一种混合式半球谐振微陀螺仪及其加工工艺

摘要

本发明公开一种混合式半球谐振微陀螺仪，属于微机电和惯性导航领域，其由上而下依次设置的上层玻璃衬底、电极层、硅结构层和下层玻璃衬底；其中，在上层玻璃衬底、电极层和硅结构层的中心设有圆形腔体，半球壳谐振子设置在圆形腔体中；半球壳谐振子通过支撑柄固定在硅结构层上；电极层包括配合使用的电极和外围锚点结构，在上层玻璃衬底设有配合电极使用的电极孔和小焊盘，小焊盘均布在上层玻璃衬底的边缘，小焊盘分别通过金属引线与上层玻璃衬底中的电极孔相连；本发明还公开了一种混合式半球谐振微陀螺仪的加工工艺。本发明的陀螺仪将结构层和玻璃衬底进行阳极键合的同时完成了真空封装，减少了工艺步骤；本发明的加工工艺，降低了加工成本。

说明书

技术领域

本发明属于微机电和惯性导航领域，具体涉及一种混合式半球谐振微陀螺仪及其 加工工艺。

背景技术

半球型谐振陀螺仪是一种哥氏振动陀螺仪，它不仅具有较高的精度、分辨率、可靠 性和抗辐射能力等优点，而且被公认为是目前使用寿命最长的陀螺仪，它可以连续工作15 年以上并保持性能不变化。此外，其在空间领域的应用中所显示的优势是其他陀螺无法比 拟的。

美国是最早研制半球谐振陀螺的国家，1956年首次申请并获得半球谐振陀螺的发 明专利。传统的半球谐振陀螺是由熔融石英加工而成，加工难度大，成本较高，并且陀螺的 体积较大，严重影响了陀螺的广泛应用，也难以实现微型化。这些年来，随着航天飞行任务 日益长期化、复杂化，MEMS工艺和电子学水平的不断提高，以及半球谐振陀螺所表现出的优 势，使得半球谐振陀螺成为国内外该领域科研院所的研究热点。利用MEMS技术制作而成的 微半球谐振陀螺具有体积小，成本低，功耗小，可批量生产等优点，具有广泛的应用前景。然 而，由于我国对半球谐振陀螺的研究起步较晚，并且微加工技术水平较低，和国外的加工技 术还有一定的差距。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种混合式半球谐振微陀螺仪，结构简单紧凑； 本发明的另一目的在于提供混合式半球谐振微陀螺仪的加工工艺，在陀螺的性能不受影响 的情况下，尽可能简化的加工工艺。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种混合式半球谐振微陀螺仪，包括由上而下依次设置的上层玻璃衬底、电极层、硅结 构层和下层玻璃衬底；其中，在上层玻璃衬底、电极层和硅结构层的中心设有圆形腔体，半 球壳谐振子设置在圆形腔体中；所述的半球壳谐振子通过支撑柄固定在硅结构层上；所述 的电极层包括配合使用的电极和外围锚点结构，在所述的上层玻璃衬底设有配合电极使用 的电极孔和小焊盘，小焊盘均布在上层玻璃衬底的边缘，小焊盘分别通过金属引线与上层 玻璃衬底中的电极孔相连，其中，电极、小焊盘和电极孔均分别为十六个，一一对应设置；在 所述的下层玻璃衬底中设有一个用来对半球壳谐振子施加基准电压的电极孔，在所述的下 层玻璃衬底的中心设有圆形键合区，该圆形键合区通过金属引线与下层玻璃衬底中的电极 孔相连，该电极孔与大焊盘相连，大焊盘设置在下层玻璃衬底的底面。

所述的半球壳谐振子的底部与支撑柄相连，支撑柄的底部通过硅—玻璃阳极键合 与下层玻璃衬底中心处的圆形键合区相连，支撑柄的侧壁与硅结构层底部的中心孔相连。

所述的小焊盘为方形，大焊盘为方形金属焊盘；所述的上层玻璃衬底和下层玻璃 衬底均为方形，电极孔为锥形。

所述的半球壳谐振子的直径为1200~1500μm，厚度为1~5μm，半球壳谐振子和电极 之间的间隙为5~20μm；半球壳陀螺仪的整体尺寸为3000μm×3000μm×1200μm。

所述的电极层是通过LPCVD沉积掺硼的多晶硅制成，电极是通过对电极层刻蚀而 成。

一种混合式半球谐振微陀螺仪的加工工艺，包括以下步骤：

1）制备半球壳谐振子模型

清洗硅晶圆片，并利用CMP将硅晶圆片减薄到指定的厚度，在硅晶圆片表面热生长SiO₂作为掩膜层，涂覆光刻胶，光刻，使用HF刻蚀SiO₂，将圆形开口暴露出来得到硅片；使用SF₆等 离子体各向同性刻蚀硅片，在硅片中心区域形成半球型凹槽，得到半球壳谐振子模型；

