制造振动结构陀螺的方法技术

一种振动结构陀螺，其制造方法如下：在玻璃或硅基片（７）上沉积光刻胶（９），对光刻胶（９）进行硬化、图形制备及显影，以暴露出基片（７）的某些区域，对这些暴露区域进行刻蚀以形成凹槽（１０），剥离剩余的光刻胶（９），在形成凹槽的基片（７）上粘附硅层（８）并在硅层（８）上沉积一层铝，在铝层上沉积光刻胶，对光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出铝层的某些区域，对铝层的暴露区域进行刻蚀，在硅层部分区域留下铝从而形成压焊区（１１，１２，１３和１４），在结构上形成一层以上的图形化的光刻胶层，对硅层（８）上的暴露区域进行反应性离子深刻蚀，从而构成靠轴心（４）固定在凹槽（１０）上方的平面环形振动结构（１）。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，该陀螺具有硅质基本上呈平面环形的振动结构，以及用于向该振动结构传递驱动运动并检测其运动的电容装置。这种制造方法尤其适用于通过微细加工来生产振动结构陀螺。微细加工型振动结构陀螺能够以较低的单位成本进行大量生产。这为新兴商业应用领域开拓了多样性，例如汽车底盘控制与导航系统以及便携式摄录机致稳等。传统的振动结构陀螺可利用各种谐振器设计结构来加以构造。这些结构包括振动梁、音叉、汽缸、半球形壳及环。由于微细加工工艺固有的平面特性，并非所有这些结构都适于进行微细制造。晶片加工技术在晶片平面内产生的尺寸误差和对准精度均很高。对于环形结构来讲，所有谐振运动均发生在环形平面内，因此正是这些尺寸对于器件性能起着最为关键的作用。因而平面环形结构尤其适于采用这些方法来生产，并已有若干已知设计方案。这些方案包括文献EP-B-0619471，EP-A-0859219，EP-A-0461761中所描述的电感式驱动与检测装置，以及文献US-A-5547093中另外描述的电容式驱动与检测装置。在前面提到的电感器件中，谐振器结构是由晶体硅片刻蚀而成的。然而需要对其施加磁场以产生传感器作用。采用由永久磁铁和异形磁极片组成的磁路可方便地实现这一目的。这些都必须采用传统的加工技术来制造，并且需要与谐振器结构进行后续组装并精确对准。这就限制了器件可能达到的小型化程度，并大大增加了单位成本。文献EP-B-0619471中描述的器件也是由晶体硅片刻蚀而成的，但其优点是采用了晶片加工与组装技术来制造驱动与拾取传感器结构，而无需操作其它非微细加工元件。于是其设计与制造方法可以与器件尺寸相兼容，该尺寸比电感器件的尺寸要小得多。该设计方案采用一叠三层粘合晶片，各晶片必须单独处理并精确对准。传感器的增益系数取决于晶片之间形成谐振腔的深度，因而其器件特性也取决于此。尽管微细制造工艺能够在晶片平面内提供精确的对准及容差，但对该第三条轴线的尺寸控制精确度较低会导致器件特性产生难以估量的变化。这种器件的另一缺点是制造步骤繁多并且需要进行双面晶片加工。因此，尽管该设计方案确实可以制成潜在的小型器件，且不需要制造及组装磁路元件，但制造的复杂性仍会导致单位成本提高。文献US5547093中描述的器件也具有驱动与拾取传感器结构，该结构是采用晶片加工技术生产的并且能够进行小尺寸制造。该设计另外的优点是关键性的传感器间隙都处于硅片平面内，因而可精确加以控制。然而，与前述器件不同，此时谐振器是由电成形金属构造而成的。对于由晶体硅刻蚀成的器件，制造谐振器所用材料的机械性能不受制造工艺的影响。任何振动结构陀螺的性能主要取决于谐振器机械性能的本来特性和稳定性。晶体硅片能够支持具有谐振特性的高Q值振荡，该特性对于温度是稳定的，因而晶体硅片是一种理想的谐振器材料。电成形金属难以与晶体硅之近似最佳弹性与均匀性相配。为了使沉积工艺的均匀性达到最优化，必须保持恒定的特征尺寸。这就要求振动结构中环和支架的宽度相等，且严格限制了谐振器尺寸设计的灵活性。所构成结构的模态特征受谐振器支架所支配，且产生潜在的安装灵敏度问题并使模态平衡过程复杂化。制造这种结构是一个复杂过程，包含许多加工步骤，这又反过来会影响器件晶片的产量及制造成本。GB专利申请第9817347.9号描述了一种电容式驱动与检测的环形振动结构即谐振器，它可由大块晶体硅制成。该结构的平面图示于附图说明图1中。需要有一种方法来制造这种陀螺以达到更高精度，同时确保所构成的振动结构能够保持硅的机械特性。本专利技术的一个方面是提供一种，该陀螺具有硅质基本上呈平面环形的振动结构，用于向该振动结构传递驱动运动并检测其运动的电容装置，以及电容装置周围的屏蔽层，该方法包括以下步骤在平板状玻璃或硅基片的表面之一上沉积第一层光刻胶，对第一层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出基片的选定区域，对基片的所述暴露区域进行刻蚀以形成凹槽，将形成凹槽的基片上剩余的第一层光刻胶剥离，在基片形成所述凹槽的表面上粘附一层硅，在硅层最远离其与基片相粘附表面的另一表面上沉积一层铝，在铝层相对于硅层的最外表面上沉积第二层光刻胶，对第二层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