一种整体式微半球谐振陀螺仪及其加工封装方法技术

本发明专利技术公开一种整体式微半球谐振陀螺仪及其加工封装方法，整体式微半球谐振陀螺仪包括半球壳谐振子、支撑柄、上层玻璃衬底、下层玻璃衬底、中间硅衬底、外围锚点结构、电极、第一电极孔、焊盘、金属掩膜层、金属引线和第二电极孔；上层玻璃衬底、中间硅衬底和下层玻璃衬底自上而下依次设置，外围锚点结构设在中间硅衬底的外周；半球壳谐振子设中间硅衬底内；电极均匀分布在半球壳谐振子外周；上层玻璃衬底上第一电极孔；第一电极孔上设有焊盘；第二电极孔设在下层玻璃衬底中心位置，金属掩膜层底端通过金属引线与第二电极孔相连。本发明专利技术尺寸小，结构完整性好、精密度和灵敏度高、使用寿命长；加工封装方法能缩短生产周期，适合批量化生产。

A holistic micro hemispherical resonator gyroscope and its processing and packaging method

The invention discloses an integral micro hemispherical resonator gyro and its processing method and the overall decline of hemispherical resonator gyro includes hemispherical shell resonator, a supporting handle, the upper layer of glass substrate, glass substrate, intermediate silicon substrate, peripheral electrode, the first electrode structure, anchor hole, pad, metal mask, metal wire electrode and second hole the upper glass substrate; intermediate silicon substrate and the lower glass substrate is provided from top to bottom, peripheral peripheral anchor structure is located in the middle of the silicon substrate; hemispherical shell resonator intermediate silicon substrate; electrodes uniformly distributed on the hemispherical resonator peripheral upper glass substrate; a first electrode hole; hole is provided with a first electrode pad; the second electrode hole is arranged on the lower glass substrate center metal mask layer at the bottom of the metal wire and the second electrode connected through hole. The invention has the advantages of small size, good structure integrity, high precision and sensitivity, long service life, and processing encapsulation method can shorten the production cycle and is suitable for mass production.

【技术实现步骤摘要】
一种整体式微半球谐振陀螺仪及其加工封装方法
本专利技术涉及微机电和惯性导航领域，具体涉及一种整体式微半球谐振陀螺仪及其加工封装方法。
技术介绍
半球谐振陀螺仪是一种利用半球壳唇缘的径向振动驻波进动效应来感测基座旋转的一种哥式振动陀螺，具有很高的测量精度、超强的稳定性和可靠性、良好的抗冲击振动性及温度性能，还特别具有独特的关机抗辐射能力。半球谐振陀螺仪的预期寿命高达15年，是接连惯性导航系统中的关键部件，拥有十分广阔的发展前景。2014年，美国加州大学欧文分校的DorukSenkal等人在其论文中介绍了一种由吹泡法制作的酒杯式谐振陀螺仪，其品质因数高达一百万，中心谐振频率105kHz，但其半球壳的直径高达7mm，尺寸过大。相比之下，美国佐治亚理工学院的PengShao等人利用3D-HARPPS工艺制作出的半球壳，其直径在1200μm左右，尺寸大幅度减小，品质因数超过四万。半球谐振陀螺仪是二十世纪六十年代出现的一种陀螺仪，至今已有五十多年的发展历史，在其发展过程中，一个重要的制约因素就是半球壳谐振子的成型问题。通过查阅文献，目前能够制作出高性能成品的国家主要有美国、德国和俄罗斯，其他国家的研究仍处于初期阶段，制造出的大都是中低端产品。在市面上，半球壳谐振子主要是由石英或者玻璃制作而成，其释放工艺很难把握，需要选择合适的反应条件、释放工艺和时间才能形成均匀的半球壳，否则制成的陀螺仪的性能会因谐振子的表面粗糙度过大而降低。此外，利用硅材料做成的性能优良的半球壳谐振子还十分的少见。
