过硅-玻璃阳极键合的方式与中间层相连。

所述谐振子由CVD(化学气相沉积)淀积重掺杂硼的多晶硅制成，电极是通过对硅进行深刻蚀制成。

一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪的加工工艺，包括以下步骤：

1)制备硅微鸟盆型谐振子的模子

在硅晶圆片表面通过CVD淀积掩膜层，光刻定义所述鸟盆型谐振子的开口。HDP(高密度等离子体刻蚀系统)深刻蚀开槽，再各向同性腐蚀硅，去除掩蔽膜，得到硅微鸟盆型模子。

2)制备硅微鸟盆型谐振子牺牲层

CVD淀积牺牲层，然后再淀积的多晶硅用做鸟盆型谐振子的结构壳层，再将基片减薄，通过PVD(物理气相沉积)于多晶硅表面淀积金属，用作电气连接和接触保护，通过释放牺牲层，得到硅微鸟盆型谐振子壳层。

3)正面刻蚀定义电极位置并得到谐振子

通过光刻工艺进行图形转移，HDP(高密度等离子体刻蚀系统)深刻蚀定义十六个固定的旋转对称均匀分布的电容式电极位置。再通过释放牺牲层，得到硅微鸟盆型谐振子壳层。

4)正面阳极键合引出电极

所述位于顶层机械打孔玻璃通过光刻、腐蚀等微加工工艺，形成与鸟盆对应的环形腔体；所述顶层打孔玻璃与所述中间结构层阳极键合。通过PVD工艺淀积金属形成所述位于顶层的十六个旋转对称均匀分布的锥形电极引出孔。

5)背面刻蚀形成电极

所述中间硅层，通过光刻定义背面的十六个固定的旋转对称均匀分布的电容式电极区域，通过深刻蚀使所述十六个固定的旋转对称均匀分布的电容式电极穿通。

6)背面键合完成圆片级真空封装

所述底层玻璃衬底通过光刻、腐蚀等微加工工艺形成环形腔体区域，在所述环形区域PVD 淀积吸气剂，所述位于底层的玻璃衬底与所述位于中间层硅结构层阳极键合，形成玻璃/硅/ 玻璃“三明治”型的结构，完成圆片级真空封装。

附图说明

图1硅微鸟盆式谐振陀螺仪的斜二测视图

图2硅微鸟盆式谐振陀螺仪的顶视图

图3硅微鸟盆式谐振陀螺仪的剖面正视图

图4硅微鸟盆式谐振陀螺仪的加工流程

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图3所示，一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪包括：顶层玻璃盖板1，十六个电容式硅电极的锥形引线孔2，十六个电容式硅电极3，鸟盆型谐振子4，谐振子的导电金属层5，谐振子的牺牲层6，谐振子的中心支撑柱7，中心支柱的电极锥形引线孔8，吸气剂9，玻璃衬底10。

顶层玻璃盖板1和底层玻璃衬底10的材料均为Pyrex7740，鸟盆型谐振子4的材料为多晶硅，锥形引线孔2和8上的为导电金属，电容式硅电极2和中心支撑柱7的材料为单晶硅。

顶层玻璃盖板1和底层玻璃衬底10分别通过阳极键合与中间层组装在一起。在顶层玻璃盖板上的十六个锥形引线孔2与在中间层的十六个电容式硅电极3一一对应；在顶层玻璃盖板上的中心锥形引线孔8与中间层的谐振子中心支撑柱7对应。

谐振子的牺牲层6和鸟盆型谐振子4是通过CVD淀积得到的。鸟盆型谐振子的模子是通过各向同性腐蚀得到的。

如图4所示，图4(a)～图4(l)对应下述步骤。

一种微型鸟盆型谐振陀螺仪的加工工艺，包括以下步骤：

1)单晶硅片，淀积掩蔽膜，光刻工艺定义图形，深刻蚀得到开口，对应图a)。

2)得到开口后的硅片通过各向同性腐蚀，得到硅基底的鸟盆型模子，对应图b)。

3)去除掩蔽膜后，在鸟盆型模子的表面CVD淀积牺牲层，也即后续步骤中电容式电极电容间隙的厚度，对应图c)。

4)CVD淀积重掺杂的多晶硅于牺牲层表面，作为鸟盆式谐振子的壳体材料对应图d)。

5)对硅片进行减薄，然后PVD淀积金属于多晶硅表面用作电气连接，对应图e)。

6)通过光刻工艺进行图形转移，HDP深硅刻蚀，得到硅片上的电容式电极开槽，对应图f)。

7)腐蚀牺牲层，得到鸟盆式壳层结构，对应图g)。

8)腐蚀玻璃基片，得到环形腔体，腔体与半球壳对应，对其中的底层玻璃衬底PVD淀积吸气剂，对应图h)。

9)顶层盖板与硅片阳极键合，对应图i)。

10)在顶层玻璃盖板淀积金属，形成金属电气引出，对应图j)。

11)在硅片背面光刻定义图形，HDP深硅刻蚀至穿通，对应图k)。

12)底层玻璃衬底与硅片背面阳极键合，完成圆片级真空封装，得到最终结果，对应图l)。

Claims (6)

