一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法，陀螺仪包括键合连接的SOI结构和玻璃盖帽，SOI结构自上而下分别是硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；硅器件层的中心区域为圆形锚点，圆形锚点外围同心设有圆环凹槽结构，圆环凹槽结构外围均匀分布有光学结构，每个光学结构外面设有相应的电极焊盘；硅衬底层内打有若干背部通孔；二氧化硅绝缘层设有圆环形凹槽使得圆环凹槽和背部通孔联通；玻璃盖帽的腔体设在玻璃盖帽背面中间区域，玻璃盖帽上与纳米光栅相对位置设有底部不打通的光栅圆孔，与电极焊盘相对位置设有底部完全打通的电极圆孔。本发明专利技术尺寸小、密封性良好、灵敏度高，能实现高精度的光学检测。

A Disc Resonant Gyroscope Based on Optical Waveguide and Its Processing and Packaging Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法
本专利技术涉及微机电和光波导领域，具体涉及一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法。
技术介绍
盘式谐振陀螺仪是基于哥氏效应的一种结构高度对称的振动陀螺，通过敏感模态和检测模态之间的切换，来实现角度的测量。光波导技术是一门新兴的技术，具有很高的检测精度。将盘式谐振陀螺仪与光波导技术结合到一起，使得陀螺具有很高的测量精度、超强的稳定性和可靠性、较低的能量损耗、以及强抗电磁和原子辐射干扰。盘式陀螺仪的预期寿命长，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，美国加州大学伯克利分校的Tsanh-HungSu等人在其论文中提出了一种基于<111>晶向硅制作的盘式谐振陀螺仪，其直径为2mm，厚度达到35um，在78kHz的振动频率下品质因数达到2800，实现了55uV/°/s的高灵敏度。基于光波导技术的盘式谐振陀螺仪是新兴的一种陀螺仪，在其发展过程中，一个难点就是如何将光波导技术同MEMS陀螺仪融合起来。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、德国等，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。主要的技术不足在于，纳米级光学结构极其敏感，加工误差会导致测量偏差较大；对光波导基础理论的研究仍处于初期阶段，复杂的波导模型很难建立精确的数学模型；同时，关于光学检测技术和MEMS技术的结合的研究仍然较少。基于这种情况，我们提出了基于光波导技术的盘式谐振陀螺仪，具有较高的研究价值。
技术实现思路
专利技术目的：为克服现有技术不足，本专利技术提供一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下方法：一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪，包括SOI结构和玻璃盖帽，SOI结构自上而下分别是硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；硅器件层包括圆形锚点、第一圆环凹槽结构、光学结构、电极焊盘和第一金属键合区，其中，圆形锚点设在中心区域，第一圆环凹槽结构呈同心圆设在圆形锚点外围，光学结构均匀分布在第一圆环凹槽结构外围，电极焊盘与光学结构一一对应，并设在光学结构外面远离圆形锚点的位置，第一金属键合区设在硅器件层的外围；硅衬底层内打有若干背部通孔；二氧化硅绝缘层设有与硅器件层上的第一圆环凹槽结构相对应的第二圆环凹槽结构，第二圆环凹槽结构使硅器件层上的第一圆环凹槽结构与硅衬底层的背部通孔连通；玻璃盖帽包括腔体、光栅圆孔、电极圆孔和第二金属键合区，腔体设在玻璃盖帽背面中间区域，罩在硅器件层的第一圆环凹槽和光学结构上方；玻璃盖帽上与纳米光栅相对位置设有底部不打通的光栅圆孔，与电极焊盘相对位置设有底部完全打通的电极圆孔；第二金属键合区设在玻璃盖帽的外围；SOI结构和玻璃盖帽通过第一金属键合区和第二金属键合区键合连接。