本發(fā)明涉及一種陀螺儀結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域，尤其是陀螺儀驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和檢測(cè)質(zhì)量同時(shí)耦合的結(jié)構(gòu)加工工藝。。

背景技術(shù)：

隨著微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，近年來已經(jīng)有越來越多的mems器件實(shí)現(xiàn)了商用甚至軍用。其中，mems慣性傳感器在汽車電子、慣性導(dǎo)航和便攜設(shè)備中取得了很大的成功。

mems陀螺儀本質(zhì)上是通過科里奧利效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的角速度傳感器。它將質(zhì)量塊的受力（即科氏力）與外加角速度聯(lián)系在一起，再通過胡克定律和二階動(dòng)態(tài)系統(tǒng)將受力轉(zhuǎn)化為位移，并且使用一定的位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的檢測(cè)。

mems陀螺儀通常包含線性振動(dòng)或者角振動(dòng)的質(zhì)量塊、檢測(cè)質(zhì)量塊以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)裝置。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于各種外部共模干擾比如振動(dòng)、加速度和機(jī)械沖擊的抑制，mems陀螺儀通常有偶數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)質(zhì)量塊，并且通常呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)。其中，相鄰的質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向都相反，從而實(shí)現(xiàn)差分效果,并且四質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)對(duì)于各種共模機(jī)械干擾有更好的抑制效果。

另外一項(xiàng)抑制共模干擾的方式就是將檢測(cè)質(zhì)量塊通過彈簧耦合在一起，這樣就可以在不同檢測(cè)質(zhì)量塊的參數(shù)（主要是彈性系數(shù)）出現(xiàn)失配的情況下大幅度降低它們檢測(cè)位移的失配。

但是由于常見的mems工藝流程只能形成平面結(jié)構(gòu)，如果選擇將檢測(cè)質(zhì)量塊耦合在一起就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊無法耦合，也就降低了等效驅(qū)動(dòng)品質(zhì)因數(shù)，從而需要更大的驅(qū)動(dòng)電壓才能實(shí)現(xiàn)相同的驅(qū)動(dòng)幅度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種陀螺儀驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和檢測(cè)質(zhì)量同時(shí)耦合的結(jié)構(gòu)加工工藝，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)微機(jī)械陀螺儀的共模抑制能力以及降低需要的驅(qū)動(dòng)電壓、增大驅(qū)動(dòng)位移，提高了器件的性能。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：陀螺儀驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和檢測(cè)質(zhì)量同時(shí)耦合的結(jié)構(gòu)加工工藝，它包括沉積多晶硅及氧化層、將多晶硅及氧化層進(jìn)行刻蝕、對(duì)氧化層進(jìn)行平整化和釋放所有的氧化層，具體包括如下步驟：

在硅襯底上沉積絕緣層；

沉積厚度為2~3um的氧化層并且平整化結(jié)構(gòu)表面；

將氧化層刻蝕形成交叉結(jié)構(gòu)的底面掩膜；

刻蝕多晶硅形成結(jié)構(gòu)層底面、交叉結(jié)構(gòu)底面和釋放孔；

平整化該氧化層并沉積較厚的厚度為2um的多晶硅；

在多晶硅上刻蝕出結(jié)構(gòu)層的中間層、交叉結(jié)構(gòu)的連桿以及釋放孔；

整化氧化層并沉積一個(gè)厚度為0.5~1um薄層氧化層；

刻蝕氧化層形成交叉結(jié)構(gòu)上層的掩膜并沉積一層多晶硅；

刻蝕上一步驟沉積的多晶硅，支座結(jié)構(gòu)層上層、交叉結(jié)構(gòu)上層與釋放孔，最后釋放所有的氧化層形成可動(dòng)結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，幾個(gè)多晶硅層的厚度總和就是結(jié)構(gòu)層的厚度。該厚度影響器件的信噪比和垂直方向的抗震動(dòng)和沖擊能力，應(yīng)根據(jù)要求大致選擇結(jié)構(gòu)層的總厚度。

優(yōu)選的，所述的絕緣層是薄層氮化硅絕緣層，不需要較高的厚度；此處的氮化硅是根據(jù)反應(yīng)成分的比例不同產(chǎn)生的化合物比例有所不同，具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。還需濺射出金屬走線層并其上沉積較厚的一層多晶硅，并刻蝕出錨點(diǎn)。

