一种基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪及其加工方法

摘要

本发明公开了一种基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪及其加工方法，微陀螺仪由上至下包括盖帽和晶圆，所述晶圆包括上层的器件层和下层的衬底层，器件层设有若干电极、谐振子、第一光学微腔、第二光学微腔、第一光波导和第二光波导，所述电极与谐振子内壁相邻，构成电容，第一光波导和第二光波导对称分布于谐振子两侧，第一光学微腔和第二光学微腔分别与第一光波导和第二光波导相邻，且第一光学微腔和第二光学微腔均与谐振子相连。本发明采用光学检测方案，相比传统的微机电陀螺仪，该陀螺仪的可靠性和测量精度都可以达到一个更高的水平。

说明书

技术领域

本发明涉及微光机电和惯性导航装置及工艺，特别是涉及一种基于光学微腔的全解耦环形陀螺仪及其加工方法。

背景技术

MOEMS陀螺仪是在MEMS陀螺仪的基础上发展出来的一种新型陀螺仪，通过MEMS加工技术为基础，结合了灵敏度更高的光学检测部件，实现角速度检测。该类器件兼具了MEMS器件尺寸小、质量轻、成本低、易集成和微光学器件测量精度高、具有抗电磁干扰能力等优点，是一种非常优秀的高精度微型陀螺仪。

光学微腔属于回音壁式(Whispering Gallery Mode，WGM)光学微腔，该微腔特点为光子可以在微腔边界全反射，具有很高的Q值，当光波导内的入射光仅有与微腔的谐振频率一致的光可以耦合进腔内，因此，可以视为一个光学滤波器，当存在外界环境的扰动时，将导致微腔的谱线发生明显的变化，即滤波频段变化，通过这种变化，可以推算出外界扰动的大小。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，实现高精度陀螺仪的微型化，本发明提供一种基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪及其加工工艺。

技术方案：本发明提供了一种基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪，由上至下包括盖帽和晶圆，所述晶圆包括上层的器件层和下层的衬底层，器件层设有若干电极、谐振子、第一光学微腔、第二光学微腔、第一光波导和第二光波导，所述电极与谐振子内壁相邻，构成电容，第一光波导和第二光波导对称分布于谐振子两侧，第一光学微腔和第二光学微腔分别与第一光波导和第二光波导相邻，且第一光学微腔和第二光学微腔均与谐振子相连。

优选的，所述谐振子为圆盘状，其由内向外依次包括内环、内盘、中环、中盘、外环和外盘，外盘上设有若干解耦梁，所述电极与谐振子内环相邻，构成电容，所述外盘周围为隔离结构。

优选的，所述电极有四个，其均匀排布于谐振子内环内侧，电极与谐振子内环构成电容，输入电信号后，产生静电力，从而驱动各环与各盘结构振动，产生声波。

优选的，所述光学微腔为圆盘状，位于谐振子边缘位置，光波导为直波导结构，与光学微腔相切，用以光的输入与输出。

优选的，所述盖帽为硅盖帽，位于所述谐振子正上方，所述盖帽上设有若干电极通孔，与所述电极一一对应，电极通过电极通孔与金属引线电连接，实现电信号的输入。

优选的，所述硅盖帽在一片硅晶圆上加工完成，电极通孔为锥形孔，在硅盖帽的下表面四周沉积了键合金属层，用于实现盖帽与晶圆的键合。

优选的，所述谐振子和电极在一片SOI晶圆的器件层上加工得到，光波导和光学微腔通过LPCVD在谐振子所在的SOI晶圆器件层表面沉积的氧化硅层加工而成。

一种基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：

(1)清洗晶圆，干燥，在晶圆器件层表面采用低压化学气相沉积方法沉积一层导光层，用于光波导与光学微腔的加工；

(2)清洗、干燥步骤(1)的晶圆表面后，在导光层表面涂一层粘附剂，再旋涂一层电子束曝光胶并固化；

(3)在步骤(2)得到的电子束曝光胶层，利用电子束曝光，定义光波导与光学微腔的图案与位置，然后进行显影和后烘；

(4)在步骤(3)基础上，采用干法刻蚀工艺，在导光层加工得到光波导和光学微腔，之后去除残留的电子束曝光胶；

(5)清洗干燥步骤(4)加工的晶圆后，在器件层表面喷涂光刻胶并固化，然后利用第一块掩膜版将电极、圆盘谐振子的图案转移到光刻胶层；

(6)在步骤(5)的基础上，利用深反应离子刻蚀加工得到电极和谐振子，之后湿法腐蚀，去除圆盘谐振子下方的部分掩埋氧化层，接着去除残留光刻胶；

(7)另取一片硅晶圆，清洗，干燥表面后，在下表面旋涂光刻胶，利用第二块掩膜版，通过光刻定义出金属键合区的图案，接着依次沉积一层铬金属和金层，采用lift-off工艺，剥离得到键合区，去除残留光刻胶；

