基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法技术

本发明专利技术公开了基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法。微陀螺仪中设有底部电极、绝缘层、硅基体、谐振子、基座、电极阵列；基座与谐振子的锚端相连，将电信号连到背面的底部电极；硅基体和基座构成半环凹模；环绕谐振子顶端的硅基体由局部离子掺杂，形成环形电极阵列；硅基体的背面设有环形阵列的释放孔；绝缘层位置位于硅基体与底部电极之间。本发明专利技术通过采用谐振子的设计同时引入金刚石材料，降低结构四波腹振动模态的谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高微陀螺仪的零偏置稳定性；所设计微电火花加工技术结合MEMS工艺避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法
本专利技术属于微机电系统(MEMS)传感器及微纳米制造领域，特别是涉及一种基于半环壳谐振子、具有高品质因数和高稳定性的微陀螺仪及其制备方法。
技术介绍
陀螺仪是一种用来测量转动速度或转动角度的传感器，可和GPS一起使用，提供精确定位和导航信息。结合微机电系统(MEMS)技术采用微制造工艺可以缩小陀螺仪的尺寸和功耗。MEMS陀螺仪的精度已达速率级别，被广泛应用于汽车和消费电子系统。新兴的MEMS制造技术集中在三维各向同性的质量和刚度均匀分布的微型壳的制造上，以此实现与半球谐振陀螺相似的三维轴对称微结构。已报道的制备技术包括通过硅各向同性刻蚀获得半球凹模法[1]和玻璃吹制法[2]等。半球壳三维结构使得传统MEMS二维制造扩展至三维制造，MEMS加工效果受限于晶体方向和掩膜材料的选择性，难以在晶片上得到高对称的半球凹模，半球壳结构不对称造成较大的频率裂解，并且以单晶硅或多晶硅为材料的半球谐振子的品质因数Q较低，影响陀螺仪的衰减时间和偏置稳定性。为克服上述问题，本专利技术提出了基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法，在材料上采用基于化学气相沉积(chemicalvapordeposition，CVD)的多晶金刚石薄膜作为谐振子，相比于硅材料具有更好的机械性能以及更高的品质因数；在结构上设计了半环结构谐振子，相比于现有的半球谐振子结构优势包括：(1)半环的曲面更长，使得半环壳的谐振频率更低，更易于降低频率裂解，提高衰减时间和品质因数；(2)半环壳结构的深度H、半径R比值变化范围大，振型分布优化空间大，有利于减弱环境振动对陀螺的干扰；(3)半环壳的边缘离基座更远，谐振时声音能量集中在壳边缘，更能最小化振子和基座的耦合效应，减少支座端的能量损失。在工艺上，采用微电火花加工技术和MEMS工艺结合制备陀螺仪，定量可控三维微加工半环凹模曲面的半径R、深度H，可避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，更有利于谐振频率、品质因数和角度增益因子等参数的分别优化。本专利技术提出的基于半环壳谐振子的微陀螺仪可以降低结构四波腹振动模态的谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高微陀螺仪的零偏置稳定性；引入微电火花加工技术结合MEMS工艺避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，可以使半环壳谐振子的深度H、半径R比值可控且变化范围大。引用文献：[1]X.Gao,L.Sorenson,F.Ayazi,“3-DMicromachinedhemisphericalshellresonatorswithintegratedcapacitivetransducers”,IEEEMEMSconference2012,Paris,France,Jan2012,165-171.[2]SergeiA.Zotov,AlexanderA.Trusov,andAndreiM.Shkel，"Three-dimensionalsphericalshellresonatorgyroscopefabricatedusingwafer-scaleglassblowing",JournalofMicroelectromechanicalSystems,VOL.21,NO.3,JUNE2012,509-510.