優(yōu)選的，所述的氮化硅通常具有殘余拉應(yīng)力，這可以使得沉積后的結(jié)構(gòu)較為平整。但是如果該拉應(yīng)力值過高，則會(huì)使得薄膜開裂甚至從襯底剝離?？刂圃搼?yīng)力值主要是使用溫度較低的pecvd即等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，并且通過控制反應(yīng)的氣體比、反應(yīng)氣壓和高低頻占空比實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)選的，所述的其后濺射的金屬走線層上方有一個(gè)鈍化層，以在釋放犧牲層時(shí)保護(hù)金屬走線。

優(yōu)選的，在沉積多晶硅時(shí)，須均勻沉積，延長結(jié)構(gòu)的壽命和抗沖擊能力。

優(yōu)選的，所述的氧化層具有一定的壓應(yīng)力，為了緩解其影響，同時(shí)得到比較大的厚度，使用反應(yīng)溫度較低的pecvd方法制備。

優(yōu)選的，所述的釋放所有的氧化層，應(yīng)采用干法hf釋放以避免發(fā)生粘附。

優(yōu)選的，所述的氧化層進(jìn)行平整化，通過化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行平整化處理。

優(yōu)選的，所述的化學(xué)機(jī)械拋光結(jié)合化學(xué)反應(yīng)與物理研磨進(jìn)行表面平整化，防止在表面微加工中出現(xiàn)凸起，以保證了表面的平整

本發(fā)明的有益效果是：提供一種陀螺儀驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和檢測(cè)質(zhì)量同時(shí)耦合的結(jié)構(gòu)加工工藝，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)微機(jī)械陀螺儀的共模抑制能力以及降低需要的驅(qū)動(dòng)電壓、增大驅(qū)動(dòng)位移，提高了器件的性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明步驟示意圖；

圖2為陀螺儀驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和檢測(cè)質(zhì)量同時(shí)耦合交叉結(jié)構(gòu)截面示意圖；

圖3為本發(fā)明工藝流程圖；

圖4為常規(guī)加工工藝實(shí)現(xiàn)單質(zhì)量結(jié)構(gòu)的同時(shí)耦合示意圖；

圖5為常規(guī)加工工藝實(shí)現(xiàn)外框驅(qū)動(dòng)的耦合；

圖6為本加工工藝實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和檢測(cè)質(zhì)量同時(shí)耦合示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。

如圖1所示，陀螺儀驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和檢測(cè)質(zhì)量同時(shí)耦合的結(jié)構(gòu)加工工藝，它包括沉積多晶硅及氧化層、將多晶硅及氧化層進(jìn)行刻蝕、對(duì)氧化層進(jìn)行平整化和釋放所有的氧化層，具體包括如下步驟：

在硅襯底上沉積絕緣層；

沉積厚度為2~3um的氧化層并且平整化結(jié)構(gòu)表面；

將氧化層刻蝕形成交叉結(jié)構(gòu)的底面掩膜；

刻蝕多晶硅形成結(jié)構(gòu)層底面、交叉結(jié)構(gòu)底面和釋放孔；

平整化該氧化層并沉積較厚的厚度為2um的多晶硅；

在多晶硅上刻蝕出結(jié)構(gòu)層的中間層、交叉結(jié)構(gòu)的連桿以及釋放孔；

整化氧化層并沉積一個(gè)厚度為0.5~1um薄層氧化層；

刻蝕氧化層形成交叉結(jié)構(gòu)上層的掩膜并沉積一層多晶硅；

刻蝕上一步驟沉積的多晶硅，支座結(jié)構(gòu)層上層、交叉結(jié)構(gòu)上層與釋放孔，最后釋放所有的氧化層形成可動(dòng)結(jié)構(gòu)。

襯底上沉積的sixny起到與襯底絕緣的功能，不需要較高的厚度。sixny通常具有殘余拉應(yīng)力，這可以使得沉積后的結(jié)構(gòu)較為平整，但是如果該拉應(yīng)力值過高，則會(huì)使得薄膜開裂甚至從襯底剝離?？刂圃搼?yīng)力值主要是使用溫度較低的pecvd（等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積），并且通過控制反應(yīng)的氣體比、反應(yīng)氣壓和高低頻占空比實(shí)現(xiàn)。其后濺射的金屬層上方還應(yīng)有一個(gè)鈍化層，以在釋放犧牲層時(shí)保護(hù)金屬走線