技术实现思路
专利技术目的：为克服现有技术不足，本专利技术目的提供一种整体式微半球谐振陀螺仪，本专利技术的另一目的是提供该整体式微半球谐振陀螺仪的加工封装方法。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种整体式微半球谐振陀螺仪，包括半球壳谐振子、支撑柄、上层玻璃衬底、下层玻璃衬底、中间硅衬底、外围锚点结构、电极、第一电极孔、焊盘、金属掩膜层、金属引线和第二电极孔；所述的上层玻璃衬底、中间硅衬底和下层玻璃衬底自上而下依次设置，外围锚点结构设在中间硅衬底的外周；中间硅衬底的中间部分为中空腔体，半球壳谐振子设置在中空腔体的中心部分；中间硅衬底上沿半球壳谐振子外周均匀设有十六个电极；上层玻璃衬底与半球壳谐振子位置对应处设有圆形凹槽，上层玻璃衬底上设有与十六个电极位置对应的十六个第一电极孔，每个第一电极孔分别与对应的电极相接；每个第一电极孔上均设有焊盘，焊盘通过第一电极孔与电极相接；金属掩膜层设在半球壳谐振子正下方的中间硅衬底上，半球壳谐振子底部通过支撑柄键合在金属掩膜层上；第二电极孔设在下层玻璃衬底中心位置，金属掩膜层底端通过金属引线与第二电极孔相连。所述中间硅衬底是由两块硅片直接键合而形成，能使两片硅片中间可以埋入金属掩膜层，作为DRIE的自停止层。所述焊盘为圆形焊盘，每个圆形焊盘分别与对应的第一电极孔顶端相连，能为电极提供基准电压。所述第一电极孔和第二电极孔内壁均沉积有Cr和Au的金属导电层，能通过外界施加电压，将其传导至结构内部。优选，所述半球壳谐振子的直径为1000～1200μm，厚度为3～5μm。优选，所述半球壳谐振子外壁和电极的间隙为10～20μm。整体式微半球谐振陀螺仪的整体尺寸为2500μm×2500μm×1200μm。上述整体式微半球谐振陀螺仪的加工封装方法，包括以下步骤：1)形成键合区、电极孔和焊盘：在上层玻璃衬底正面涂光刻胶，光刻并各向异性湿法刻蚀，形成焊盘槽，清洗后方向性湿法刻蚀，形成第一电极孔，在上层玻璃衬底底面光刻并湿法刻蚀，形成圆形凹槽；在下层玻璃衬底正面涂光刻胶，光刻并湿法刻蚀，形成第二电极孔；在上、下层玻璃衬底上涂光刻胶、光刻、曝光、显影、湿法刻蚀、溅射铬和金，形成键合区、焊盘和第一电极孔和第二电极孔内的金属导电层；2)形成中间硅衬底和金属掩膜层：清洗第一片硅片，在中心区域溅射一层金属Cr，作为金属掩膜层，清洗第二片硅片，将两片硅片进行直接键合，形成中间硅衬底，其中第一片硅片表面的金属Cr埋在键合后的硅衬底当中；3)形成半球壳谐振子、支撑柄、电极、金属引线和外围锚点结构：在中间硅衬底正面热生长一层SiO2，涂光刻胶、光刻并刻蚀SiO2形成开口，DRIE刻蚀正面得到高深宽比的电极槽，去除SiO2并双面LPCVD一层Si3N4，在电极槽内LPCVD掺硼多晶硅作为电极，在多晶硅表面沉积一层Si3N4作为掩膜层，使用CHF3气体刻蚀掉正面中心区域的Si3N4，使用HNA溶液做各向同性湿法刻蚀，形成中空腔体的球坑，除去Si3N4掩膜层，并在球坑底部DRIE至金属掩膜层停止，双面热生长SiO2，在球坑内LPCVD多晶硅形成半球壳谐振子和支撑柄，并在半球壳谐振子表面再LPCVD一层SiO2作为掩膜层，光刻并刻蚀正面的SiO2形成开口，使用XeF2释放结构，形成中空腔体和外围锚点结构，在中间硅衬底底面光刻并刻蚀出深槽直至金属掩膜层停止，电镀Cr和Au作为金属导线；4)键合和封装：将经过步骤3)加工过的结构与经过步骤1)加工过的上、下层玻璃衬底阳极键合，并真空封装。本专利技术整体式微半球谐振陀螺仪的加工封装方法结合了表面微加工工艺、体微加工工艺、玻璃刻蚀工艺、化学气相沉积工艺、直接键合工艺和阳极键合工艺，上、下层玻璃衬底和中间结构独立加工，最后通过阳极键合将其键合在一起，实现封装。所述的步骤1)中，在形成的圆形凹槽中设有纳米吸气剂层，以保证封装的真空度。有益效果：本专利技术整体式微半球谐振陀螺仪尺寸较小，结构完整性好、精密度和灵敏度高、使用寿命较长，适合用于精确测量的场合；加工封装方法工艺简单，释放后结构均匀性好，品质因数高，能提高产品的精确度，缩短生产周期，适合批量化生产。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术的沿A-A面的剖视图；图3为本专利技术的加工工艺流程图。