專利名稱：靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微慣性傳感器及其制造方法，特別是一種靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器及其制造方法，用于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器是一種不同于振動(dòng)式微陀螺和一般微加速度計(jì)的微機(jī)械慣性傳感器，它通過(guò)靜電力懸浮使檢測(cè)質(zhì)量與襯底分開(kāi)，利用懸浮的微小扁平轉(zhuǎn)子(利用變電容微馬達(dá)的原理進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng))作為檢測(cè)質(zhì)量，由懸浮微轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)，借助力矩再平衡原理測(cè)量輸入的二軸角速度；同時(shí)，由懸浮微轉(zhuǎn)子借助力平衡原理可測(cè)量三軸線加速度。用一個(gè)懸浮微轉(zhuǎn)子作為檢測(cè)質(zhì)量實(shí)現(xiàn)角速度和線加速度測(cè)量的微慣性傳感器也有報(bào)道。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，專利號(hào)為US5353656，名稱為“靜電控制微機(jī)械陀螺(Electrostatically ControlledMicromachined Gyroscope)”的美國(guó)專利提出了一種采用多層多晶硅工藝的，由兩層氮化硅緣絕層隔開(kāi)的三層多晶硅制成的扁平圓盤轉(zhuǎn)子的二軸靜電微陀螺。由于受多晶硅工藝的限制，該微轉(zhuǎn)子不能太大太厚，其直徑僅200μm，厚約7μm，因而該微陀螺的位移電容檢測(cè)比較困難；另一方面，由于轉(zhuǎn)子太薄，因而限制了微轉(zhuǎn)子側(cè)向線加速度的測(cè)量能力。文獻(xiàn)檢索中還發(fā)現(xiàn)，T.Murakoshi等人在《日本應(yīng)用物理》期刊上發(fā)表的“靜電懸浮環(huán)形轉(zhuǎn)子陀螺和加速度計(jì)”(JapaneseJournal of Applied Physics，2003(42)2468-2472，ElectrostaticallyLevitated Ring-shaped Rotational-Gyro/Accelerometer)一文中闡述了一種能同時(shí)測(cè)量二軸角速度和三軸線加速度的，采用體硅刻蝕工藝的單晶硅環(huán)形轉(zhuǎn)子的靜電懸浮微慣性傳感器。該靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器采用玻璃-硅-玻璃三層鍵合結(jié)構(gòu)，工作部分由單晶硅環(huán)形轉(zhuǎn)子和布置于環(huán)形轉(zhuǎn)子周圍的軸向懸浮控制電極、徑向懸浮控制電極、靜電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電極、電容檢測(cè)公共電極組成，其中在環(huán)形轉(zhuǎn)子徑向的內(nèi)外側(cè)均設(shè)置有徑向懸浮控制電極和電容檢測(cè)公共電極。主要采用感應(yīng)耦合等離子體深反應(yīng)離子刻蝕(ICP DRIE)和陽(yáng)極鍵合工藝制作首先在兩側(cè)的硼硅玻璃襯底上刻蝕出軸向電容間隙和軸向止擋，并沉積薄膜金屬形成軸向電極和引線；然后將一側(cè)玻璃襯底與硅片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，利用ICP DRIE刻蝕硅片以釋放環(huán)形轉(zhuǎn)子、徑向電極，并形成轉(zhuǎn)子與內(nèi)外側(cè)電極的徑向間隙；接著與另一側(cè)玻璃襯底進(jìn)行陽(yáng)極鍵合；切片獲得微器件芯片。ICP DRIE工藝的主要缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，設(shè)備成本高，刻蝕的體硅側(cè)壁平坦度差，為減小側(cè)壁表面粗糙度以防止徑向間隙發(fā)生本地化放電擊穿，ICP DRIE刻蝕體硅時(shí)須進(jìn)行嚴(yán)格的工藝參數(shù)控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點(diǎn)，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器及其制造方法，并使其實(shí)現(xiàn)靜電懸浮扁平微轉(zhuǎn)子的五軸慣性(二軸角速度和三軸線加速度)測(cè)量功能。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器采用三明治式的三層鍵合結(jié)構(gòu)，由下襯底層、中間金屬結(jié)構(gòu)層和上襯底層構(gòu)成，中間金屬結(jié)構(gòu)層由金屬轉(zhuǎn)子和金屬轉(zhuǎn)子周邊的徑向電極組成，下襯底層、上襯底層分別和徑向電極相鍵合形成轉(zhuǎn)子腔，轉(zhuǎn)子腔的中心為慣性坐標(biāo)系OXYZ的原點(diǎn)O，上下方向的中心軸向?yàn)镺Z軸；金屬轉(zhuǎn)子處于形成的轉(zhuǎn)子腔的中心，OZ軸向?yàn)槠湫D(zhuǎn)軸方向；在下襯底的上表面上設(shè)置有薄膜金屬軸向電極和引線，下襯底的中心處設(shè)置有止擋凹坑；上襯底層與下襯底層的結(jié)構(gòu)相同，上襯底的下表面上同樣設(shè)置有薄膜金屬軸向電極和引線，下襯底的中心處同樣設(shè)置有止擋凹坑；金屬轉(zhuǎn)子與上、下襯底上的薄膜金屬軸向電極和周邊徑向電極之間分別形成軸向電極間隙和徑向電極間隙。