2）形成半球壳谐振子和电极层

在硅片底面光刻，利用ICP工艺刻蚀圆形中心孔，使得中心孔穿透硅片制作支撑柄；在 硅片上面光刻、ICP刻蚀，形成电极槽，去除光刻胶和SiO₂；在硅片上面热生长二氧化硅，在 二氧化硅上LPCVD多晶硅，掺杂，退火，形成半球壳和电极层；

3）形成电极

在多晶硅上涂光刻胶，利用ICP工艺刻蚀多晶硅，形成电极，电极层刻蚀完以后就可以 得到了分离的电极，去除光刻胶；在多晶硅上热生长SiO₂作为掩膜层，涂光刻胶曝光、显影， 使用HF刻蚀电容间隙处的SiO₂；使用DRIESF₆/XeF₂各向同性刻蚀，刻蚀掉电极和半球壳谐 振子之间的硅，先去除光刻胶，再去除SiO₂；

4）形成圆形腔体和电极孔

在上层玻璃衬底底面溅射Cr/Au或Ti/Au或TiW/Au层作为掩膜，涂光刻胶、曝光、显影， 用湿法刻蚀上层玻璃衬底底面，形成圆形凹槽，该圆形凹槽配合步骤3）刻蚀电极层和硅结 构层得到的空间，组合后一起形成圆形腔体，去除光刻胶和掩膜层；在上层玻璃衬底上面溅 射Cr/Au或Ti/Au或TiW/Au层作为掩膜，涂光刻胶、曝光、显影、湿法刻蚀，直到刻穿为止，形 成电极孔；

5）制备焊盘，连接金属引线

在上层玻璃衬底正面涂光刻胶、曝光、显影、湿法刻蚀，形成方形焊盘槽和信号引线槽， 去除光刻胶和Cr/Au掩膜层；在上层玻璃衬底上涂光刻胶、曝光、显影、溅射金属铬和金，形 成小焊盘和金属引线；

在下层玻璃衬底上双面溅射Cr/Au或Ti/Au或TiW/Au层作为掩膜，涂光刻胶、曝光、显 影、湿法刻蚀下层玻璃衬底正面，形成圆形键合区和引线槽；在下层玻璃衬底底面涂光刻 胶、曝光、显影、湿法刻蚀，直到刻穿为止，形成电极引线孔；去除下层玻璃衬底上的光刻胶 和Cr/Au掩膜，涂覆光刻胶曝光、显影、双面溅射金属铬和金，形成金属键合区、金属引线和 大焊盘；

6）组合封装

将结构层硅晶圆片与金属引线的下层玻璃衬底进行硅-玻璃阳极键合；使用HF超临界 干燥法刻蚀SiO₂，释放结构，以避免粘连；将结构层晶硅圆片与上层玻璃衬底进行硅-玻璃 阳极键合，并进行真空封装。

步骤2）中，刻蚀的电极槽在硅片沿径向定义且为一个以上；以增强电极层和结构 层的粘附力，防止脱落。步骤5）中，电极槽的刻蚀深度可以调整，使得电极的高度可调。

步骤2）中，所述的半球壳谐振子和电极层均是通过LPCVD沉积掺硼的多晶硅制成； 避免了半球壳谐振子和电极层分两次沉积，减少了工艺步骤，降低了加工成本。

步骤4）中，在所述的圆形凹槽中沉积纳米吸气剂；以保证真空封装的真空度。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种混合式半球谐振微陀螺仪，通过增加了 上、下两层玻璃衬底，提供了焊盘和金属引线，为施加基准电压和信号的提取提供了方便； 将结构层和玻璃衬底进行阳极键合的同时完成了真空封装，减少了工艺步骤；本发明的一 种混合式半球谐振微陀螺仪的加工工艺，通过带有支撑柄的半球壳谐振子和电极层是通过 同时LPCVD沉积多晶硅制成，避免了半球壳和电极层分两次沉积，减少了工艺步骤，降低了 加工成本。

附图说明

图1为一种混合式半球谐振微陀螺仪的结构示意图；

图2为一种混合式半球谐振微陀螺仪的俯视图；

图3为图2沿A-A面的剖视图；

图4为一种混合式半球谐振微陀螺仪的加工工艺流程图。

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1-3所示，一种混合式半球谐振微陀螺仪，包括半球壳谐振子1、硅结构层2、电 极层3、上层玻璃衬底4、下层玻璃衬底5、电极6、外围锚点结构7、支撑柄8、电极孔9、小焊盘 10、圆形键合区11、大焊盘12、金属引线13和圆形腔体14。上层玻璃衬底4和下层玻璃衬底5 的材料均为PYREX7740。

