一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀及其制備方法，包括：一個(gè)單晶硅基底、八個(gè)均勻分布式電極、一個(gè)微型半球諧振子、一個(gè)雙端固定支撐柱和一個(gè)圖形化蓋板，其中：所述雙端固定支撐柱的下端通過沉積的方式與所述基底連接、上端通過鍵合的方式與所述圖形化蓋板連接；所述電極設(shè)置于所述基底的上表面，并均勻地分布在所述微型半球諧振子的周圍；所述微型半球諧振子固定在所述雙端固定支撐柱的底端。本發(fā)明結(jié)合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進(jìn)行制作，通過截止層準(zhǔn)確地控制支撐柱面積的大小。本發(fā)明可以穩(wěn)定地固定微型半球諧振子，同時(shí)使陀螺的工作振動(dòng)模態(tài)遠(yuǎn)離陀螺的傾斜、旋轉(zhuǎn)以及支撐柱的變形等其他振動(dòng)模態(tài)。
【專利說明】一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電【技術(shù)領(lǐng)域】的微型半球諧振陀螺儀，具體地，涉及一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀是一種能夠檢測載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。隨著國防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測、高可靠性、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展。因此，MEMS微陀螺的重要性不言而喻。特別地，微型半球諧振陀螺儀作為MEMS微陀螺的一個(gè)重要研究方向，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
[0003]經(jīng)過現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)搜索發(fā)現(xiàn)，美國喬治亞理工學(xué)院L D.Sorenson.等人在其論文“3-D MICROMACHINED HEMISPHERICAL SHELL RESONATORS WITH INTEGRATED CAPACITIVETRANSDUCERS”中介紹了一種底部單端固定的微型半球諧振陀螺儀，其支撐面積是由犧牲層的殘留面積決定的，而犧牲層的殘留面積大小是由濕法刻蝕的時(shí)間、刻蝕溶液的濃度等決定的，因此加工時(shí)支撐面積的大小難以控制，既可能釋放不充分，使支撐面積過大，也可能釋放過度，造成支撐面積過小，兩者對器件的工作性能都有嚴(yán)重的影響。此外，現(xiàn)有的宏觀半球諧振陀螺儀均采用雙端固定的支撐方式，因?yàn)閱味斯潭ǖ闹畏绞揭滓饍A斜、旋轉(zhuǎn)以及支撐柱的變形等其他振動(dòng)模態(tài)，這對陀螺儀的正常工作是極其不利的。
[0004]基于此，迫切需要提出一種新的微陀螺結(jié)構(gòu)及制備方法，使其能夠準(zhǔn)確控制支撐柱的支撐面積，同時(shí)減小傾斜、旋轉(zhuǎn)以及支撐柱的變形等其他振動(dòng)模態(tài)造成的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀及其制備方法，
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀，包括:
[0007]一個(gè)單晶硅基底；
[0008]八個(gè)均勻分布式電極；
[0009]一個(gè)微型半球諧振子；
[0010]一個(gè)雙端固定支撐柱；
[0011]一個(gè)圖形化蓋板；
[0012]其中:所述雙端固定支撐柱的下端通過沉積的方式與所述基底連接、上端通過鍵合的方式與所述圖形化蓋板連接；所述電極設(shè)置于所述基底的上表面，并均勻地分布在所述微型半球諧振子的周圍；所述微型半球諧振子固定在所述雙端固定支撐柱的底端；
[0013]所述微陀螺利用靜電驅(qū)動(dòng)的方式激勵(lì)微型半球諧振子進(jìn)行工作，其驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測模態(tài)相互匹配；所述微陀螺結(jié)合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進(jìn)行制作，能夠通過截止層準(zhǔn)確地控制支撐柱面積的大小，從而保證微陀螺的一致性；所述微陀螺采用雙端固定的支撐方式，可以穩(wěn)定地固定微型半球諧振子，同時(shí)使陀螺的工作振動(dòng)模態(tài)遠(yuǎn)離陀螺的傾斜、旋轉(zhuǎn)以及支撐柱的變形等其他振動(dòng)模態(tài)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀的制備方法，包括如下步驟:
[0015]包括如下步驟:
[0016]第一步、對基底進(jìn)行清洗、涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、去膠工藝，以在基底上得到硼離子摻雜硅材料的電極；
[0017]第二步、在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂膠、光刻、顯影、深硅刻蝕，以在基底上得到支撐柱深槽；
[0018]第三步、在深槽中分別沉積氮化硅和二氧化硅，從而將深槽填滿，然后進(jìn)行去膠工藝，得到雙端固定支撐柱；
[0019]第四步、重新涂膠、光刻、顯影、各向同性刻蝕，得到以雙端固定支撐柱中心為球心的半球形深槽；
[0020]第五步、去膠，在基底的正面熱生長二氧化硅，以得到犧牲層；
[0021]第六步、在二氧化硅犧牲層上沉積多晶硅或金剛石，以得到結(jié)構(gòu)層；
[0022]第七步、利用化學(xué)機(jī)械拋光，去除半球形深槽以外的結(jié)構(gòu)材料；
[0023]第八步、利用BHF溶液對二氧化硅犧牲層進(jìn)行濕法刻蝕，以氮化硅作為截止層停止刻蝕，得到微型半球諧振子；