下襯底上表面或上襯底下表面上的薄膜金屬軸向電極包括沿X軸正向和負(fù)向且關(guān)于X軸對(duì)稱布置的軸向懸浮控制電極對(duì)、沿Y軸正向和負(fù)向且關(guān)于Y軸對(duì)稱布置的軸向懸浮控制電極對(duì)、公共電極和數(shù)量為三的倍數(shù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極；其中軸向懸浮控制電極對(duì)由兩個(gè)形狀和大小都相同的軸向電極組成，公共電極由布置于軸向懸浮控制電極對(duì)之間的公共電極和中心公共電極組成。
金屬轉(zhuǎn)子周邊的徑向電極包括沿X軸正向和負(fù)向且關(guān)于X軸對(duì)稱布置的徑向懸浮控制電極對(duì)、沿Y軸正向和負(fù)向且關(guān)于X軸對(duì)稱布置的徑向懸浮控制電極對(duì)和布置于徑向懸浮電極對(duì)之間的公共電極；其中徑向懸浮控制電極對(duì)由兩個(gè)形狀和大小都相同的徑向電極組成。
金屬轉(zhuǎn)子為輪狀，其上均勻地設(shè)置有數(shù)量為二的倍數(shù)的通槽，各通槽之間輻條的上、下表面為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子電極，并通過(guò)軸向電極間隙與上、下襯底層上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極相對(duì)應(yīng)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子電極和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極的電極數(shù)量不同；金屬轉(zhuǎn)子輪緣的上、下表面及中心處輪轂的上、下表面通過(guò)軸向電極間隙分別與上、下襯底層上的軸向電極相對(duì)應(yīng)；金屬轉(zhuǎn)子輪緣的外側(cè)面通過(guò)徑向電極間隙與周邊徑向電極相對(duì)應(yīng)，金屬轉(zhuǎn)子輪轂上、下面的中心處設(shè)置有突出軸柱，并通過(guò)間隙分別與上、下襯底中心處的止擋凹坑相對(duì)應(yīng)。
上、下襯底均為方板玻璃襯底，上、下襯底中心處的止擋凹坑的內(nèi)表面鍍薄膜金屬導(dǎo)電層。
本發(fā)明靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器的制造方法，包括下襯底層的工序、中間金屬結(jié)構(gòu)層的工序、上襯底層的工序和鍵合工序，其中下襯底層的工序或上襯底層的工序包括首先準(zhǔn)備方板玻璃襯底，然后在方板玻璃襯底的中心處刻蝕止擋凹坑，接著制作止擋凹坑內(nèi)表面的薄膜導(dǎo)電層、薄膜金屬軸向電極和引線，并沉積絕緣保護(hù)層；中間金屬結(jié)構(gòu)層的工序包括在下襯底層工序的基礎(chǔ)上制作犧牲層，接著蒸鍍金種子層，旋涂厚光刻膠并光刻成模，然后同時(shí)電鑄形成金屬轉(zhuǎn)子和徑向電極；拋磨電鑄結(jié)構(gòu)的上表面后，二次電鑄鎳形成轉(zhuǎn)子輪轂上面中心處的突出軸柱，然后在徑向電極上制作鍵合焊接層；去除光刻膠和犧牲層，釋放金屬轉(zhuǎn)子；鍵合工序包括將已完成上襯底層工序的玻璃上襯底層倒置，與中間金屬結(jié)構(gòu)層對(duì)齊裝配，然后共熔回流自對(duì)準(zhǔn)焊接鍵合；切片，獲得微器件芯片。
該基于準(zhǔn)LIGA(光刻、電鑄、注塑)技術(shù)的制造方法所采用電鑄金屬轉(zhuǎn)子和徑向電極的材質(zhì)均為金屬鎳(Ni)，所用的厚光刻膠為SU-8負(fù)性光刻膠。電鑄金屬轉(zhuǎn)子和徑向電極在厚光刻膠模上同時(shí)電鑄形成，并通過(guò)SU-8厚光刻膠模定義徑向電極間隙；鍵合焊接層為電鑄鉛錫(Pb-Sn)焊層，共熔回流自對(duì)準(zhǔn)焊接鍵合；金屬轉(zhuǎn)子下方的軸向電極間隙通過(guò)犧牲層定義，上方的軸向電極間隙通過(guò)刻蝕上襯底下陷并經(jīng)焊接鍵合來(lái)形成。
