[发明专利]一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪及其加工方法

权利要求书

1.一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪，其特征在于：包括器件层（1）、金属引线层（2）、衬底层（3），所述器件层（1）内部开设多个结构孔填充均为空气；所述金属引线层（2）介于衬底层（3）和器件层（1）之间；包括机械模块（1-1）、静电驱动模块（1-2）、光学敏感模块（1-3）和支撑框架（1-4）；其中机械模块（1-1）由质量块（1-1-1）、驱动弹簧梁（1-1-2）、敏感弹簧梁（1-1-3）和解耦框架（1-1-4）构成，质量块（1-1-1）分布在整个器件层（1）的中心位置，质量块（1-1-1）的四个边角处分别通过驱动弹簧梁（1-1-2）与解耦框架（1-1-4）相连，解耦框架（1-1-4）的四个边角处分别通过敏感弹簧梁（1-1-3）与支撑框架（1-4）相连；静电驱动模块（1-2）由两组驱动梳齿（1-2-1）结构组成，两个驱动梳齿（1-2-1）设置在质量块横向左右侧中间位置并且相互对称，两个驱动梳齿（1-2-1）分别与质量块（1-1-1）中梳齿结构相互对位，形成两组静电驱动模块（1-2）；光学敏感模块（1-3）主要由集成波导（1-3-1）、二维光子晶体（1-3-2）和机械敏感单元（1-3-3）组成，其中四个集成波导（1-3-1）分别分布在支撑框架纵向上下方的左、右位置，左、右两个集成波导（1-3-1）介于机械敏感单元（1-3-3）左右两侧且相互对称，分布在机械敏感单元（1-3-3）左右两侧的二维光子晶体（1-3-2）相互对称，多个方形孔以周期性排布形成二维光子晶体（1-3-2），每个长方体形的集成波导（1-3-1）与支撑框架（1-4）和二维光子晶体（1-3-2）相连接，两个呈梯形状的机械敏感单元（1-3-3）分别位于支撑框架（1-4）纵向方向的上、下方中间位置，机械敏感单元（1-3-3）内开设长方形孔，两个机械敏感单元（1-3-3）分别与解耦框架（1-1-4）上下梁的中间部位相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪，其特征在于：所述的器件层（1）材料为碳化硅、硅和氮化硅中任意一种，优先选择硅作为器件层材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪，其特征在于： 所述的衬底层（3）为长方体状，其材料为碳化硅、硅、石英玻璃和蓝宝石中任意一种，优先选择石英玻璃作为衬底材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪，其特征在于：所述金属引线层（2）由内部电极、外部电极和金属引线构成；内部电极通过金属引线与外部电极连接；所述的金属引线层的材料为金、银、铝和铜中任意一种，用于与器件层和电气连接，优选材料为铜。

5.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪，其特征在于： 所述的器件层（1）中的机械模块（1-1）、静电驱动模块（1-2）和支撑框架（1-4）的厚度一致。

6.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪，其特征在于： 四个所述的驱动弹簧梁（1-1-2）的形状和尺寸大小均相同，四个所述的敏感弹簧梁（1-1-3）的形状和尺寸大小均相同，两个所述的驱动梳齿（1-2-1）的形状和尺寸均相同。

7.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪，其特征在于：两个所述的机械敏感单元（1-3-3）的形状和尺寸大小均一致，其内部开设长方形孔的尺寸大小均一致，四个所述的二维光子晶体（1-3-2）的形状和尺寸大小均相同，其内部每个方形孔的尺寸大小均一致，四个所述的集成波导（1-3-1）的形状和尺寸大小均一致。

8.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪，其特征在于：所述的金属引线层（2）内部电极的厚度均相同，外部电极的厚度均相同，金属引线的厚度均相同。

9.根据权利要求1-8所述的所述的一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪的加工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤

（a）取出一片硅片，采用硫酸加过氧化氢溶液对硅片表面进行清洗、干燥；

（b）在清洗后的硅片表面旋涂一层光刻胶，对旋涂后的光刻胶加热烘干，该光刻胶用于制作掩膜保护图案；

（c）将对旋涂光刻胶的硅片进行光刻，制作需要的掩膜图形，对光刻胶进行曝光，通过显影去除需要刻蚀区域的光刻胶，剩余的光刻胶图案为锚区结构图形，进而得到光刻胶锚区图案；

（d）采用反应离子刻蚀工艺对硅片锚区结构进行刻蚀，光刻胶掩膜的部分被保护下来，其余不是光刻胶保护的部分将在硅片中刻蚀一定深度，得到凸起锚区结构；

（e）在硅片刻蚀完成后，进一步采用丙酮溶液清洗硅片表面剩余的光刻胶，获得完整的锚区结构；

（f）进一步加工衬底层上的金属引线，取出一片玻璃片，采用硫酸加过氧化氢溶液对玻璃片进行表面清洗、干燥；

（g）在清洗后的玻璃片表面旋涂一层光刻胶，对旋涂后的光刻胶加热烘干，该光刻胶用于制作掩膜保护图案；

（h）将对旋涂光刻胶的玻璃片进行光刻，制作需要的掩膜图形，对光刻胶进行曝光，通过显影去除需要金属溅射区域的光刻胶，留下的光刻胶为保护结构图形，得到想要的光刻胶掩膜图案，采用反应离子刻蚀工艺对玻璃片需要刻蚀的区域进行选择性刻蚀，获得需要金属溅射区域；

（i）对含有光刻胶掩膜的玻璃片表面溅射一层金属，溅射在玻璃片表面的金属为金属引线，溅射在光刻胶上表面的金属部分与玻璃片和溅射在玻璃片的金属分离；

（j）采用丙酮溶液与光刻胶溶解，去除光刻胶掩膜层和溅射在光刻胶上的金属，留下溅射在玻璃片表面的金属，进而得到玻璃片表面的金属引线；

（k）为了获得MOEMS陀螺仪结构，进一步将加工完成的硅片结构与玻璃片结构进行键合，使得锚区与金属柱牢固接触和粘连，进而得到玻璃衬底层支撑硅片器件层结构；

（l）对顶层硅片结构进行抛光减薄，使硅片得到需要的厚度，减薄后的硅片为器件层传感器结构的厚度；

（m）采用硫酸加过氧化氢溶液对抛光后硅片上表面进行清洗、干燥，进一步在抛光后硅片上表面旋涂一层光刻胶，用于制作掩膜图案；

（n）将对旋涂光刻胶的硅片进行光刻，制作器件层传感器结构的掩膜图形，对光刻胶进行曝光，通过显影去除需要刻蚀区域的光刻胶，留下的光刻胶图案为硅片不被刻蚀区域，进而获得需要光刻胶掩膜图案；

（o）根据步骤（n）光刻胶掩膜图案来获得器件层各模块结构，通过RIE对的硅片进行刻蚀，刻蚀不被光刻胶掩膜保护的区域，使得在硅片上得到器件层各模块；

（p）采用丙酮溶液剥离掉光刻胶掩膜层，得到器件层各模块结构，进而获得完整的MOEMS陀螺仪结构。