[0024]第九步、將圖形化蓋板與第八步完成的帶有微型半球諧振子的基底進(jìn)行鍵合，圖形化蓋板中心部分的圓心與圓柱形雙端固定支撐柱的中心對準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)雙端固定。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0026]本發(fā)明利用沉積的氮化硅層作為截止層，可準(zhǔn)確控制支撐柱的支撐面積，保證微陀螺的一致性；采用雙端固定的支撐方式，可以穩(wěn)定地固定微型半球諧振子，同時(shí)使陀螺的工作振動(dòng)模態(tài)遠(yuǎn)離陀螺的傾斜、旋轉(zhuǎn)以及支撐柱的變形等其他振動(dòng)模態(tài)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0028]圖1 (a)_圖1⑴為本實(shí)施例的工藝流程圖；
[0029]圖2 (a)-圖2 (C)為本實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖3 (a)-圖3 (b)為本實(shí)施例的工作振動(dòng)模態(tài)圖；
[0031]圖中:1為單晶硅基底，2為均勻分布式電極，3為微型半球諧振子，4為雙端固定支撐柱，5為圖形化蓋板。

【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0033]實(shí)施例1
[0034]如圖2(a)-圖2(c)所示，本實(shí)施例提供一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀，包括:
[0035]Iv單晶娃基底I ;
[0036]八個(gè)均勻分布式電極2;
[0037]一個(gè)微型半球諧振子3 ；
[0038]一個(gè)雙端固定支撐柱4;
[0039]一個(gè)圖形化蓋板5;
[0040]其中，雙端固定支撐柱4的面積通過氮化娃截止層技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確控制；雙端固定支撐柱4的下端通過沉積的方式與基底I連接、上端通過鍵合的方式與圖形化蓋板5連接。
[0041]本實(shí)施例中，所述基底I的材料為單晶硅，并與氮化硅截止層直接相連，從而固定雙端固定支撐柱4的下端。
[0042]本實(shí)施例中，所述電極2的材料為硼離子摻雜硅，位于基底I的上表面，并均勻地分布在微型半球諧振子3的周圍。
[0043]本實(shí)施例中，所述微型半球諧振子3的材料為多晶硅或金剛石，固定在雙端固定支撐柱4的底端。
[0044]本實(shí)施例中，所述雙端固定支撐柱4包括內(nèi)層和外層，外層的材料為氮化硅，內(nèi)層的材料為二氧化硅，兩層共同組成雙端固定支撐柱4，雙端固定支撐柱4的下端通過沉積的方式與基底I連接，上端通過鍵合的方式與圖形化蓋板5連接。
[0045]本實(shí)施例中,所述圖形化蓋板5的中心與雙端固定支撐柱4鍵合相連,外部與基底I及電極2鍵合相連。所述雙端固定支撐柱4的面積通過氮化硅截止層技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。所述基底的材料為單晶硅，并與氮化硅截止層直接相連。
[0046]本實(shí)施例中，雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀在驅(qū)動(dòng)電極2上施加驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)電極2通過靜電力的方式使微型半球諧振子3工作在所需的驅(qū)動(dòng)模態(tài)下，驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)幅值和頻率保持不變。當(dāng)垂直于基體方向存在外加角速度時(shí)，檢測模態(tài)的振動(dòng)幅值會發(fā)生變化，該振動(dòng)幅值的大小與外加角速度的大小成正比，通過檢測電極2檢測該振動(dòng)幅值的大小，即可計(jì)算得到外加角速度的大小。
[0047]實(shí)施例2
[0048]如圖1 (a)_圖1 (i)所示，本實(shí)施例提供一種所述雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀的制備方法，包括如下步驟:
[0049]第一步，如圖1(a)所示，對單晶硅基底I進(jìn)行清洗、涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、去膠工藝，在單晶硅基底I上得到厚度為?ο μ m-50 μ m的硼離子摻雜硅材料的電極2 ；
[0050]第二步，如圖1(b)所示，在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂膠、光刻、顯影、深硅刻蝕，在單晶硅基底I上得到深度為400-800 μ m的雙端固定支撐柱4深槽；
[0051]第三步，如圖1(c)所示，在深槽中分別沉積氮化硅和二氧化硅，從而將深槽填滿，然后進(jìn)行去膠工藝，得到雙端固定支撐柱4。
[0052]第四步，如圖1(d)所示，重新涂膠、光刻、顯影、各向同性刻蝕，得到以雙端固定支撐柱4的中心為球心的半球形深槽,其半徑為300-700μηι;
[0053]第五步，如圖1(e)所示，去膠，在單晶硅基底I的正面熱生長二氧化硅，得到厚度為1-5 μ m的犧牲層；
[0054]第六步，如圖1(f)所示，在二氧化硅犧牲層上沉積多晶硅或金剛石，得到厚度為1-5 μ m的結(jié)構(gòu)層；
[0055]第七步，如圖1(g)所示，利用化學(xué)機(jī)械拋光，去除半球形深槽以外的結(jié)構(gòu)材料；
[0056]第八步，如圖1 (h)所示，利用BHF溶液對二氧化硅犧牲層進(jìn)行濕法刻蝕，以氮化硅作為截止層停止刻蝕，得到微型半球諧振子3 ；
[0057]第九步，如圖l(i)所示，將圖形化蓋板5與第八步完成的帶有微型半球諧振子的基底進(jìn)行鍵合，其中心部分的圓心與圓柱形雙端固定支撐柱4的中心對準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)雙端固定。