或者本發(fā)明的制造方法，包括下襯底層的工序、上襯底層的工序、徑向電極的工序、金屬轉(zhuǎn)子的工序和微裝配與鍵合工序，徑向電極和金屬轉(zhuǎn)子分別通過(guò)徑向電極的工序和金屬轉(zhuǎn)子的工序經(jīng)SU8厚光刻膠模分別電鑄金屬Ni而成，并且金屬轉(zhuǎn)子的外徑和厚度分別小于徑向電極的內(nèi)徑和高度，通過(guò)微裝配和鉛錫(Pb-Sn)焊接鍵合來(lái)形成徑向電極間隙和軸向電極間隙。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于，靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器采用輪狀的Ni金屬轉(zhuǎn)子和SU-8光刻膠的近紫外線(UV)準(zhǔn)LIGA技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低；通過(guò)本發(fā)明利用靜電懸浮Ni金屬微轉(zhuǎn)子可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)二軸角速度和三軸線加速度的測(cè)量功能。


圖1本發(fā)明XOZ平面的結(jié)構(gòu)剖面2本發(fā)明沿OZ軸的分解立體結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明金屬轉(zhuǎn)子的立體結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明采用三明治式的三層鍵合結(jié)構(gòu)，由下襯底層1，中間金屬結(jié)構(gòu)層2和上襯底層3構(gòu)成。在下襯底層1的襯底10的上表面上設(shè)置有軸向薄膜金屬電極和引線，其中軸向薄膜金屬電極包括沿X軸向布置的軸向懸浮控制電極對(duì)11、13，沿Y軸向布置的軸向懸浮控制電極對(duì)12、14，公共電極15a～15e和數(shù)量為三的倍數(shù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極16；在下襯底10的中心處還設(shè)置有止擋凹坑17。上襯底層3與下襯底層1的結(jié)構(gòu)相同，其襯底30的下底面上同樣設(shè)置有沿X軸向布置的軸向懸浮控制電極對(duì)31、33，沿Y軸向布置的軸向懸浮控制電極對(duì)32、34，公共電極35a～35e，數(shù)量為三的倍數(shù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極36；上襯底30中心處同樣設(shè)置有止擋凹坑37。中間金屬結(jié)構(gòu)層2包括轉(zhuǎn)子20和轉(zhuǎn)子20周邊布置的徑向電極，其中包括沿X軸向布置的徑向懸浮控制電極對(duì)21、23，沿Y軸向布置的徑向懸浮控制電極對(duì)22、24，公共電極25a～25d。
如圖3所示，金屬轉(zhuǎn)子20為輪狀，其上均勻地設(shè)置有數(shù)量為二的倍數(shù)的通槽42，各通槽42之間輻條的上、下表面為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子電極41，并與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極36、16相對(duì)應(yīng)；轉(zhuǎn)子20輪緣的上、下表面45為轉(zhuǎn)子的軸向懸浮作用面，分別與上襯底30上的軸向電極31～34、35a～35d和下襯底10上的軸向電極11～14、15a～15d相對(duì)應(yīng)；轉(zhuǎn)子20輪緣的外側(cè)面46為轉(zhuǎn)子的徑向懸浮作用面，與周邊徑向電極21～24、25a～25d相對(duì)應(yīng)；轉(zhuǎn)子20中心處輪轂的上、下表面43分別與上、下襯底30、10上的公共電極35e和15e相對(duì)應(yīng)；轉(zhuǎn)子20輪轂中心處的突出軸柱44分別與上、下襯底30、10中心處的止擋凹坑37和17相對(duì)應(yīng)。
如圖1所示，下襯底層1、上襯底層3分別和徑向電極21～24、25a～25d相鍵合形成轉(zhuǎn)子腔29，轉(zhuǎn)子20處于轉(zhuǎn)子腔29的中心；轉(zhuǎn)子20與下襯底層1上的軸向電極11～14、15a～15e和上襯底層3上的軸向電極31～34、35a～35e間分別形成軸向電極間隙27，與徑向電極21～24、25a～25d間形成徑向電極間隙26；轉(zhuǎn)子20輪轂上、下面43的中心處設(shè)置有突出軸柱44，并分別與上、下止擋凹坑37、17之間形成間隙28a和28b。
上、下襯底30和10均采用方板玻璃襯底，由于玻璃襯底為絕緣體，作為金屬電極和引線的載體，其分布電容較小，對(duì)于微電容測(cè)量有好處；另一方面，采用方形玻璃板襯底可為微慣性傳感器提供敏感軸方位基準(zhǔn)。上、下玻璃襯底上的軸向懸浮控制電極對(duì)31～34和11～14用于懸浮轉(zhuǎn)子Z軸向的線位移和繞X或Y軸的轉(zhuǎn)角位移的懸浮控制；金屬轉(zhuǎn)子20周邊的徑向懸浮控制電極對(duì)21～24用于懸浮轉(zhuǎn)子徑向的線位移的懸浮控制；所有公共電極15a～15e、35a～35e和25a～25d相連，用于輸出轉(zhuǎn)子的位移檢測(cè)電流，為提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比，要求公共電極與轉(zhuǎn)子間形成的大公共電容要盡可能大。