(8)在步骤(7)得到的盖帽的上表面旋涂光刻胶，利用第三块掩膜版，通过光刻定义出电极孔的图案，然后湿法刻蚀，在盖帽上开出电极孔，之后，清洗残留光刻胶；

(9)将步骤(8)的盖帽与步骤(5)得到的结构通过金硅键合工艺实现键合，得到完整的光声波陀螺仪结构。

优选的，所述步骤(1)中沉积的导光层材料为氧化硅、氮化硅、磷化铟或砷化镓。

优选的，所述导光层材料为氧化硅时，步骤(1)中沉积导光层时，采用低压化学气相沉积方法或采用在SOI晶圆器件层表面，以硅热氧化工艺产生。

有益效果：与现有技术相比，本发明借助光学微腔测量声波的变化，从而实现对角速度的测量。由于采用光学检测方案，相比传统的微机电陀螺仪，该陀螺仪的可靠性和测量精度都可以达到一个更高的水平。本发明具有测量精度高、不受电磁干扰、全解耦等优点。

附图说明

图1是本发明剖分结构示意图；

图2是图1中谐振子、光学微腔和光波导的俯视图；

图3是图1中的盖帽的背面示意图；

图4是图1和图2中的光学微腔和光波导的局部放大图；

图5是图1中沿AA面的剖面图；

图6是本发明的加工工艺流程图。

图中：1是用于加工谐振器和电极的SOI晶圆，2是硅盖帽，3是圆盘谐振子，4是光学微腔，5是光波导，21是硅盖帽上的电极通孔，22是键合金属层31是电极，32是内环结构，33是内盘结构，34是中环，35是中盘，36是外环，37是外盘，38是隔离，39是解耦梁，40(图5中虚线框内凸起部分)是锚点。

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的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。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。

一种基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪，由上至下包括盖帽和晶圆，所述晶圆包括上层的器件层和下层的衬底层，器件层设有若干电极、谐振子、第一光学微腔、第二光学微腔、第一光波导和第二光波导，所述电极与谐振子内壁相邻，构成电容，第一光波导和第二光波导对称分布于谐振子两侧，第一光学微腔和第二光学微腔分别与第一光波导和第二光波导相邻，且第一光学微腔和第二光学微腔均与谐振子相连。

所述谐振子为圆盘状，其由内向外依次包括内环、内盘、中环、中盘、外环和外盘，外盘上设有若干解耦梁，所述电极与谐振子内环相邻，构成电容，所述外盘周围为隔离结构。所述电极有四个，其均匀排布于谐振子内环内侧，电极与谐振子内环构成电容，输入电信号后，产生静电力，从而驱动各环与各盘结构振动，产生声波。所述光学微腔为圆盘状，位于谐振子边缘位置，光波导为直波导结构，与光学微腔相切，用以光的输入与输出。所述盖帽为硅盖帽，位于所述谐振子正上方，所述盖帽上设有若干电极通孔，与所述电极一一对应，电极通过电极通孔与金属引线电连接，实现电信号的输入。所述硅盖帽在一片硅晶圆上加工完成，并通过金硅键合工艺与谐振子实现键合。所述谐振子和电极在一片SOI晶圆的器件层上加工得到，光波导和光学微腔通过LPCVD在谐振子所在的SOI晶圆器件层表面沉积的氧化硅层加工而成。

实施例1

如图1-5所示，一种基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪，包括一个具有解耦特性的圆盘状谐振子3，一组用于输入电信号的电极31，两个用于实现角速度检测的光学微腔4，两组用于实现光传输的光波导5，一组用于实现封装的硅盖帽2；谐振子和电极在SOI晶圆1的器件层上加工得到；光波导和光学微腔通过LPCVD(低压力化学气相沉积法)在谐振子3表面沉积的氧化硅层加工而成；硅盖帽2在一片硅晶圆上加工完成，并通过金硅键合工艺与谐振子实现键合。

所述用于实现封装的硅盖帽位于所述的谐振子正上方，盖帽上共计4个电极通孔，与所述的电极一一对应，通过电极通孔，可以实现金属引线与电极互连，从而实现电信号的输入。所述的硅盖帽2内的电极通孔21为锥形孔，在其下表面四周沉积了键合金属层22，用于实现盖帽与SOI晶圆的键合。

所述的电极31与谐振子内环32相邻，呈圆周分布，与内环32之间构成电容，输入电信号之后，可以产生静电力，从而驱动各环与盘结构振动，产生声波。

圆盘状谐振子在一片SOI晶圆的器件层上加工而成，包括了内盘、中盘、外盘、内环、中环、外环、解耦梁以及锚点，内环32，内盘33，中环34，中盘35，外环36，外盘37，解耦梁39依次互连，可以避免部分体波传播到外环，参照图2中，解耦梁为外环与最外围连接的细杆，并通过解耦梁和内中外三盘的约束来实现驱动和敏感模态之间的全解耦。参照图5中，锚点为图中虚线框中的凸点，位于器件层的最底部。

光学微腔与光波导紧贴于谐振子所在SOI晶圆器件层上表面，所述的光学微腔为回音壁模式的微盘腔，为圆盘状，位于谐振子外盘的上表面处，用于实现对振动产生的形变和体波的检测，即实现对谐振子内声波分布的变化的检测，进而推算角速度大小。

