CN203310419U

CN203310419U - 一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪

Info

Publication number: CN203310419U
Application number: CN2013202604473U
Authority: CN
Inventors: 夏敦柱; 孔伦; 虞成; 胡异炜
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2023-05-14

Abstract

本实用新型公开一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，包括第一硅片、第二硅片、微半球壳、驱动电极和检测电极，所述微半球壳设在第一硅片和第二硅片之间，微半球壳壳底与第二硅片固定连接，微半球壳上边缘与第一硅片的下表面接触；所述驱动电极设在第一硅片和第二硅片之间、微半球壳的外围，驱动电极一端与第二硅片固定连接，另一端与第一硅片活动连接；所述检测电极一端与第一硅片固定连接，另一端与微半球壳内壁活动连接。本实用新型双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，预期可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有极为广阔的应用前景。

Description

一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪

技术领域

本实用新型涉及微机电陀螺仪的设计领域，特别是一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪。

背景技术

从20世纪50年代以来，陀螺仪的发展大致经历了液浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪、环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪、振动陀螺仪等阶段，直到目前发展到了比较热门的微电子机械系统(micro-electro-mechanical-system，MEMS)陀螺仪。在这些形式、结构以及原理各不相同的陀螺仪中，基于振动理论的振动陀螺仪由于没有高速旋转的转子和相应的支承系统，因而具有结构简单、性能稳定、可靠性高、承载能力大、体积小、成本低的特点，其基本原理是利用高频振动的物体在旋转时所产生的哥氏（Coriolis）效应来测量角速度。目前有音叉振动陀螺仪、压电振动陀螺仪、壳体谐振陀螺仪等结构形式。在各类振动陀螺仪中，半球谐振陀螺仪（Hemispherical Resonator Gyroscope,简写为HRG）是未来最具发展前景的陀螺仪之一。

美国是世界上最早开始研究HRG的国家，早在20世纪60年代，美国的Delco公司就着手开发HRG，并于1979年首次申请并获得HRG的实用新型专利。此后，HRG的研究应用得到了快速发展，并在捷联导航系统、哈勃太空望远镜以及NEAR宇宙飞船、A2100系列卫星、Cassini宇宙飞船等空间飞行器上得到成功应用。俄罗斯的HRG研制起步早，在陀螺仪的设计、信号处理以及系统设计上，其理论都是相当领先的。2002年底，俄罗斯拉明斯克设计局研制的HRG已完成项目的全部论证，并考虑正式投入装备应用。英国于1984年开始研究HRG的工作原理，英国宇航系统与设备有限公司早就在研究圆柱壳式振动陀螺仪，并有向HRG发展的趋向。法国利用俄罗斯的人员和技术，已开发出直径为20mm的HRG。此外，中国台湾大学对半球谐振陀螺仪模态进行了分析，并对谐振子半径为50mm的样机进行了试验研究。北京航空航天大学、东北大学、南京航空航天大学等从理论上对半球谐振子的参数设计、振动等问题进行了分析。中国电子科技集团26所一直坚持HRG的研制工作，并已取得了较大的进展，它前期利用俄罗斯技术，在直径为60mm的HRG制作工艺上取得了突破，开发出了相应的高性能样机，目前主要开发直径为30mm的HRG，并于2012年10月成功完成卫星闭环控制实验。

以上所述的半球谐振陀螺仪皆属于传统型半球谐振陀螺仪，其尺寸相对较大（毫米量级以上），不能称得上为微陀螺仪，这也从一方面限制了它的应用范围。利用MEMS技术制造而成的硅微半球谐振陀螺仪将具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，预期可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有极为广阔的应用前景。

然而目前，与微半球谐振陀螺仪的广阔发展前景相对应的是，我国的微加工技术水平较低，与国外的先进技术水平还存在一定的差距，这很大程度上限制了我国微半球谐振陀螺的生产与应用。因此，研究出符合我国国情的微加工工艺技术，并在此基础上进一步提升是提高我国微加工技术水平的关键所在。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型要解决的技术问题在于提供一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪。

技术方案：本实用新型所述的双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，包括第一硅片、第二硅片、微半球壳、驱动电极和检测电极，所述微半球壳设在第一硅片和第二硅片之间，微半球壳壳底与第二硅片固定连接，微半球壳上边缘与第一硅片的下表面接触；所述驱动电极设在第一硅片和第二硅片之间、微半球壳的外围，驱动电极一端与第二硅片固定连接，另一端与第一硅片活动连接；所述检测电极一端与第一硅片固定连接，另一端与微半球壳内壁活动连接。

