[發明專利]一種混合式半球諧振微陀螺儀及其加工工藝

有效

• 申請號: 201610008727.3
• 申請日: 2016-01-07
• 公開（公告）號: CN105466405B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 夏敦柱;高海鈺
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 張華蒙

技術領域

本發明屬于微機電和慣性導航領域，具體涉及一種混合式半球諧振微陀螺儀及其加工工藝。

背景技術

半球型諧振陀螺儀是一種哥氏振動陀螺儀，它不僅具有較高的精度、分辨率、可靠性和抗輻射能力等優點，而且被公認為是目前使用壽命最長的陀螺儀，它可以連續工作15年以上并保持性能不變化。此外，其在空間領域的應用中所顯示的優勢是其他陀螺無法比擬的。

美國是最早研制半球諧振陀螺的國家，1956年首次申請并獲得半球諧振陀螺的發明專利。傳統的半球諧振陀螺是由熔融石英加工而成，加工難度大，成本較高，并且陀螺的體積較大，嚴重影響了陀螺的廣泛應用，也難以實現微型化。這些年來，隨著航天飛行任務日益長期化、復雜化，MEMS工藝和電子學水平的不斷提高，以及半球諧振陀螺所表現出的優勢，使得半球諧振陀螺成為國內外該領域科研院所的研究熱點。利用MEMS技術制作而成的微半球諧振陀螺具有體積小，成本低，功耗小，可批量生產等優點，具有廣泛的應用前景。然而，由于我國對半球諧振陀螺的研究起步較晚，并且微加工技術水平較低，和國外的加工技術還有一定的差距。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于提供一種混合式半球諧振微陀螺儀，結構簡單緊湊；本發明的另一目的在于提供混合式半球諧振微陀螺儀的加工工藝，在陀螺的性能不受影響的情況下，盡可能簡化的加工工藝。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種混合式半球諧振微陀螺儀，包括由上而下依次設置的上層玻璃襯底、電極層、硅結構層和下層玻璃襯底；其中，在上層玻璃襯底、電極層和硅結構層的中心設有圓形腔體，半球殼諧振子設置在圓形腔體中；所述的半球殼諧振子通過支撐柄固定在硅結構層上；所述的電極層包括配合使用的電極和外圍錨點結構，在所述的上層玻璃襯底設有配合電極使用的電極孔和小焊盤，小焊盤均布在上層玻璃襯底的邊緣，小焊盤分別通過金屬引線與上層玻璃襯底中的電極孔相連，其中，電極、小焊盤和電極孔均分別為十六個，一一對應設置；在所述的下層玻璃襯底中設有一個用來對半球殼諧振子施加基準電壓的電極孔，在所述的下層玻璃襯底的中心設有圓形鍵合區，該圓形鍵合區通過金屬引線與下層玻璃襯底中的電極孔相連，該電極孔與大焊盤相連，大焊盤設置在下層玻璃襯底的底面。

所述的半球殼諧振子的底部與支撐柄相連，支撐柄的底部通過硅—玻璃陽極鍵合與下層玻璃襯底中心處的圓形鍵合區相連，支撐柄的側壁與硅結構層底部的中心孔相連。

所述的小焊盤為方形，大焊盤為方形金屬焊盤；所述的上層玻璃襯底和下層玻璃襯底均為方形，電極孔為錐形。

所述的半球殼諧振子的直徑為1200~1500μm，厚度為1~5μm，半球殼諧振子和電極之間的間隙為5~20μm；半球殼陀螺儀的整體尺寸為3000μm×3000μm×1200μm。

所述的電極層是通過LPCVD沉積摻硼的多晶硅制成，電極是通過對電極層刻蝕而成。

一種混合式半球諧振微陀螺儀的加工工藝，包括以下步驟：

1）制備半球殼諧振子模型

清洗硅晶圓片，并利用CMP將硅晶圓片減薄到指定的厚度，在硅晶圓片表面熱生長SiO₂作為掩膜層，涂覆光刻膠，光刻，使用HF刻蝕SiO₂，將圓形開口暴露出來得到硅片；使用SF₆等離子體各向同性刻蝕硅片，在硅片中心區域形成半球型凹槽，得到半球殼諧振子模型；

2）形成半球殼諧振子和電極層

在硅片底面光刻，利用ICP工藝刻蝕圓形中心孔，使得中心孔穿透硅片制作支撐柄；在硅片上面光刻、ICP刻蝕，形成電極槽，去除光刻膠和SiO₂；在硅片上面熱生長二氧化硅，在二氧化硅上LPCVD多晶硅，摻雜，退火，形成半球殼和電極層；

3）形成電極

在多晶硅上涂光刻膠，利用ICP工藝刻蝕多晶硅，形成電極，電極層刻蝕完以后就可以得到了分離的電極，去除光刻膠；在多晶硅上熱生長SiO₂作為掩膜層，涂光刻膠曝光、顯影，使用HF刻蝕電容間隙處的SiO₂；使用DRIE SF₆/XeF₂各向同性刻蝕，刻蝕掉電極和半球殼諧振子之間的硅，先去除光刻膠，再去除SiO₂；

4）形成圓形腔體和電極孔