[发明专利]一种混合式半球谐振微陀螺仪及其加工工艺

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DRIE SF₆/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