所述的光波导为直波导结构，与光学微腔4耦合，并且光波导与光学微腔相切，用于检测光的输入输出。

基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪的工作原理为：

本发明基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪及其加工方法，外界通过盖帽上的电极通孔，利用金属引线与电极实现电气连接，电极通电后，驱动谐振子产生谐振运动，谐振子内存在稳定分布的体波，并在内部形成驻波；当角速度发生变化时，由于哥式效应，当谐振子旋转后，谐振子内体波的波场分布会发生变化，基于弹光效应，介质内的体波会导致与谐振子接触的光学微腔的形状和折射率变化，引起其滤波特性变化，因此，在旋转前后，光学微腔的形状和折射率存在差异，导致其谱线变化，检测光通过光波导耦合进入微腔后的透过率不同，通过扫频可以得出微腔的谱线，通过测量光谱的变化，即可以推算出角速度。

所述的光波导用于检测光的输入输出，以及检测光与光学微腔的光耦合，检测光由外接的窄带激光发生器作为光源提供，检测光通过光波导耦合进入光学微腔，经过光腔滤波后，回到光波导出射，最后，通过外接的光谱仪来分析出射光光谱，从而得到光学微腔的谱线。

如图6所示，一种基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：

(1)清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆器件层表面采用低压化学气相沉积(LPCVD)方法沉积一层导光层用于光波导与光学微腔的加工；

(2)清洗、干燥步骤(1)的SOI晶圆表面后，在导光层表面涂一层粘附剂，再旋涂一层电子束曝光胶(PMMA)并固化；

(3)在步骤(2)得到的电子束曝光胶层，利用电子束曝光，定义光波导与光学微腔的图案与位置，然后进行显影和后烘；

(4)在步骤(3)基础上，采用干法刻蚀工艺，在导光层加工得到光波导和光学微腔，之后采用丙酮溶液去除残留的电子束曝光胶；

(5)清洗干燥步骤(4)加工的晶圆后，在器件层表面喷涂光刻胶并固化，然后利用第一块掩膜版将电极、圆盘谐振子的图案转移到光刻胶层；

(6)在步骤(5)的基础上，利用DRIE(深反应离子刻蚀)加工得到电极和谐振子，之后利用KOH溶液，湿法腐蚀，去除圆盘谐振子下方的部分掩埋氧化层，接着，使用丙酮溶液去除残留光刻胶；

(7)另取一片硅晶圆，清洗，干燥表面后，在下表面旋涂光刻胶，利用第二块掩膜版，通过光刻定义出金属键合区的图案，接着依次沉积一层铬(Ga)金属和金(Au)层，采用lift-off工艺，剥离得到键合区，去除残留光刻胶；

(8)在步骤(7)得到的盖帽的上表面旋涂光刻胶，利用第三块掩膜版，通过光刻定义出电极孔的图案，然后利用KOH溶液，湿法刻蚀，在盖帽上开出电极孔，之后，清洗残留光刻胶；

(9)将步骤(8)的盖帽与步骤(5)得到的结构通过金硅键合工艺实现键合，得到完整的光声波陀螺仪结构。

本发明中陀螺仪的制作结合了电子束曝光、光刻工艺、MEMS体硅加工工艺、表面微加工工艺和金硅键合工艺。

本发明利用检测光腔光谱的方法来实现角速度检测，兼具测量精度高、体积小。不电磁干扰和便于批量生产等优点，应用范围广，有着良好的市场前景。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：在所述的步骤(1)中，沉积氧化硅层时，也可以使用在SOI晶圆器件层表面，以硅热氧化工艺产生。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的是：在实施例1加工方案的步骤(1)-(4)中，加工光波导和光学微腔所用材料除氧化硅外，还可以选用氮化硅、磷化铟、砷化镓等其他材料代替。

本发明未提及的技术均为现有技术。

本发明的一种基于光学微腔的全解耦环形微陀螺仪及其加工方法，包括具有解耦特性的圆盘状谐振子，用于输入电信号的电极，通过实现角速度检测的光学微腔，用于实现光传输的光波导，用于实现封装的SOI盖帽。光学微腔与光波导均由二氧化硅低温沉积得到。该陀螺仪利用静电驱动谐振子产生声波，声波分布在角速度影响下产生变化，然后借助光学微腔测量声波的变化，从而实现对角速度的测量。由于采用光学检测方案，相比传统的微机电陀螺仪，该陀螺仪的可靠性和测量精度都可以达到一个更高的水平。

本发明属于MOMES陀螺仪的范畴，采用MEMS技术实现器件测加工，并借助了上述的光学微腔来实现对角速度检测。其基本原理为：圆盘谐振子在内电极的驱动下谐振，产生的体波在内中外盘的解耦作用后，作用到光腔，造成光腔形变和材料折射率变化，而当外界发生转动后，由于振动模态变化，光腔形变与折射率变化也随之变化，导致光腔的谱线变化，通过检测谱线变化，可以得到角速度的大小。