[发明专利]一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪及其制备方法

说明书

本发明提供一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪及其制备方法，陀螺仪包括顶层打孔玻璃引线盖板，中间层单晶硅结构层和底层玻璃衬底。单晶硅结构层包括中心支撑柱、鸟盆式谐振子，十六个固定的电容式电极；打孔玻璃盖板包括一个中心引线电极和十六个按圆周均匀分布的引线电极，用于引出结构层信号。玻璃衬底淀积有吸气剂，用于真空封装。制备过程中，先由深硅刻蚀确定中心支撑柱位置，然后各向同性腐蚀得到硅微鸟盆式模子，接着在模子上沉积氧化硅牺牲层和多晶硅结构层，释放牺牲层后得到硅微鸟盆式谐振子。引线盖板和玻璃衬底通过阳极键合与单晶硅基底封装在一起。本发明通过传统半导体的工艺完成了硅微鸟盆式谐振陀螺仪的制造，具有批量化、低成本等优点。

技术领域：

本发明属于微机电系统加工和惯性导航领域，具体涉及一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪及其制备方法。

背景技术：

传统的宏观旋转对称式谐振陀螺仪具有高精度、高可靠性、抗冲击、高温度、长寿命和抗辐射能力等优点，目前已经在空间惯性领域取得了广泛而成功的应用。美国是最早研究旋转对称式谐振陀螺仪的国家，从20世纪50年代开始，经过近40年的研究，于20世纪90年代研制成功，并列装在其空间应用飞行器上。目前最先进的旋转对称式谐振陀螺仪由Northrop Grumman公司生产，其零偏稳定性小于0.0015°/h，角随机游走小于0.00015°/root-h，设计寿命优于连续工作十五年，抗Z轴冲击3000g以上，成功为美国宇航局NASA的火星探测器提供了姿态测量应用。

然而，传统宏观旋转对称式谐振陀螺仪是由熔融石英精密机械加工而成的，熔融石英的加工难度大，成本高，难以批量加工，此外，宏观的旋转对称式谐振陀螺仪的体积和功耗也较大，目前最小直径的谐振子也超过了20毫米。

近年来，随着对导航单元精度和可靠性的要求，以及微电子加工工艺水平的不断提高，以及旋转对称式谐振陀螺所表现出的优势，使得基于微电子工艺加工的半球谐振陀螺成为国内外该领域的研究热点。利用微电子加工工艺制作而成的旋转对称式谐振陀螺具有体积小，成本低，功耗小，可批量生产等优点，预期可广泛用于工业机器人、汽车、航天航空等领域，具有广阔的应用前景。本发明所涉及的硅微鸟盆式谐振陀螺仪是一种典型的旋转对称式谐振陀螺，并采用标准的成熟的微电子工艺进行加工。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪及其制备方法，其加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工方法，利于批量生产。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪，包括由上而下依次是，顶层打孔玻璃引线盖板、中间层单晶硅壳体结构和电极、底层含有吸气剂的玻璃衬底；

其中，在上层玻璃打孔玻璃引线盖板层，包括一个中心锥形电极引出孔和十六个旋转对称的锥形电极引出孔；在中间层的单晶硅结构层，设有中心支撑柱、鸟盆式谐振子和十六个电容式电极，所述的半球壳谐振子通过中心支撑柱固定在硅结构层上；底层玻璃层包括一个环形腔体，淀积有吸气剂，用于完成真空封装，使鸟盆型谐振子工作在真空环境中。

所述顶层的十六个旋转对称的锥形电极引出孔与中间层的十六个电容式电极一一对应，用于完成对中间层电容电极的电气连接引出。所述顶层的中心锥形电极引出孔与谐振子的中心支撑柱对应，用于完成对鸟盆式谐振子的电气连接引出。

所述顶层引线玻璃盖板和底层吸气剂衬底通过硅-玻璃阳极键合的方式与中间层相连。

所述谐振子由CVD(化学气相沉积)淀积重掺杂硼的多晶硅制成，电极是通过对硅进行深刻蚀制成。

一种硅微鸟盆式谐振陀螺仪的加工工艺，包括以下步骤：

1)制备硅微鸟盆型谐振子的模子

在硅晶圆片表面通过CVD淀积掩膜层，光刻定义所述鸟盆型谐振子的开口。HDP(高密度等离子体刻蚀系统)深刻蚀开槽，再各向同性腐蚀硅，去除掩蔽膜，得到硅微鸟盆型模子。