轉(zhuǎn)子20輪轂上、下面的中心處的突出軸柱44用作轉(zhuǎn)子20的支撐柱，用于懸浮啟動(dòng)時(shí)減小轉(zhuǎn)子與襯底之間的靜摩擦力；上、下襯底30和10中心處的止擋凹坑37、17分別通過(guò)轉(zhuǎn)子上、下面的突出軸柱44作用，用于約束轉(zhuǎn)子軸向和徑向的過(guò)大位移；上、下襯底30和10中心處的止擋凹坑37、17的內(nèi)表面鍍薄膜金屬導(dǎo)電層用作接地面，用于轉(zhuǎn)子停歇時(shí)釋放其上可能的積累電荷，以保證轉(zhuǎn)子為零電位。上、下襯底30、10上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極36和16的數(shù)量為3的倍數(shù)并分成三組以施加三相直流驅(qū)動(dòng)電壓，轉(zhuǎn)子20的輻條上、下表面的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子電極41的數(shù)量為二的倍數(shù)，且與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極16或36的數(shù)量不同。
本發(fā)明靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器的主要工作過(guò)程為下襯底10上的軸向懸浮控制電極對(duì)11～14、上襯底30上的軸向懸浮控制電極對(duì)31～34和轉(zhuǎn)子20之間形成4對(duì)Z軸向的軸向差動(dòng)電容；轉(zhuǎn)子20周邊X軸向的徑向懸浮控制電極對(duì)21和23、Y軸向的徑向懸浮控制電極對(duì)22和24與轉(zhuǎn)子20之間分別形成X軸向和Y軸向的徑向差動(dòng)電容。工作時(shí)，在軸向和徑向懸浮控制電極對(duì)11～14，31～34，21～24上分別施加等值異號(hào)的直流懸浮控制電壓，將使轉(zhuǎn)子20在軸向、徑向靜電支撐力的作用下懸浮在轉(zhuǎn)子腔的中間位置(零位)上；在軸向和徑向懸浮控制電極對(duì)11～14，31～34，21～24上分別再疊加表示轉(zhuǎn)子線位移和角位移的不同頻率(高頻)的載波電壓，因高頻激勵(lì)電壓作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子20發(fā)生線位移或角位移時(shí)，在相連的公共電極15a～15e、35a～35e、25a～25d上將產(chǎn)生表示轉(zhuǎn)子相應(yīng)位移的交流檢測(cè)電流信號(hào)。同樣，當(dāng)在上、下襯底的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極36、16上施加三相直流驅(qū)動(dòng)電壓(相應(yīng)同相的上下驅(qū)動(dòng)定子電極所加的驅(qū)動(dòng)電壓等值異號(hào))并疊加表示轉(zhuǎn)子電極相對(duì)定子電極的轉(zhuǎn)角位置檢測(cè)載波信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)子將繞其中心軸高速旋轉(zhuǎn)，并也將在公共電極15a～15e、35a～35e、25a～25d上產(chǎn)生表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置的交流檢測(cè)電流信號(hào)。即在表示轉(zhuǎn)子六個(gè)自由度位移的不同頻率的高頻載波激勵(lì)信號(hào)下，轉(zhuǎn)子20與其周圍的所有公共電極之間形成一個(gè)大的公共電容，當(dāng)轉(zhuǎn)子20發(fā)生線位移或角位移時(shí)，由這個(gè)大公共電容的公共電極上可同時(shí)引出包含轉(zhuǎn)子線位移、角位移六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度信息的交流檢測(cè)電流信號(hào)。此交流檢測(cè)電流信號(hào)經(jīng)包括前置放大器在內(nèi)的位移檢出電路轉(zhuǎn)換生成交流檢測(cè)電壓信號(hào)vp。包含轉(zhuǎn)子位移信息的檢測(cè)交流電壓信號(hào)vp，以標(biāo)準(zhǔn)載波信號(hào)為參考信號(hào)進(jìn)行同步解調(diào)、濾波，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子相應(yīng)軸的位移信號(hào)，經(jīng)計(jì)算求得相應(yīng)懸浮電極對(duì)上應(yīng)加的直流懸浮控制電壓從而使轉(zhuǎn)子20歸零位。同樣，包含旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子電極41相對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極16或36轉(zhuǎn)角位移信息的交流檢測(cè)電壓信號(hào)vp，進(jìn)行同步解調(diào)，濾波后，可計(jì)算出轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)電極相對(duì)定子驅(qū)動(dòng)電極的轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)子20的實(shí)際轉(zhuǎn)速，經(jīng)閉環(huán)恒速控制自動(dòng)調(diào)節(jié)各相定子驅(qū)動(dòng)電極上的加壓脈寬或幅值，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子20按設(shè)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