如圖2所示，陀螺儀驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和檢測(cè)質(zhì)量同時(shí)耦合交叉結(jié)構(gòu)的截面，包括連桿1、連桿2、折疊彈簧1、折疊彈簧2、錨點(diǎn)、檢測(cè)質(zhì)量。其中距離1即l1的設(shè)置應(yīng)略大于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)方向上的最大位移；距離2即l2的設(shè)置則與加工工藝相關(guān)，它的尺寸應(yīng)略大于結(jié)構(gòu)在z軸方向上的形變以免連桿1和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊發(fā)生接觸。

如圖3所示，本發(fā)明工藝流程具體如下：

在硅襯底上沉積氮化硅絕緣層，濺射出金屬走線層，再在其上沉積一層厚度為0.5~1um的多晶硅得到a；

在沉積的一層多晶硅上刻蝕出錨點(diǎn)形成b；

在b的基礎(chǔ)上沉積2~3um的氧化層得到c；

將c的結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行平整處理形成d這一步可以通過化學(xué)機(jī)械拋光或刻蝕等方法實(shí)現(xiàn)；

將氧化層刻蝕約1/3以形成交叉結(jié)構(gòu)的底面掩膜e；

在e的基礎(chǔ)上再沉積一層厚度為1um的多晶硅形成f；

將刻蝕f上的多晶硅，形成結(jié)構(gòu)層底面、交叉結(jié)構(gòu)底面和釋放孔得到g；

在g的基礎(chǔ)上再沉積一層氧化層得到h；

平整h上的氧化層得到i；

在i的基礎(chǔ)上再沉積一層2um的多晶硅形成j；

在j的多晶硅的基礎(chǔ)上刻蝕出結(jié)構(gòu)層的中間層、交叉結(jié)構(gòu)的連桿1以及釋放孔形成k；

在k的基礎(chǔ)上再沉積一個(gè)較厚的氧化層得到l；

將l上較厚的氧化層平整化之后得到m；

在m上沉積一個(gè)薄層氧化層得到n；

將n氧化層進(jìn)行刻蝕形成交叉結(jié)構(gòu)上層的掩膜o；

在o的基礎(chǔ)上沉積一層厚度為1um的多晶硅形成p；

刻蝕p的這層多晶硅，支座結(jié)構(gòu)層上層、交叉結(jié)構(gòu)上層與釋放孔q；

最后釋放所有的氧化層形成可動(dòng)結(jié)構(gòu)，r。

由于氧化層最后都將被釋放以形成可動(dòng)結(jié)構(gòu)，流程中進(jìn)行的每一次氧化層沉積其厚度都應(yīng)不小于之前沉積的多晶硅，保證平整化以后的結(jié)構(gòu)厚度滿足設(shè)計(jì)要求即可。

由于該工藝的剖面為疊層結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于套刻精度的要求也較高。如果套刻精度不足，則可能使得不同疊層錯(cuò)位甚至沒有交疊?？梢娸^大的套刻失準(zhǔn)可能導(dǎo)致應(yīng)力釋放孔無法實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)空腔、結(jié)構(gòu)層碎片、錨點(diǎn)連接強(qiáng)度降低和交叉結(jié)構(gòu)工作余量降低等問題。為了克服這一問題，除了通過設(shè)計(jì)一定的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記、通過投影光刻提高精度以及選擇可靠的設(shè)計(jì)規(guī)則實(shí)現(xiàn)。

如圖4所示，以兩質(zhì)量結(jié)構(gòu)為例說明，四質(zhì)量結(jié)構(gòu)同理，常規(guī)的微加工工藝只能實(shí)現(xiàn)單質(zhì)量結(jié)構(gòu)的同時(shí)耦合

如圖5所示，以外框驅(qū)動(dòng)為例，框架結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)或檢測(cè)的耦合。也就是說，常規(guī)工藝只能實(shí)現(xiàn)外側(cè)質(zhì)量塊之間的耦合，而框架內(nèi)的幾個(gè)質(zhì)量塊則相互獨(dú)立。

如圖6所示，在該新工藝的情況下，即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)耦合彈簧應(yīng)有x和y兩個(gè)方向的形變能力。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。