具体实施方式实施例1如图1-2所示，一种整体式微半球谐振陀螺仪，包括半球壳谐振子1、支撑柄2、上层玻璃衬底3、下层玻璃衬底4、中间硅衬底5、外围锚点结构6、电极7、第一电极孔8、焊盘9、金属掩膜层10、金属引线11和第二电极孔12；所述的上层玻璃衬底3、中间硅衬底5和下层玻璃衬底4自上而下依次设置，外围锚点结构6设在中间硅衬底5的外周；中间硅衬底5的中间部分为中空腔体，半球壳谐振子1设置在中空腔体的中心部分；中间硅衬底5上沿半球壳谐振子1外周均匀设有十六个电极7；上层玻璃衬底3与半球壳谐振子1位置对应处设有圆形凹槽，上层玻璃衬底3上设有与十六个电极7位置对应的十六个第一电极孔8，每个第一电极孔8分别与对应的电极7相接；每个第一电极孔8上均设有焊盘9，焊盘9通过第一电极孔8与电极7相接；金属掩膜层10设在半球壳谐振子1正下方的中间硅衬底5上，半球壳谐振子1底部通过支撑柄2键合在金属掩膜层10上；第二电极孔12设在下层玻璃衬底4中心位置，金属掩膜层10底端通过金属引线11与第二电极孔12相连；中间硅衬底5是由两块硅片直接键合而形成；焊盘9为圆形焊盘9，每个圆形焊盘9分别与对应的第一电极孔8顶端相连；第一电极孔8和第二电极孔12内壁均沉积有Cr和Au的金属导电层；半球壳谐振子1的直径为1000～1200μm，厚度为3～5μm；半球壳谐振子1外壁和电极7的间隙为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种整体式微半球谐振陀螺仪，其特征在于：包括半球壳谐振子(1)、支撑柄(2)、上层玻璃衬底(3)、下层玻璃衬底(4)、中间硅衬底(5)、外围锚点结构(6)、电极(7)、第一电极孔(8)、焊盘(9)、金属掩膜层(10)、金属引线(11)和第二电极孔(12)；所述的上层玻璃衬底(3)、中间硅衬底(5)和下层玻璃衬底(4)自上而下依次设置，外围锚点结构(6)设在中间硅衬底(5)的外周；中间硅衬底(5)的中间部分为中空腔体，半球壳谐振子(1)设置在中空腔体的中心部分；中间硅衬底(5)上沿半球壳谐振子(1)外周均匀设有十六个电极(7)；上层玻璃衬底(3)与半球壳谐振子(1)位置对应处设有圆形凹槽，上层玻璃衬底(3)上设有与十六个电极(7)位置对应的十六个第一电极孔(8)，每个第一电极孔(8)分别与对应的电极(7)相接；每个第一电极孔(8)上均设有焊盘(9)，焊盘(9)通过第一电极孔(8)与电极(7)相接；金属掩膜层(10)设在半球壳谐振子(1)正下方的中间硅衬底(5)上，半球壳谐振子(1)底部通过支撑柄(2)键合在金属掩膜层(10)上；第二电极孔(12)设在下层玻璃衬底(4)中心位置，金属掩膜层(10)底端通过金属引线(11)与第二电极孔(12)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种整体式微半球谐振陀螺仪，其特征在于：包括半球壳谐振子(1)、支撑柄(2)、上层玻璃衬底(3)、下层玻璃衬底(4)、中间硅衬底(5)、外围锚点结构(6)、电极(7)、第一电极孔(8)、焊盘(9)、金属掩膜层(10)、金属引线(11)和第二电极孔(12)；所述的上层玻璃衬底(3)、中间硅衬底(5)和下层玻璃衬底(4)自上而下依次设置，外围锚点结构(6)设在中间硅衬底(5)的外周；中间硅衬底(5)的中间部分为中空腔体，半球壳谐振子(1)设置在中空腔体的中心部分；中间硅衬底(5)上沿半球壳谐振子(1)外周均匀设有十六个电极(7)；上层玻璃衬底(3)与半球壳谐振子(1)位置对应处设有圆形凹槽，上层玻璃衬底(3)上设有与十六个电极(7)位置对应的十六个第一电极孔(8)，每个第一电极孔(8)分别与对应的电极(7)相接；每个第一电极孔(8)上均设有焊盘(9)，焊盘(9)通过第一电极孔(8)与电极(7)相接；金属掩膜层(10)设在半球壳谐振子(1)正下方的中间硅衬底(5)上，半球壳谐振子(1)底部通过支撑柄(2)键合在金属掩膜层(10)上；第二电极孔(12)设在下层玻璃衬底(4)中心位置，金属掩膜层(10)底端通过金属引线(11)与第二电极孔(12)相连。2.根据权利要求1所述的整体式微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述中间硅衬底(5)是由两块硅片直接键合而形成。3.根据权利要求1所述的整体式微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述焊盘(9)为圆形焊盘(9)，每个圆形焊盘(9)分别与对应的第一电极孔(8)顶端相连。4.根据权利要求1所述的整体式微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述第一电极孔(8)和第二电极孔(12)内壁均沉积有Cr和Au的金属导电层。5.根据权利要求1-4任意一项所述的整体式微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述半球壳谐振子(1)的直径为1000～1200μm，厚度为3～5μm。6.根据权利要求1-4任意一项所述的整体式微半球谐振陀螺仪，其特征在于：所述半球壳谐振子(1)外壁和电极(7)的间隙为10～20μm。7.根据权利要求1-4任意一项所述的整体式微半球谐振陀螺仪，其特征在于：整体式微半球谐振陀螺仪的整体尺寸为2500μm×25...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏敦柱，宫旭亮，徐磊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32