半球壳谐振子1通过支撑柄8固定在硅结构层2上，电极层3包括配合使用的电极6 和外围锚点结构7，电极6为十六个，电极6围绕半球壳1的周向均匀分布；在

上层玻璃衬底4中有十六个与均布式电极相对应的电极孔9，用于施加驱动力以及实现 检测、正交等信号的传输，在下层玻璃衬底5上设有一个用来对半球壳1施加基准电压的电 极孔9。在上层玻璃衬底4、电极层3和硅结构层2的中心设有圆形腔体14，半球壳谐振子1设 置在圆形腔体14中；圆形腔体14由上层玻璃衬底上的圆形凹槽配合步骤3）刻蚀电极层3和 硅结构层2得到的空间，通过组合封装一起形成圆形腔体14；硅结构层2、电极层3和半球壳 谐振子1均属于结构层，圆形凹槽是在上层玻璃衬底4上刻蚀而成，主要是避免半球壳谐振 子和玻璃衬底发生碰撞。

半球壳谐振子1的底部与支撑柄8相连，支撑柄8底部通过硅—玻璃键合与下层玻 璃衬底5中心处的圆形键合区11相连，支撑柄8的侧壁与硅结构层2底部的中心孔相连，使得 半球壳谐振子1固定在硅结构层2上。

在上层玻璃衬底4的上面设有小焊盘10，小焊盘10为方形，小焊盘10为十六个，小 焊盘10为均布在正方形的四边，每个小焊盘10通过金属引线13与相应的上层玻璃衬底4中 的电极孔9相连；下层玻璃衬底5正面的中心位置有圆形键合区11，圆形键合区11通过金属 引线13与电极孔9相连，电极孔9与其背面的大焊盘12相连，大焊盘12为方形金属焊盘。上层 玻璃衬底4和下层玻璃衬底5均为方形，电极孔9为锥形。

电极层3是通过LPCVD沉积掺硼的多晶硅制成，十六个均匀分布的电极6是通过对 电极层3刻蚀而成。LPCVD沉积是低压化学气相沉积。半球壳谐振子1的直径为1200~1500μm， 厚度为1~5μm，半球壳谐振子1和电极6之间的间隙为5~20μm；半球壳陀螺仪的整体尺寸为 3000μm×3000μm×1200μm。

如图（4）所示，图4（a）~图4（k）对应下述步骤1）-11）。CMP是化学机械抛光，ICP工艺 是电感耦合等离子体刻蚀，HF是轻氟酸，HF超临界干燥法就是将HF气化，然后刻蚀。

一种混合式半球谐振微陀螺仪的加工工艺，包括以下步骤：

1）清洗硅晶圆片,并利用CMP将硅晶圆片减薄到指定的厚度，以便制作结构层；

2）在结构层硅表面热生长SiO₂作为掩膜层，光刻并刻蚀SiO₂，在中心区域开口，使用SF₆等离子体各向同性刻蚀硅片，形成半球型凹槽；

3）在硅片背面光刻，利用ICP工艺刻蚀圆形中心孔，使得中心孔穿透硅片QUOTE以便 于制作支撑柄；

4）在硅片正面光刻、ICP刻蚀，形成电极槽，去除光刻胶和SiO₂；

5）在硅片正面热生长二氧化硅，LPCVD多晶硅，掺杂，退火，形成半球壳和电极层，光刻 并刻蚀电极层，形成电极；

6）在硅片正面热生长SiO₂作为掩膜层，光刻并刻蚀SiO₂，在电容间隙处开口，使用DRIE SF₆/XeF₂各向同性刻蚀，刻蚀掉电极和半球壳之间的硅；

7）在上层玻璃衬底反面光刻并湿法刻蚀上层玻璃衬底反面，形成圆形凹槽，在正面光 刻并湿法刻蚀，形成电极孔通孔，重新涂胶，光刻并湿法刻蚀，形成方形焊盘槽和信号引线 槽；

8）在下层PYREX7740玻璃基底正面光刻并湿法刻蚀，形成圆形键合区和引线槽，在反面 光刻并湿法刻蚀，形成电极通孔；

9）在上、下层玻璃衬底上溅射金属铬（Cr）和金（Au），形成金属键合区、信号引线及焊 盘；

10）将结构层硅晶圆片与带有金属电极和引线的下层玻璃基底进行硅-玻璃阳极键合， 并使用HF刻蚀SiO₂，释放结构；

11）将结构层晶硅圆片与上层玻璃衬底进行硅—玻璃阳极键合，并进行真空封装。

步骤4）中，可以沿径向定义并刻蚀一个以上的电极槽，以增强电极层和结构层的 粘附力，防止脱落。步骤4）中，电极槽的刻蚀深度可以调整，使得电极6的高度可调。步骤5） 中，带有支撑柄8的半球壳谐振子1和电极层3是通过LPCVD沉积掺硼的多晶硅制成，避免了 半球壳1和电极层3分两次沉积，减少了工艺步骤，降低了加工成本。步骤7）中，可以在制成 的圆形凹槽14中沉积纳米吸气剂，以保证真空封装的真空度。