力矩再平衡原理測(cè)角速度的原理當(dāng)微慣性傳感器的殼體相對(duì)慣性空間有垂直于轉(zhuǎn)子20自轉(zhuǎn)軸oz的角速度如繞Y軸輸入角速度ωy時(shí)，殼體將繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)子相對(duì)殼體繞Y軸發(fā)生轉(zhuǎn)角位移φy，經(jīng)位移電容檢測(cè)、靜電懸浮控制后，將相應(yīng)改變沿Y軸向布置的構(gòu)成差動(dòng)電容的軸向懸浮控制電極對(duì)12與32，14與34上的懸浮控制電壓的大小，即轉(zhuǎn)子20將受到懸浮控制施加的繞X軸的控制力矩Mx的作用。在Mx平衡力矩作用下，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸oz繞Y軸相對(duì)慣性空間進(jìn)動(dòng)，且進(jìn)動(dòng)方向與殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，從而將轉(zhuǎn)子繞Y軸相對(duì)殼體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角位移φy消除掉，以保證轉(zhuǎn)子20的自轉(zhuǎn)軸始終處于轉(zhuǎn)子腔29的零位工作。由產(chǎn)生的懸浮控制電壓的大小，計(jì)算出轉(zhuǎn)子所受的平衡力矩Mx，由下式可求得繞Y軸輸入的角速度ωy=MxH=MxIΩ]]>式中H為轉(zhuǎn)子20的角動(dòng)量，I為轉(zhuǎn)子20的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ω為轉(zhuǎn)子20的自轉(zhuǎn)角速度。同理，若殼體相對(duì)慣性空間繞X軸輸入角速度ωx時(shí)，轉(zhuǎn)子相對(duì)殼體繞X軸將發(fā)生轉(zhuǎn)角位移φx，由沿X軸向布置的構(gòu)成差動(dòng)電容的軸向懸浮電極對(duì)11與31，13與33上產(chǎn)生的再平衡力矩My，根據(jù)下式可求得繞X軸輸入的角速度ωx=MyH=MyIΩ]]>力平衡原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子三軸線加速度的測(cè)量當(dāng)轉(zhuǎn)子20發(fā)生沿X或Y或Z軸向的線位移時(shí)，在構(gòu)成差動(dòng)電容的懸浮電極對(duì)上的直流懸浮控制電壓將發(fā)生改變，即產(chǎn)生相應(yīng)的靜電懸浮控制力F使轉(zhuǎn)子20歸零。由使轉(zhuǎn)子20回零位的靜電反饋平衡力F，由下式可求得輸入的相應(yīng)線加速度a=Fm]]>式中線加速度a＝[ax，ay，az]T，反饋平衡力F＝[Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z]T，m為轉(zhuǎn)子20的質(zhì)量。
為提高本發(fā)明微慣性傳感器軸向和徑向工作的靈敏度，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于幾微米大小的軸向電極間隙27和徑向電極間隙26的形成，特別是轉(zhuǎn)子20和徑向電極之間的高深寬比徑向電極間隙26的形成。準(zhǔn)LIGA技術(shù)由于利用近紫外光(UV)來(lái)代替LIGA技術(shù)中的X射線光，從而使得工藝成本大為降低，并且同樣能獲得數(shù)百微米厚，側(cè)壁陡峭，表面平整的高深寬比(可大于20∶1)微結(jié)構(gòu)。特別是SU-8厚光刻膠的開(kāi)發(fā)，使得UV-LIGA技術(shù)在高深寬比微結(jié)構(gòu)中獲得了廣泛應(yīng)用。因此，本發(fā)明主要采用這種基于SU-8光刻膠的UV-LIGA微加工技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所涉及的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器的一種制作方法，包括下襯底層的工序、中間金屬結(jié)構(gòu)層的工序、上襯底層的工序和鍵合工序。
下襯底層的工序首先準(zhǔn)備方板玻璃下襯底10，并刻蝕中心止擋凹坑17；接著濺射一層Cr/Au或Ti/Au薄膜，其中Cr、Ti為附著層，厚20nm，Au為薄膜電極及引線層，厚500nm；然后圖形化以形成止擋凹坑17內(nèi)表面的薄膜導(dǎo)電層、薄膜金屬軸向電極(包括電極11～14，15a～15e和16)、徑向電極電鑄金屬基層和引線；接著沉積一層500nm厚的氮化硅或氧化硅的絕緣保護(hù)層。