1.一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪，其特征在于：包括由上而下依次是，位于顶层的打孔玻璃引线盖板；位于中间层的单晶硅结构层；位于底层的含有吸气剂的玻璃衬底。其中，在上述的顶层打孔玻璃引线盖板层，包括一个中心锥形电极引出孔和十六个旋转对称均匀分布的锥形电极引出孔；在上述的中间层的单晶硅结构层，包括谐振子中心支撑柱，鸟盆式谐振子和十六个固定的旋转对称均匀分布的电容式电极，所述的鸟盆式谐振子通过中心支撑柱固定在硅结构层上；上述的底层玻璃层包括一个环形腔体，腔体内淀积有吸气剂，用于完成真空封装，可以使鸟盆型谐振子工作在真空环境中。

2.根据权利要求1所述的一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪，其特征在于：所述顶层的十六个旋转对称的锥形电极引出孔与中间层的十六个固定的旋转对称均匀分布的电容式电极一一对应，用于完成对中间层电容电极的电气连接引出。所述顶层的中心锥形电极引出孔与谐振子的中心支撑柱对应，用于完成对硅微鸟盆式谐振子的电气连接引出。

3.根据权利要求1所述的一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪，其特征在于：所述位于顶层的引线玻璃盖板和所述位于底层的含有吸气剂玻璃衬底通过硅/玻璃阳极键合的方式与所述位于中间层的单晶硅结构层相连。

4.根据权利要求1所述的一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪，其特征在于：所述鸟盆型谐振子内直径为400μm～600μm，外直径为1800μm～2200μm，鸟盆深度为400μm～600μm，鸟盆型谐振子的厚度为1.5μm～2.5μm，所述十六个固定的旋转对称均匀分布的电容式电极的电容间隙为2μm～3μm。

5.根据权利要求1所述的一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪，其特征在于：所述的鸟盆型谐振子由CVD(化学气相沉积)淀积重掺杂硼的多晶硅制成，十六个固定的旋转对称均匀分布的电容式电极是通过对所述位于中间层的单晶硅结构层进行HDP(高密度等离子体刻蚀系统)深刻蚀制成。

6.根据权利要求1～5所述的一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1)制备硅微鸟盆型谐振子的模子

在硅晶圆片表面通过CVD(化学气相沉积)淀积Si₃N₄掩膜层，光刻定义所述鸟盆开口。HDP(高密度等离子体刻蚀系统)深刻蚀开槽，再各向同性腐蚀硅，去除掩蔽膜，得到硅微鸟盆型模型。

2)制备硅微鸟盆型谐振子

CVD淀积牺牲层，然后再淀积多晶硅用做鸟盆型谐振子的结构壳层，再将基片减薄，通过PVD(物理气相沉积)于多晶硅表面淀积金属，用作电气连接和接触保护。

3)正面刻蚀定义电极位置

通过光刻工艺进行图形转移，HDP(高密度等离子体刻蚀系统)深刻蚀定义十六个固定的旋转对称均匀分布的电容式电极位置。通过释放牺牲层，得到硅微鸟盆型谐振子壳层。

4)正面阳极键合引出电极

所述位于顶层机械打孔玻璃通过光刻、腐蚀等微加工工艺，形成与鸟盆对应的环形腔体；所述顶层打孔玻璃与所述中间单晶硅结构层阳极键合。通过PVD工艺淀积金属形成所述位于顶层的十六个旋转对称均匀分布的锥形电极引出孔。

5)背面刻蚀形成电极

所述中间层硅，通过光刻定义背面的十六个固定的旋转对称均匀分布的电容式电极区域，通过HDP深刻蚀工艺使所述十六个固定的旋转对称均匀分布的电极穿通。

6)背面键合完成圆片级真空封装

所述底层玻璃衬底通过光刻、腐蚀等工艺，定义环形腔体区域，在所述环形区域PVD淀积吸气剂，所述位于底层的玻璃衬底与所述位于中间层硅结构层阳极键合，形成玻璃/硅/玻璃“三明治”型的结构，完成圆片级真空封装。

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