可选的，圆环凹槽结构包括多环圆环凹槽，每一环包括多个圆环凹槽，同一环中相邻两个圆环凹槽之间通过连接辐条连接，相邻的一对圆环凹槽之间共设有八个连接辐条，每两个连接辐条相差角度为45°；相邻两对圆环凹槽之间的连接辐条角度有22.5°偏转。可选的，光学结构包括光波轨道、光腔和纳米光栅，通过光栅圆孔。使用一根光纤搭到光栅圆孔，将外界光引入纳米光栅；光波轨道与纳米光栅相连，根据光栅耦合效应一部分光会进入光波轨道；光腔设在光波轨道的中间位置，将入射光的某个波段锁存在其中，通过检测出射光波长和强度的变化进而可以推算出旋转的角速度。可选的，背部通孔圆环阵列排布。可选的，电极圆孔内壁沉积有铬金的金属导电层。可选的，腔体形状与硅器件层上的圆环凹槽结构和光波轨道的外轮廓线吻合。可选的，第一金属键合区的沉积材料为铬金，第二金属键合区的沉积材料为铬金和锡金。本专利技术还公开了一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪的加工封装方法，包括以下步骤：(1)形成SOI结构：首先，清洗SOI，在SOI上下表面热生长一层SiO2，在热生长的SiO2表面LPCVD沉积Si3N4，将对准标记刻蚀到Si3N4上，以便后续正反套刻的对准；其次，刻蚀SOI背面相应区域的Si3N4和SiO2，并用DRIE刻蚀暴露出的硅衬底层，形成背部通孔，向背部通孔内通入HF蒸汽释放SiO2绝缘层；再次，刻蚀SOI正面相应区域的Si3N4和SiO2，在暴露出的硅器件层上溅射电极焊盘和第一金属键合区，然后刻蚀保留下的Si3N4形成光波轨道、光腔和纳米光栅，在光波轨道、光腔和纳米光栅对应的区域热生长一层SiO2作为保护；最后，DRIE刻蚀硅器件层形成SOI结构；(2)形成玻璃盖帽：首先，清洗玻璃，在玻璃上下表面PECVD沉积Si3N4，将对准标记刻蚀到Si3N4上，以便后续正反套刻的对准；其次，在玻璃背面溅射铬金，形成腔体图案，在玻璃正面旋涂光刻胶，形成电极圆孔和光栅圆孔图案，同时腐蚀玻璃正面和背面暴露出来的Si3N4；再次，先使用保护装置保护玻璃正面，湿法腐蚀背面腔体区域的玻璃到达指定深度，然后玻璃正反两面同时湿法腐蚀，玻璃正面电极圆孔和光栅圆孔区域形成浅槽，再使用激光打孔技术形成电极圆孔和光栅圆孔；最后，在玻璃背面溅射铬金和锡金，形成第二金属键合区。(3)键合和封装：将经过步骤(1)和步骤(2)加工过的SOI结构和玻璃盖帽上下对准，进行金属键合，并真空封装。进一步的，刻蚀硅器件层包括以下步骤：(a)在SOI的正面旋涂光刻胶、光刻、显影，然后RIE干法刻蚀SIO2和Si3N4；(b)在SOI的正面旋涂光刻胶、光刻、显影，然后磁控溅射铬金，再将SOI放入丙酮和异丙醇溶液中剥离铬金，形成电极焊盘和第一金属键合区；(c)在SOI的正面喷涂电子束曝光专用胶并进行电子束曝光，然后通过RIE干法刻蚀表面的SI3N4，得到光波轨道、光腔和纳米光栅；(d)在SOI的正面喷涂光刻胶、光刻、显影，然后热生长一层SiO2，再将SOI放入丙酮和异丙醇溶液中剥离铬金，保护精密的光学部分；(e)在SOI的正面喷涂光刻胶、光刻、显影，然后DRIE刻蚀硅结构层，形成圆形锚点、圆环和连接辐条。有益效果：与现有技术相比，本专利技术基于光波导检测原理的盘式谐振陀螺仪，通过纳米光栅和光波导对光信号进行传输，通过光腔对特定波段光信号锁存，实现光电分离，消除了寄生电容的影响，同时提高了检测精度，减小了精度和动态特性间难以兼顾的矛盾。本专利技术具有高精度、小尺寸、动态性能好等优点，加工封装方法工艺简单，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SOI结构示意图；图3为本专利技术的SOI结构的剖视图；图4为本专利技术的光学结构的局部示意图；图5为本专利技术的硅衬底层上的背部通孔示意图；图6为本专利技术的玻璃盖帽示意图；图7为本专利技术的玻璃盖帽的剖视图；图8为本专利技术的加工工艺流程示意图。图中：1为SOI结构，2为玻璃盖帽，101为硅器件层，102为二氧化硅绝缘层，103为硅衬底层，1011为圆形锚点，1012为圆环凹槽，1013为连接辐条，1014为电极焊盘，1015为第一金属键合区，1016为光波轨道，1017为光腔，1018为纳米光栅，1031为背部通孔，201为腔体，202为光栅圆孔，203为电极圆孔，204为第二金属键合区。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。