中間金屬結(jié)構(gòu)層的工序在下襯底層工序形成的絕緣保護(hù)層上，接著制作形成下軸向電極間隙的厚為2～5μm的犧牲層，該犧牲層可通過(guò)旋涂光刻膠或?yàn)R射Ti形成；光刻犧牲層和絕緣保護(hù)層以露出電鑄金屬基層和引線點(diǎn)，然后蒸鍍Au種子層；接著旋涂100μm左右的SU8厚光刻膠，并光刻成轉(zhuǎn)子20和徑向電極21～24、25a～25d的光刻膠模，即用光刻膠模定義徑向電極間隙26，間隙大小小于10μm；用氨基磺酸鎳為主的電鍍液進(jìn)行電鑄Ni結(jié)構(gòu)以形成Ni轉(zhuǎn)子和徑向電極，氨基磺酸鎳濃度為300g/L，電鑄電流密度10～25A/dm2；由于電鍍結(jié)構(gòu)的上表面比較粗糙，需要進(jìn)行多步拋磨以使粗糙度達(dá)到亞微米級(jí)。接著旋涂數(shù)微米厚的光刻膠并光刻成模，然后二次電鑄Ni以形成轉(zhuǎn)子20輪轂上面中心處的突出軸柱44。剝離上面突出軸柱44的光刻膠模，再次旋涂光刻膠并在徑向電極之上光刻成模，用含氟硼酸鉛和氟硼酸錫為主的電鍍液電鑄約20μm厚的鉛錫(Pb-Sn)焊接層作為徑向電極和玻璃上襯底30之間的鍵合焊接層。采用氧等離子灰化法去除光刻膠，并刻蝕掉犧牲層，釋放轉(zhuǎn)子。
上襯底層的工序與下襯底層的工序基本相同首先準(zhǔn)備方板玻璃上襯底30，刻蝕2～5μm的下陷以定義上襯底電極與轉(zhuǎn)子間的軸向電極間隙27，并在中心處刻蝕止擋凹坑37，其深度和內(nèi)徑都要稍小于下襯底止擋凹坑17的深度和內(nèi)徑，這樣，工作時(shí)上襯底層放置于下面，這樣啟動(dòng)前轉(zhuǎn)子不完全貼近定子電極從而減小啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦力。接下來(lái)的工序同下襯底層的濺射一層Cr/Au或Ti/Au薄膜(Cr、Ti厚20nm，Au厚500nm)，然后圖形化以形成止擋凹坑37內(nèi)表面的薄膜導(dǎo)電層、薄膜金屬軸向電極(包括電極31～34，35a～35e和36)、徑向電極金屬基層和引線；接著沉積一層500nm厚的氮化硅或氧化硅的絕緣保護(hù)層。
中間金屬結(jié)構(gòu)層和上襯底層的鍵合工序?qū)⑼瓿缮弦r底層工序的玻璃上襯底層3倒置，與中間金屬結(jié)構(gòu)層2對(duì)齊裝配、Pb-Sn共熔回流(183℃)自對(duì)準(zhǔn)焊接鍵合，切片，并將微慣性器件倒置，即上襯底層3在下方。至此，可獲得本發(fā)明微慣性器件的芯片。為實(shí)現(xiàn)靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器的功能，芯片還須進(jìn)行真空封裝和控制驅(qū)動(dòng)線路的制作。
上述本發(fā)明所涉及的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器制作方法的實(shí)施例，其顯著的特點(diǎn)是金屬轉(zhuǎn)子和徑向電極在SU8厚光刻膠模上同時(shí)電鑄Ni而成，并通過(guò)SU8厚光刻膠模定義高深寬比徑向電極間隙26；轉(zhuǎn)子下方的軸向電極間隙27通過(guò)犧牲層定義，而上方的軸向電極間隙27通過(guò)刻蝕上襯底下陷并經(jīng)Pb-Sn焊接鍵合來(lái)形成。該實(shí)施例提供的微慣性傳感器的制作方法工藝簡(jiǎn)單，易于批量制作，但定義徑向電極間隙的SU8厚光刻膠模去除困難。
本發(fā)明所涉及的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器制造方法的另一實(shí)施例為金屬轉(zhuǎn)子和徑向電極通過(guò)各自的SU8厚光刻膠模分別電鑄Ni而成，并通過(guò)微裝配來(lái)形成金屬轉(zhuǎn)子和徑向電極之間的高深寬比徑向電極間隙。即該種靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器的制造方法，包括下襯底層的工序、上襯底層的工序、徑向電極的工序、金屬轉(zhuǎn)子的工序和微裝配與鍵合工序。下襯底層的工序或上襯底層的工序，同上述實(shí)施例中的下襯底層工序，包括首先準(zhǔn)備方板玻璃襯底，然后在方板玻璃襯底的中心處刻蝕止擋凹坑，接著制作止擋凹坑內(nèi)表面的薄膜導(dǎo)電層、薄膜金屬軸向電極、徑向電極電鑄金屬基層和引線，并沉積絕緣保護(hù)層；所述的徑向電極的工序包括在下襯底層工序的基礎(chǔ)上，在徑向電極電鑄金屬基層上蒸鍍金種子層，旋涂SU-8厚光刻膠并光刻成模，然后電鑄Ni金屬?gòu)较螂姌O；拋磨電鑄金屬?gòu)较螂姌O的上表面后，然后在徑向電極上電鑄Pb-Sn鍵合焊接層，去光刻膠。金屬轉(zhuǎn)子的工序準(zhǔn)備玻璃或硅襯底，蒸鍍Cr/Au種子層并圖形化，旋涂SU-8厚光刻膠并光刻成模，然后電鑄Ni金屬轉(zhuǎn)子，拋磨其上表面后，二次電鑄鎳形成轉(zhuǎn)子輪轂上面中心處的突出軸柱，去除光刻膠，釋放金屬轉(zhuǎn)子；微裝配與鍵合工序包括在顯微鏡下將釋放的Ni金屬轉(zhuǎn)子置于電鑄Ni徑向電極之中完成微裝配，然后將玻璃上襯底層倒置，與徑向電極之上的電鑄Pb-Sn鍵合焊接層對(duì)齊裝配，然后共熔回流自對(duì)準(zhǔn)焊接鍵合；切片，獲得微器件芯片。該靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器制造方法實(shí)施例的另一顯著的特點(diǎn)是金屬轉(zhuǎn)子的外徑和厚度分別小于徑向電極的內(nèi)徑和高度，通過(guò)微裝配和焊接鍵合來(lái)形成徑向電極間隙和軸向電極間隙。該微慣性傳感器制造方法的實(shí)施例通過(guò)微裝配來(lái)形成徑向電極間隙，避免了上述實(shí)施例采用SU8厚光刻膠模定義徑向電極而引起的去膠困難的缺點(diǎn)，但工藝相對(duì)復(fù)雜。