为了能够达到体积小、重量轻，所述微半球壳直径为1-3毫米，厚度为5-15微米。

为了便于组装，所述第一硅片上设有与驱动电极对应的插孔。

作为优选，所述驱动电极为4n个，其中n为大于或等于1的整数。

为了保持器件真空封装的真空度，第一硅片上、且与第二硅片相对一面设有纳米吸气剂。

为了使微半球壳能被静电驱动，所述微半球壳材料为金属或二氧化硅，当微半球壳材料为金属时，保护多晶硅电极的材料为二氧化硅；当微半球壳材料为二氧化硅时，保护多晶硅电极的材料为氮化硅，并且在释放微半球壳后对其进行金属化处理。

一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪的加工方法，主要包括以下步骤：

（1）在第二硅片上淀积出二氧化硅的掩模，并在中间开口以刻蚀微半球模子，在四周开口以刻蚀驱动电极；

（2）将中间开口用光刻胶封住，在四周开口上用DRIE（即深反应离子刻蚀技术，可采用德国Bosch公司实用新型的时分复用法或日本Hitachi公司实用新型的低温刻蚀法）刻蚀技术刻蚀八个深槽；

（3）去除二氧化硅掩模，并将硅整体刻下3-7微米；

（4）在深槽中通过高温氧化生长二氧化硅，接着利用低压化学气相淀积多晶硅，将深槽填满，然后以硼掺杂多晶硅并高温扩散得到高导电性的驱动电极并氧化驱动电极；

（5）用SF₆各向同性刻蚀微半球模子，并通入氢气在高温下退火；

（6）通过溅射、淀积或热氧化的方法制备微半球结构，化学机械研磨去除上表面淀积或溅射得到的结构材料，将单晶硅暴露在外；

（7）选择SF6、XeF2、TMAH或KOH，释放球壳结构，然后用氢氟酸或BOE去除驱动电极表面的二氧化硅；

（8）在第一硅片上加工检测电极，检测电极的加工利用改进的Glass reflow工艺，其具体步骤为：第一，在高度掺杂的硅片上刻蚀出直立长50微米的柱子；第二，利用阳极键合技术，在300摄氏度的真空中将一个厚度500微米的硼硅酸盐玻璃片与刻蚀完成的硅片键合一起，硅片上被刻蚀的一面朝向玻璃；第三，将键合好的硅片在高温炉中加热到750摄氏度，真空使得玻璃在融化的状态下被真空吸入刻蚀出的槽中；第四，化学机械研磨将玻璃片磨平，并且使得硅暴露；第五，进行一次背面对准的光刻，将作为检测电极的柱子刻蚀出来，从而得到检测电极结构。

（9）将集成了检测电极的第一硅片与集成了微半球壳和驱动电极的第二硅片进行键合组装，并进行真空封装。

上述步骤（7）中BOE为Buffered Oxide Etch的缩写，是HF与NH₄F依不同比例混合而成的BOE缓冲蚀刻液，6:1BOE蚀刻即表示HF：NH₄F=1：6的成分混合而成。HF为主要的蚀刻液，NH₄F则作为缓冲剂使用。

作为优选，所述步骤（2）中，八个深槽的深度为180-220微米、宽为8-12微米。

为了能够在高温扩散的过程中形成电极，所述步骤（4）中，在淀积多晶硅前，对已氧化的二氧化硅进行掺杂使得硼附着在二氧化硅表面。

为了保持器件真空封装的真空度，所述步骤（8）得到检测电极后，在第一硅片上、且与第二硅片相对一面增设纳米吸气剂。

本实用新型未特别限定的技术均为现有技术。

有益效果：本实用新型具有以下有益效果：

一、采用硅材料作为加工结构，硅具有很好的实现电学性能和机械性能的优点，通过MEMS工艺加工，成本低，可大批量生产。

二、该微半球谐振陀螺仪性能稳定、结构简单、可靠性高、承载能力大、成本低、功耗小，性能相比于传统半球谐振陀螺仪来说有了进一步提升，其尺寸更小，品质因数更高，重量更轻，应用范围也更广。

三、提出了一种加工该微半球谐振陀螺仪谐振子的加工方法，该加工方法结合了表面微加工技术与体微加工技术。具体来说，该加工方法将驱动电极与微半球壳集成做在同一块硅片上，这样的好处是使驱动电极与微半球壳实现自对准，从而简化装配和封装的过程，也可以减低由于装配误差引起的正交误差信号。

本实用新型双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，预期可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有极为广阔的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪的结构示意图；

图2为双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪第一硅片的结构示意图；

图3为双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪第二硅片的结构示意图；

图4为双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪材料展示图；

图4（a）-图4（h）为双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪主要的加工工艺流程图；

图中1插孔、2纳米吸气剂、3检测电极、4微半球壳、5驱动电极、6第一硅片、7第二硅片、8单晶硅、9二氧化硅、10光刻胶、11多晶硅、12球壳材料、13Pyrex、14纳米吸气剂。

