一種組裝式半球諧振微陀螺儀及其加工工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機(jī)電和慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及一種組裝式半球諧振微陀螺儀及其加工工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]半球型諧振陀螺儀作為一種慣性姿態(tài)測量器件，具有很高的測量精度，超強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，良好的抗沖擊振動(dòng)性及溫度特性，獨(dú)特的關(guān)機(jī)抗輻射能力，超長的壽命，啟動(dòng)時(shí)間短等突出優(yōu)點(diǎn)，被慣性技術(shù)界認(rèn)為是一種在21世紀(jì)先進(jìn)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中最理想的元件。
[0003]2014年，美國佐治亞理工大學(xué)的P.Shao等人在其最新的論文中介紹了一種利用3D-HARPSS工藝制作的自校準(zhǔn)大電容電極的半球殼，半球殼的直徑為1200μπι，厚度為Iym并且半球殼諧振陀螺儀的閉環(huán)敏感標(biāo)度因數(shù)達(dá)到8.75 mv/°/S。
[0004]半球諧振子的成型至今為止一直是制約其發(fā)展的瓶頸，查閱資料，到目前為止，只有美國和俄羅斯制造出比較好的成品，其它國家僅處于研究階段或制造的產(chǎn)品性能較低。而且上述的利用3D-HARPSS工藝制作半球殼諧振陀螺儀的工藝復(fù)雜，并且半球殼的支撐面積是由犧牲層S12的殘留面積決定的，因此使用HF超臨界干燥法刻蝕犧牲層釋放半球殼時(shí)，HF的濃度和刻蝕的時(shí)間非常關(guān)鍵，控制難度較大，可能造成支撐面積過大或者過小，嚴(yán)重影響了陀螺儀的工作性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于提供一種組裝式半球諧振微陀螺儀，本發(fā)明的另一目的在于提供一種組裝式半球諧振微陀螺儀的加工工藝，半球殼諧振子的加工工藝簡單，并且釋放半球殼時(shí)，不存在支撐面積難以控制的問題。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種組裝式半球諧振微陀螺儀，包括半球殼諧振子、外圍錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)、上層玻璃襯底、下層玻璃襯底、電極、圓形凹槽、電極孔、焊盤、金屬電極區(qū)和金屬引線;所述的上層玻璃襯底、外圍錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)和下層玻璃襯底由上而下依次設(shè)置，在上層玻璃襯底的底面的中心設(shè)有圓形凹槽，外圍錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)為中空的框型結(jié)構(gòu)，圓形凹槽和外圍錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)的中空區(qū)域相連通形成腔體，在該腔體的中心設(shè)置半球殼諧振子;在上層玻璃襯底上等間距設(shè)置十六個(gè)電極，每個(gè)電極均分別與相對應(yīng)的十六個(gè)電極孔相連，電極孔設(shè)置在上層玻璃襯底中；在下層玻璃襯底上設(shè)有對應(yīng)半球殼諧振子的電極孔;在上層玻璃襯底上的四周等間距設(shè)置有焊盤，焊盤為方形且為十六個(gè)，焊盤通過金屬引線與相應(yīng)的上層玻璃襯底中的電極孔相連;在下層玻璃襯底上設(shè)有金屬電極區(qū)，圓形金屬鍵合區(qū)通過金屬引線與下層玻璃襯底中電極孔相連。
[0007]所述的半球殼諧振子通過支撐柄鍵合在下層玻璃襯底上。
[0008]所述的電極孔與下層玻璃襯底底面的方形金屬焊盤相連。
[0009]所述的半球殼諧振子的直徑為1200?1500μπι，厚度為I?5μπι。
[0010]所述的半球殼諧振子和電極之間的間隙為5?20μπι。
[0011 ] 該組裝式半球諧振微陀螺儀的整體尺寸為3000μπι X 3000μπι X 1200μπι。
[0012 ] —種組裝式半球諧振微陀螺儀的加工工藝，包括以下步驟:
I)形成鍵合區(qū)、焊盤和信號(hào)引線
上層玻璃襯底底面光刻并用濕法刻蝕，形成圓形凹槽，在正面光刻膠并濕法刻蝕，形成電極孔通孔，重新涂膠，光刻并濕法刻蝕，形成焊盤槽和信號(hào)引線槽;在下層玻璃襯底正面涂光刻膠、光刻、濕法刻蝕，形成圓形鍵合區(qū)和引線槽，在反面涂覆光刻膠、光刻、曝光、顯影，濕法刻蝕，形成電極引線通孔；
在上、下層玻璃基底上光刻膠、光刻、曝光、顯影、濺射金屬鉻和金，形成鍵合區(qū)、焊盤和信號(hào)引線；