一种基于光波导的盘式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪，其特征在于：包括SOI结构和玻璃盖帽，SOI结构自上而下分别是硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；硅器件层包括圆形锚点、第一圆环凹槽结构、光学结构、电极焊盘和第一金属键合区，其中，圆形锚点设在中心区域，第一圆环凹槽结构呈同心圆设在圆形锚点外围，光学结构均匀分布在第一圆环凹槽结构外围，电极焊盘与光学结构一一对应，并设在光学结构外面远离圆形锚点的位置，第一金属键合区设在硅器件层的外围；硅衬底层内打有若干背部通孔；二氧化硅绝缘层设有与硅器件层上的第一圆环凹槽结构相对应的第二圆环凹槽结构，第二圆环凹槽结构使硅器件层上的第一圆环凹槽结构与硅衬底层的背部通孔连通；玻璃盖帽包括腔体、光栅圆孔、电极圆孔和第二金属键合区，腔体设在玻璃盖帽背面中间区域，罩在硅器件层的圆环凹槽和光学结构上方；玻璃盖帽上与纳米光栅相对位置设有底部不打通的光栅圆孔，与电极焊盘相对位置设有底部完全打通的电极圆孔；第二金属键合区设在玻璃盖帽的外围；SOI结构和玻璃盖帽通过第一金属键合区和第二金属键合区键合连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪，其特征在于：包括SOI结构和玻璃盖帽，SOI结构自上而下分别是硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；硅器件层包括圆形锚点、第一圆环凹槽结构、光学结构、电极焊盘和第一金属键合区，其中，圆形锚点设在中心区域，第一圆环凹槽结构呈同心圆设在圆形锚点外围，光学结构均匀分布在第一圆环凹槽结构外围，电极焊盘与光学结构一一对应，并设在光学结构外面远离圆形锚点的位置，第一金属键合区设在硅器件层的外围；硅衬底层内打有若干背部通孔；二氧化硅绝缘层设有与硅器件层上的第一圆环凹槽结构相对应的第二圆环凹槽结构，第二圆环凹槽结构使硅器件层上的第一圆环凹槽结构与硅衬底层的背部通孔连通；玻璃盖帽包括腔体、光栅圆孔、电极圆孔和第二金属键合区，腔体设在玻璃盖帽背面中间区域，罩在硅器件层的圆环凹槽和光学结构上方；玻璃盖帽上与纳米光栅相对位置设有底部不打通的光栅圆孔，与电极焊盘相对位置设有底部完全打通的电极圆孔；第二金属键合区设在玻璃盖帽的外围；SOI结构和玻璃盖帽通过第一金属键合区和第二金属键合区键合连接。2.根据权利要求1所述的一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪，其特征在于：第一圆环凹槽结构包括多环圆环凹槽，每一环包括多个圆环凹槽，同一环中相邻两个圆环凹槽之间通过连接辐条连接，相邻的一对圆环凹槽之间共设有八个连接辐条，每两个连接辐条相差角度为45°；相邻两对圆环凹槽之间的连接辐条角度有22.5°偏转。3.根据权利要求1所述的一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪，其特征在于：光学结构包括光波轨道、光腔和纳米光栅，使用一根光纤搭到光栅圆孔，将外界光引入纳米光栅；光波轨道与纳米光栅相连，根据光栅耦合效应一部分光会进入光波轨道；光腔设在光波轨道的中间位置，将入射光的某个波段锁存在其中。4.根据权利要求1所述的一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪，其特征在于：背部通孔圆环阵列排布。5.根据权利要求1所述的一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪，其特征在于：电极圆孔内壁沉积有铬金的金属导电层。6.根据权利要求1所述的一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪，其特征在于：腔体形状与硅器件层上的圆环凹槽结构和光波轨道的外轮廓线吻合。7.根据权利要求1所述的一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪，其特征在于：第一金属键合区的沉积材料为铬金，第二金属键合区的沉积材料为铬金和锡金。8.一种权利要求1...

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