出铝层的选定区域，对铝层的所述选定区域进行刻蚀，在硅层部分区域留下铝从而形成用于使屏蔽层接地的压焊区、用于形成电容式驱动与检测装置接点的压焊区、以及用于与硅质基本上呈平面环形的振动结构接电的压焊区，从铝层剥离剩余的第二层光刻胶，在硅层上沉积第三层光刻胶，覆盖住剩余的沉积有铝层的区域，对第三层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出硅层的选定区域，对硅层上暴露的选定区域进行反应性离子深刻蚀，以使硅层构成电容式驱动与检测装置、周围屏蔽层，以及靠轴心固定在基片凹槽上方的平面环形振动结构，使该环形结构能够自由振荡，并且使电容式驱动与检测装置、屏蔽层以及环形振动结构彼此之间电绝缘。光刻胶最好是通过旋转涂布法(甩胶)来沉积并通过烘焙加以硬化。利用各向同性湿法刻蚀工艺可便利地对基片选定区域加以刻蚀，该区域是通过对第一层光刻胶显影而暴露出来的。有利地，基片可由玻璃制成，硅层通过阳极耦合附着在其上。或者，基片也可由硅制成，其受热氧化产生表面氧化层，硅层通过熔接附着在其上。通过溅射可便利地将铝层附着在硅层上。最好采用磷酸基处理工艺对铝层上的暴露区域进行刻蚀。为了更好地理解本专利技术并展示如何实现本专利技术，下面将通过示例并参照附图加以说明，附图中图1是从电容式驱动与检测环形振动结构即谐振器陀螺上方所见的示意图，该结构并非根据本专利技术而是如GB专利申请第9817347.9号所描述及要求保护的结构；图2是对应于图1中A-A线的横截面图，示出了根据本专利技术制造如图1所示陀螺之方法中的第一阶段；图3是与图2相似的视图，示出了本专利技术之方法中的另一阶段；图4是与图2和3相似的视图，示出了本专利技术之方法中的又一阶段，以及图5是沿图1中A-A线所做的横截面图，示出了本专利技术之方法中的另一阶段。根据本专利技术的适用于制造如图1所示的陀螺，该陀螺具有硅质基本上呈平面环形的振动结构1，它由基本呈平面环形的硅质谐振器2构成，并通过硅质支架3来支承，该支架从环形谐振器2向内伸到中央硅质轴心4。图1所示陀螺具有用于向环形谐振器2传递驱动运动的电容式驱动装置5，以及用于检测并拾取环形谐振器2之运动的电容式检测装置6。陀螺装置包含由玻璃制成的基片，如图2至5所示，其热膨胀系数与硅层8的热膨胀系数相匹配，以使热致应力达到最小。可选地，基片7也可由硅制成，使得其热膨胀系数与硅层8的热膨胀系数精确相等。用于制造如图1所示类型振动结构陀螺的本专利技术方法包括以下步骤在平板状玻璃或硅基片7的表面之一沉积第一层光刻胶9，如附图2所示。所用光刻胶最好为工业标准的“正性光刻胶”，例如ShipleyS1818SP16。第一层光刻胶9最好是通过旋转涂布沉积在基片7上。然后通过烘焙等对第一层光刻胶9进行硬化、利用曝光掩模形成图形并显影，将基片7上的选定区域暴露出来以进行后续刻蚀。然后对基片7的暴露区域进行刻蚀，例如可采用各向同性湿法刻蚀工艺，从而在基片7中形成如图2所示的凹槽10。凹槽10的加工形状使后续将成形的陀螺的支架3及环形谐振器2能够自由振荡。凹槽深度一般为20到3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造振动结构陀螺的方法，该陀螺具有硅质基本上呈平面环形的振动结构、用于向该驱动振动结构传递驱动运动并检测其运动的电容装置、以及电容装置周围的屏蔽层，该方法包括以下步骤： 在平板状玻璃或硅基片的表面之一上沉积第一层光刻胶， 对第一层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出基片的选定区域， 对基片的所述暴露区域进行刻蚀以形成凹槽， 将形成凹槽的基片上剩余的第一层光刻胶剥离， 在基片形成所述凹槽的表面上粘附一层硅， 在硅层最远离其与基片相粘附表面的另一表面上沉积一层铝， 在铝层相对于硅层的最外表面上沉积第二层光刻胶， 对第二层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出铝层的选定区域， 对铝层的所述选定区域进行刻蚀，在硅层部分区域留下铝从而形成：用于使屏蔽层接地的压焊区、用于形成电容式驱动与检测装置接点的压焊区、以及用于与硅质基本上呈平面环形的振动结构接电的压焊区， 从铝层剥离剩余的第二层光刻胶， 在硅层上沉积第三层光刻胶，覆盖住剩余的沉积有铝层的区域， 对第三层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出硅层的选定区域， 对硅层上暴露的选定区域进行反应性离子深刻蚀，以使硅层构成：电容式驱动与检测装置、周围屏蔽层，以及靠轴心固定在基片凹槽上方的平面环形振动结构，使该环形结构能够自由振荡，并且使电容式驱动与检测装置、屏蔽层以及环形振动结构彼此之间电绝缘。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗P费尔，凯文汤森，伊恩斯特兰，
申请(专利权)人：BAE系统公共有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]