2 )形成支撐柄、電極、外圍銷點(diǎn)結(jié)構(gòu)和半球殼諧振子
清洗第一塊硅晶圓片，在硅晶圓片雙面熱生長S12，涂光刻膠、光刻并刻蝕S12，在中心區(qū)域刻蝕出圓形開口，使用SF6等離子體各向同性刻蝕，形成半球型凹槽;在硅片背面涂覆光刻膠、光刻、曝光、顯影，利用ICP工藝刻蝕圓孔，使得中心孔穿透硅片，制作支撐柄;在硅晶圓片上熱生長S12，LPCVD多晶硅，摻雜，退火，去除表面的多晶硅，得到半球殼諧振子；清洗第二塊硅晶圓片，雙面熱生長S12,在正面涂光刻膠，光刻、曝光、顯影，使用ICP技術(shù)刻蝕凹槽，并利用CMP將硅晶圓片減薄到指定的厚度;將第二塊晶硅圓片與上層玻璃基底進(jìn)行硅-玻璃陽極鍵合;在第二塊晶硅圓片上LPCVD沉積S i O2，光刻并使用ICP技術(shù)刻蝕，直到刻蝕到底部的深槽為止，形成電極和外圍錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)；
3)鍵合和封裝
將經(jīng)過步驟2)加工過的第一塊硅晶圓片與帶有金屬電極和引線的下層玻璃基底進(jìn)行陽極鍵合，并使用HF刻蝕掉S12，使用同性刻蝕氣體SF6/XeF2刻蝕，去除光刻膠;使用HF刻蝕S12，釋放結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)結(jié)構(gòu)層進(jìn)行陽極鍵合，并進(jìn)行真空封裝。
[0013]步驟I)中，在圓形凹槽中沉積納米吸氣劑；以保證真空封裝的真空度；中陀螺儀的制作結(jié)合了MEMS體硅加工工藝、表面微加工工藝、玻璃刻蝕工藝和硅一玻璃陽極鍵合工藝。
[0014]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種組裝式半球諧振微陀螺儀的半球殼、電極和上、下層玻璃襯底四者的加工相互獨(dú)立，可同時(shí)進(jìn)行加工之后將上層玻璃基底與電極、下層玻璃基底與半球殼諧振子通過陽極鍵合為一體，然后再將二者鍵合，實(shí)現(xiàn)了封裝，縮減了生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)生效率;本發(fā)明的半球殼諧振子和均布式電極的加工工藝簡單，尺寸較小，生產(chǎn)成本較低，適合批量化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0015]圖1為組裝式半球諧振微陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為圖1沿A-A面的剖視圖；
圖3為組裝式半球諧振微陀螺儀加工工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
[0017]如圖1-2所示，一種組裝式半球諧振微陀螺儀，包括半球殼諧振子1、支撐柄2、外圍錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)3、上層玻璃襯底4、下層玻璃襯底5、電極6、圓形凹槽7、電極孔8、焊盤9、金屬電極區(qū)10和金屬引線11。
[0018]上層玻璃襯底4、外圍錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)3和下層玻璃襯底5由上而下依次設(shè)置，在上層玻璃襯底4的底面的中心設(shè)有圓形凹槽7，外圍錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)3為中空的框型結(jié)構(gòu)，圓形凹槽7和外圍錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)3的中空區(qū)域相連通形成腔體，在該腔體的中心設(shè)置半球殼諧振子I;半球殼諧振子I通過中心支撐柄2鍵合在下層玻璃襯底上5。
[0019]在上層玻璃襯底4上等間距設(shè)置電極6，每個(gè)電極6均分別與相對應(yīng)的電極孔8相連，其中，電極6為十六個(gè)，在上層玻璃襯底4中設(shè)有十六個(gè)電極孔8，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入與輸出；在下層玻璃襯底5上設(shè)有對應(yīng)半球殼諧振子I的電極孔8，用來對半球殼諧振子I施加基準(zhǔn)電壓。
[0020]半球殼諧振子I和十六個(gè)圍繞半球殼諧振子均勻分布的電極6、外圍錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)3是在兩塊娃晶圓片上加工而成。
[0021 ]在上層玻璃襯底4上的四周等間距設(shè)置有焊盤9，焊盤9為方形且為十六個(gè)，焊盤9通過金屬引線11與相應(yīng)的上層玻璃襯底4中的電極孔8相連;在下層玻璃襯底5上設(shè)有金屬電極區(qū)10，圓形金屬鍵合區(qū)10通過金屬引線11與下層玻璃襯底5中電極孔8相連，電極孔8與下層玻璃襯底5底面的方形金屬焊盤相連。
[0022]半球殼