以上所述的實(shí)施例目的在于使熟知此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，但不能作為本發(fā)明的保護(hù)范圍，即凡是依據(jù)本發(fā)明所揭示的精神而加以修飾或變化，仍應(yīng)認(rèn)為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器，由下襯底層(1)，中間金屬結(jié)構(gòu)層(2)和上襯底層(3)構(gòu)成，其特征在于中間金屬結(jié)構(gòu)層(2)由金屬轉(zhuǎn)子(20)和金屬轉(zhuǎn)子周邊的徑向電極(21～24、25a～25d)組成，下襯底層(1)、上襯底層(3)分別和徑向電極(21～24、25a～25d)相鍵合形成轉(zhuǎn)子腔(29)，轉(zhuǎn)子腔(29)的中心為慣性坐標(biāo)系OXYZ的原點(diǎn)O，上下方向的中心軸向?yàn)镺Z軸，金屬轉(zhuǎn)子(20)處于轉(zhuǎn)子腔(29)的中心，OZ軸向?yàn)槠湫D(zhuǎn)軸方向；在下襯底(10)的上表面上設(shè)置有薄膜金屬軸向電極(11～14、15a～15e)和引線，下襯底(10)的中心處設(shè)置有止擋凹坑(17)；上襯底層(3)與下襯底層(1)的結(jié)構(gòu)相同，上襯底(30)的下表面上同樣設(shè)置有薄膜金屬軸向電極(31～34、35a～35e)和引線，上襯底(30)的中心處同樣設(shè)置有止擋凹坑(37)；金屬轉(zhuǎn)子(20)與上襯底(30)上的薄膜金屬軸向電極(31～34、35a～35e)和下襯底(10)上的薄膜金屬軸向電極(11～14、15a～15e)之間分別形成軸向電極間隙(27)；金屬轉(zhuǎn)子(20)與周邊徑向電極(21～24、25a～25d)之間形成徑向電極間隙(26)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器，其特征是，所述的下襯底(10)上表面上的薄膜金屬軸向電極(11～14、15a～15e)包括沿X軸正向和負(fù)向且關(guān)于X軸對(duì)稱布置的軸向懸浮控制電極對(duì)(11)和(13)、沿Y軸正向和負(fù)向且關(guān)于Y軸對(duì)稱布置的軸向懸浮控制電極對(duì)(12)和(14)、公共電極(15a～15e)和數(shù)量為三的倍數(shù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極(16)，其中軸向懸浮控制電極對(duì)(11～14)由兩個(gè)形狀和大小都相同的軸向電極組成，公共電極(15a～15e)由布置于所述的軸向懸浮控制電極對(duì)(11～14)之間的公共電極(15a～15d)和中心公共電極(15e)組成；所述的上襯底(30)下表面上的薄膜金屬軸向電極(31～34、35a～35e)包括沿X軸正向和負(fù)向且關(guān)于X軸對(duì)稱布置的軸向懸浮控制電極對(duì)(31)和(33)、沿Y軸正向和負(fù)向且關(guān)于Y軸對(duì)稱布置的軸向懸浮控制電極對(duì)(32)和(34)、公共電極(35a～35e)和數(shù)量為三的倍數(shù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極(36)，其中軸向懸浮控制電極對(duì)(31～34)由兩個(gè)形狀和大小都相同的軸向電極組成，公共電極(35a～35e)由布置于所述的軸向懸浮電極對(duì)(31～34)之間的公共電極(35a～35d)和中心公共電極(35e)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器，其特征是，所述的金屬轉(zhuǎn)子(20)周邊的徑向電極(21～24、25a～25d)包括沿X軸正向和負(fù)向且關(guān)于X軸對(duì)稱布置的徑向懸浮控制電極對(duì)(21)和(23)、沿Y軸正向和負(fù)向且關(guān)于X軸對(duì)稱布置的徑向懸浮控制電極對(duì)(22)和(24)和布置于所述的徑向懸浮電極對(duì)(21～24)之間的公共電極(25a～25d)，其中徑向懸浮控制電極對(duì)(21～24)由兩個(gè)形狀和大小都相同的徑向電極組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器，其特征是，所述的金屬轉(zhuǎn)子(20)為輪狀，其上均勻地設(shè)置有數(shù)量為二的倍數(shù)的通槽(42)，各通槽(42)之間輻條的上、下表面為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子電極(41)，并通過(guò)軸向電極間隙(27)與上、下襯底層上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定子電