具体实施方式

实施例1

如图1-3所示一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，包括第一硅片、第二硅片、微半球壳、驱动电极和检测电极，所述微半球壳设在第一硅片和第二硅片之间，微半球壳壳底与第二硅片固定连接，微半球壳上边缘与第一硅片的下表面接触；所述驱动电极设在第一硅片和第二硅片之间、微半球壳的外围，驱动电极一端与第二硅片固定连接，另一端与第一硅片活动连接；所述检测电极一端与第一硅片固定连接，另一端与微半球壳内壁活动连接。

图2所示为在第一硅片结构示意图，包括插孔1、纳米吸气剂2、检测电极3、第一硅片6。图3所示为在第二硅片的结构示意图，包括微半球壳4、驱动电极5、第二硅片7。

本实用新型双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪的结构尺寸小，其特征尺寸——直径仅为1毫米，微半球壳厚度为10微米，在真空封装条件下，其谐振品质因数可高达百万级，测量灵敏度大，稳定性好，抗干扰能力强，性能远远优于传统半球谐振陀螺仪。

如图4（a）～（h）所示为该微半球谐振陀螺仪的主要加工流程——微半球壳的加工工艺流程图，其中图4（h）还示意出了各晶片的组装封装方法。

上述双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪的加工方法，主要包括以下步骤：

（1）在一片单晶硅上淀积出二氧化硅的掩模，并在中间开口以刻蚀微半球模子，在四周开口以刻蚀外电极驱动电极；

（2）将中间开口用光刻胶封住，在四周开口上用DRIE技术（即深反应离子刻蚀技术，可采用德国Bosch公司实用新型的时分复用法或日本Hitachi公司实用新型的低温刻蚀法）刻蚀八个深为200微米、宽为10微米的高深宽比深槽；

（3）去除二氧化硅掩模，并将硅整体刻下5微米，为后续的化学机械研磨（CMP）做准备；

（4）在深槽中通过高温氧化生长2微米的二氧化硅，接着利用低压化学气相淀积（LPCVD）多晶硅，需要5微米多晶硅能将深槽填满，然后以硼掺杂多晶硅并高温扩散得到高导电性的电极，最后还需要氧化多晶硅电极以便在后续刻蚀硅的过程中保护好电极不被损坏；

（5）用SF6各向同性刻蚀微半球模子，并通入氢气在高温下退火以降低表面粗糙度；

（6）通过溅射法制备微半球结构，化学机械研磨（CMP）去除上表面溅射得到的结构材料，从而将单晶硅暴露在外以便后续释放球壳；

（7）用SF₆干法刻蚀，释放微半球壳，然后用氢氟酸或BOE去除电极表面的二氧化硅以便暴露多晶硅电极；

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是:

上述双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪的加工方法中步骤（6）中通过淀积法制备微半球结构，化学机械研磨（CMP）去除上表面淀积得到的结构材料，从而将单晶硅暴露在外以便后续释放球壳。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的是:

上述双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪的加工方法中步骤（7）中：用TMAH湿法腐蚀，释放球壳结构，然后用氢氟酸或BOE去除电极表面的二氧化硅以便暴露多晶硅电极。

工作原理：微半球谐振陀螺仪的各个晶片是利用覆晶技术（Flip chip，即倒晶封装法）进行组装的，其对准误差可以精确控制在1微米以下，而且由于驱动电极已经与微半球壳集成在同一块硅片上，因此只需进行一次倒晶法将检测电极和微半球壳所在的两块硅片组装，最后再进行真空封装即可。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims

1.一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：包括第一硅片、第二硅片、微半球壳、驱动电极和检测电极，所述微半球壳设在第一硅片和第二硅片之间，微半球壳壳底与第二硅片固定连接，微半球壳上边缘与第一硅片的下表面接触；所述驱动电极设在第一硅片和第二硅片之间、微半球壳的外围，驱动电极一端与第二硅片固定连接，另一端与第一硅片活动连接；所述检测电极一端与第一硅片固定连接，另一端与微半球壳内壁活动连接。

2.如权利要求1所述的双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述微半球壳直径为1-3毫米，厚度为5-15微米。

3.如权利要求1所述的双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述第一硅片上设有与驱动电极对应的插孔。

4.如权利要求1所述的双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极为4n个，其中n为大于或等于1的整数。

5.如权利要求1-4任意一项所述的双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，其特征在于：第一硅片上、且与第二硅片相对一面设有纳米吸气剂。