技术实现思路
本专利技术所提出一种基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法，优选化学气相沉积金刚石薄膜作为谐振子，设计了半环壳结构的谐振子，可降低谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高陀螺的零偏置稳定性；采用微电火花加工技术和MEMS工艺结合制备陀螺仪，定量可控三维微加工半环凹模曲面的半径R、深度H，可避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，可以使半环壳谐振子的深度H、半径R比值可控且变化范围大，更有利于谐振频率、品质因数和角度增益因子等参数的分别优化。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其中设有底部电极、绝缘层、硅基体、谐振子；硅基体上加工有半环凹模，半环凹模中心为基座，半环凹模的任意一个纵向截面均包含两个向上开口且以基座为中心对称分布的半圆形或半椭圆形；硅基体上表面沿半环凹模周向排布有环形的电极阵列；所述的谐振子的横截面呈与半环凹模相匹配的“ω”形，谐振子置于半环凹模中且其锚端由基座固定支撑，半环凹模的上表面与谐振子的下表面在结构上等间距放置；硅基体背面开设有环形的释放孔阵列，释放孔连通半环凹模和硅基体底面；基座与谐振子的锚端相连，将电信号连到背面的底部电极，作为谐振子的一个电极；硅基体与底部电极之间设置有绝缘层。作为优选，所述的谐振子沉积厚度范围为200nm～20μm，谐振子材料为金刚石薄膜或其它可导电的薄膜。作为优选，所述的底部电极是金电极。作为优选，所述的半环凹模的深度H和半径R比值范围为0.2～1，半径R的大小范围为0.5～2mm。作为优选，半环凹模的上表面与谐振子的下表面的间距为0.5～4μm。作为优选，所述的电极阵列中电极的数量为8、12、16、20。作为优选，所述的释放孔阵列中释放孔的数量为2～20，直径范围为0.5～2mm。作为优选，所述的绝缘层材料为Si3N4材料。本专利技术的另一目的在于提供一种所述微陀螺仪的制备方法，其特征在于：由微电火花加工技术结合MEMS工艺组成，步骤如下：1)在n-type硅基体局部区域掺杂硼原子，在硅基体上表面形成环形的电极阵列，利用掺杂区域和硅基体间形成的p-n结隔离电极与基体；2)接着先用微电火花加工工艺在硅基体上实现半环凹模的初步成型，然后再用化学抛光工艺对半环凹模曲面进行抛光，利用微电火花钻头形状和钻头加工路线定量控制半环凹模的半径R和深度H；3)在半环凹模上沉积二氧化硅作为牺牲层，在牺牲层上沉积金刚石薄膜，并用二氧化硅为掩膜，用化学机械抛光和反应离子刻蚀工艺除去半环凹模区域以外的金刚石薄膜，仅保留半环凹模内的金刚石薄膜作为谐振子；4)在硅基体背面沉积绝缘层，并进行释放孔的图案化刻蚀，然后溅射金薄膜与硅基体接触形成底部电极，将谐振子电极信号连接到硅基体背面；5)最后，去除牺牲层释放谐振子结构。从上述的技术方案可以看出，本专利技术的有益效果是：采用了新型的半环壳谐振子设计同时引入了金刚石材料，降低结构四波腹振动模态的谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高微陀螺仪的零偏置稳定性；所设计微电火花加工技术结合MEMS工艺避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，可以使半环壳谐振子的深度H、半径R比值可控且变化范围大。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明图1是本专利技术中半环壳谐振子的微陀螺仪的结构层示意图；图2是图1的A-A剖面示意图；图3是本专利技术中微陀螺仪的底部电极结构图；图4是本专利技术中微陀螺仪的工作原理图；图5是本专利技术中谐振子的四波腹谐振模态示意图；图6是本专利技术中微陀螺仪的制备工艺流程图；图中a)为硅掺杂形成环形电极阵列；b)为半环凹模成型；c)为二氧化硅牺牲层沉积与刻蚀；d)为金刚石薄膜和二氧化硅掩膜沉积；e)为二氧化硅掩膜层图案化，金刚石刻蚀，掩膜层去除；f)为背面沉积绝缘层和套刻，沉积金，背面开释放孔；g)为去除牺牲层，释放谐振子；图中：底部电极1、绝缘层2、硅基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：设有底部电极、绝缘层、硅基体、谐振子；硅基体上加工有半环凹模，半环凹模中心为基座，半环凹模的任意一个纵向截面均包含两个向上开口且以基座为中心对称分布的半圆形或半椭圆形；硅基体上表面沿半环凹模周向排布有环形的电极阵列；所述的谐振子的横截面呈与半环凹模相匹配的“ω”形，谐振子置于半环凹模中且其锚端由基座固定支撑，半环凹模的上表面与谐振子的下表面在结构上等间距放置；硅基体背面开设有环形的释放孔阵列，释放孔连通半环凹模和硅基体底面；基座与谐振子的锚端相连，将电信号连到背面的底部电极，作为谐振子的一个电极；硅基体与底部电极之间设置有绝缘层。

【技术特征摘要】
1.一种基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：设有底部电极、绝缘层、硅基体、谐振子；硅基体上加工有半环凹模，半环凹模中心为基座，半环凹模的任意一个纵向截面均包含两个向上开口且以基座为中心对称分布的半圆形或半椭圆形；硅基体上表面沿半环凹模周向排布有环形的电极阵列；所述的谐振子的横截面呈与半环凹模相匹配的“ω”形，谐振子置于半环凹模中且其锚端由基座固定支撑，半环凹模的上表面与谐振子的下表面在结构上等间距放置；硅基体背面开设有环形的释放孔阵列，释放孔连通半环凹模和硅基体底面；基座与谐振子的锚端相连，将电信号连到背面的底部电极，作为谐振子的一个电极；硅基体与底部电极之间设置有绝缘层。2.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：所述的谐振子沉积厚度范围为200nm～20μm，谐振子材料为金刚石薄膜或其它可导电的薄膜。3.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：所述的底部电极是金电极。4.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：所述的半环凹模的深度H和半径R比值范围为0.2～1，半径R的大小范围为0.5～2mm。5.根据权利要求1所述的基于半环壳谐振子的微陀螺仪，其特征在于：半环凹模的上表面与谐振子的下表面的间距为0.5～4μm。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢金，陈冬阳，马方毅，丁弘，陈旭颖，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33