極(36)、(16)相對(duì)應(yīng)；金屬轉(zhuǎn)子(20)輪緣的上、下表面(45)通過(guò)軸向電極間隙(27)分別與上襯底(30)上的薄膜金屬軸向電極(31～34、35a～35d)和下襯底(10)上的薄膜金屬軸向電極(11～14、15a～15d)相對(duì)應(yīng)；金屬轉(zhuǎn)子(20)中心處輪轂的上、下表面(43)通過(guò)軸向電極間隙(27)分別與上襯底層上的中心公共電極(35e)和下襯底層上的中心公共電極(15e)相對(duì)應(yīng)；金屬轉(zhuǎn)子(20)輪緣的外側(cè)面(46)通過(guò)徑向電極間隙(26)與周邊徑向電極(21～24、25a～25d)相對(duì)應(yīng)；金屬轉(zhuǎn)子(20)輪轂上、下面(43)的中心處均設(shè)置有突出軸柱(44)，并通過(guò)間隙(28a、28b)分別與上襯底(30)中心處的止擋凹坑(37)和下襯底(10)中心處的止擋凹坑(17)相對(duì)應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器，其特征是，所述的上襯底(30)和所述的下襯底(10)均為方板玻璃襯底，上襯底(30)中心處的止擋凹坑(37)和下襯底(10)中心處的止擋凹坑(17)的內(nèi)表面鍍薄膜金屬導(dǎo)電層。
6.一種靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器的制造方法，其特征在于包括下襯底層的工序、中間金屬結(jié)構(gòu)層的工序、上襯底層的工序和鍵合工序，所述的下襯底層的工序或上襯底層的工序包括首先準(zhǔn)備方板玻璃襯底，然后在方板玻璃襯底的中心處刻蝕止擋凹坑，接著制作止擋凹坑內(nèi)表面的薄膜導(dǎo)電層、薄膜金屬軸向電極和引線，并沉積絕緣保護(hù)層；所述的中間金屬結(jié)構(gòu)層的工序包括在所述的下襯底層工序的基礎(chǔ)上制作犧牲層，接著蒸鍍金種子層，旋涂厚光刻膠并光刻成模，然后同時(shí)電鑄形成金屬轉(zhuǎn)子和徑向電極，并通過(guò)形成的厚光刻膠模定義徑向電極間隙；拋磨電鑄結(jié)構(gòu)的上表面后，二次電鑄鎳形成轉(zhuǎn)子輪轂上面中心處的突出軸柱，然后在徑向電極上制作鍵合焊接層，去除光刻膠和犧牲層，釋放金屬轉(zhuǎn)子；所述的鍵合工序包括將已完成上襯底層工序的玻璃上襯底層倒置，與中間金屬結(jié)構(gòu)層對(duì)齊裝配，然后共熔回流自對(duì)準(zhǔn)焊接鍵合，切片，獲得微器件芯片；或者包括下襯底層的工序、上襯底層的工序、徑向電極的工序、金屬轉(zhuǎn)子的工序和微裝配與鍵合工序，徑向電極和金屬轉(zhuǎn)子分別通過(guò)所述的徑向電極的工序和所述的金屬轉(zhuǎn)子的工序經(jīng)厚光刻膠模分別電鑄金屬而成，并且金屬轉(zhuǎn)子的外徑和厚度分別小于徑向電極的內(nèi)徑和高度，通過(guò)微裝配與鍵合工序來(lái)形成徑向電極間隙和軸向電極間隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器的制造方法，其特征是，所述的電鑄金屬轉(zhuǎn)子和徑向電極的材質(zhì)均為金屬鎳，厚光刻膠為SU-8負(fù)性光刻膠。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器的制造方法，其特征是，所述的鍵合焊接層為電鑄鉛錫焊層。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器的制造方法，其特征是，金屬轉(zhuǎn)子下方的軸向電極間隙通過(guò)犧牲層定義，上方的軸向電極間隙通過(guò)刻蝕上襯底下陷并經(jīng)焊接鍵合來(lái)形成。
全文摘要
一種靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器及其制造方法，用于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明微慣性傳感器包括下襯底層，中間金屬結(jié)構(gòu)層和上襯底層，中間金屬結(jié)構(gòu)層由金屬轉(zhuǎn)子和周邊徑向電極組成，下、上襯底層分別和徑向電極相鍵合形成轉(zhuǎn)子腔，輪狀的金屬轉(zhuǎn)子處于轉(zhuǎn)子腔的中心，與下、上襯底上的軸向電極和周邊徑向電極之間分別形成軸向電極間隙和徑向電極間隙。制備方法包括下襯底層的工序、中間金屬結(jié)構(gòu)層的工序、上襯底層的工序和鍵合工序，或包括下襯底層的工序、上襯底層的工序、徑向電極的工序、金屬轉(zhuǎn)子的工序和微裝配與鍵合工序，給出了基于UV－LIGA技術(shù)的制造方法。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，可以同時(shí)測(cè)量二軸角速度和三軸線加速度。
文檔編號(hào)G01C19/24GK1580701SQ20041001847
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月20日
發(fā)明者陳文元, 崔峰, 趙小林, 張衛(wèi)平 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)