[0058]如圖3(a)、圖3(b)所示，通過有限元分析方法得到微型半球諧振陀螺儀的工作振動(dòng)模態(tài)，當(dāng)微型半球諧振陀螺儀工作在圖3(a)所示的驅(qū)動(dòng)模態(tài)時(shí)，在外加角速度(垂直于基體的方向)的作用下，會引起如圖3(b)所示的檢測模態(tài)，該檢測模態(tài)的振幅與外加角速度的大小成正比。
[0059]本發(fā)明利用靜電驅(qū)動(dòng)的方式激勵(lì)微型半球諧振子3進(jìn)行工作，其驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測模態(tài)相互匹配。本發(fā)明利用MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝相結(jié)合的方式進(jìn)行制作，能夠通過截止層準(zhǔn)確地控制雙端固定支撐柱4支撐面積的大小，從而保證微陀螺的一致性。本發(fā)明采用雙端固定的支撐方式，可以穩(wěn)定地固定微型半球諧振子3，同時(shí)使陀螺的工作振動(dòng)模態(tài)遠(yuǎn)離陀螺的傾斜、旋轉(zhuǎn)以及支撐柱的變形等其他振動(dòng)模態(tài)。
[0060]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀，其特征在于，包括: 一個(gè)單晶娃基底； 八個(gè)均勻分布式電極； 一個(gè)微型半球諧振子； 一個(gè)雙端固定支撐柱； 一個(gè)圖形化蓋板； 其中:所述雙端固定支撐柱的下端通過沉積的方式與所述基底連接、上端通過鍵合的方式與所述圖形化蓋板連接；所述電極設(shè)置于所述基底的上表面，并均勻地分布在所述微型半球諧振子的周圍；所述微型半球諧振子固定在所述雙端固定支撐柱的底端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀，其特征在于，所述雙端固定支撐柱包括內(nèi)層和外層，內(nèi)層的材料為二氧化硅，外層的材料為氮化硅，內(nèi)、夕卜兩層共同組成所述雙端固定支撐柱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀，其特征在于，所述雙端固定支撐柱的面積通過氮化硅截止層技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀，其特征在于，所述基底的材料為單晶硅，并與氮化硅截止層直接相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀，其特征在于，所述圖形化蓋板的中心與所述雙端固定支撐柱鍵合相連、外部與所述基底及所述電極鍵合相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀，其特征在于，所述電極的材料為硼離子摻雜硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀，其特征在于，所述微型半球諧振子的材料為多晶硅或金剛石。
8.—種如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的雙端固定式娃基微型半球諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: 第一步、對基底進(jìn)行清洗、涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、去膠工藝，以在基底上得到硼離子摻雜硅材料的電極； 第二步、在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂膠、光刻、顯影、深硅刻蝕，以在基底上得到支撐柱深槽； 第三步、在深槽中分別沉積氮化硅和二氧化硅，從而將深槽填滿，然后進(jìn)行去膠工藝，得到雙端固定支撐柱； 第四步、重新涂膠、光刻、顯影、各向同性刻蝕，得到以雙端固定支撐柱中心為球心的半球形深槽； 第五步、去膠，在基底的正面熱生長二氧化硅，以得到犧牲層； 第六步、在二氧化硅犧牲層上沉積多晶硅或金剛石，以得到結(jié)構(gòu)層； 第七步、利用化學(xué)機(jī)械拋光，去除半球形深槽以外的結(jié)構(gòu)材料； 第八步、利用BHF溶液對二氧化硅犧牲層進(jìn)行濕法刻蝕，以氮化硅作為截止層停止刻蝕，得到微型半球諧振子； 第九步、將圖形化蓋板與第八步完成的帶有微型半球諧振子的基底進(jìn)行鍵合，圖形化蓋板中心部分的圓心與圓柱形雙端固定支撐柱的中心對準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)雙端固定。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于:第一步中，在基底上得到厚度為?ο μ m-50 μ m的硼離子摻雜硅材料的電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于:第二步中，在基底上得到深度為400-800 μ m的支撐柱深槽。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于:第三步中，所述深槽的半徑為300-700 μ m。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于:第五步中，得到厚度為1-5 μ m的犧牲層。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙端固定式硅基微型半球諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于:第六步中，得到厚度為l-5ym的結(jié)構(gòu)層。
【文檔編號】G01C19/56GK104197912SQ201410390474
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】張衛(wèi)平, 唐健, 汪濙海, 劉亞東, 成宇翔, 孫殿竣, 邢亞亮, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)