（机械设计及理论专业论文）一种梳状振动型微陀螺仪的研究.pdf

摘要 微陀螺仪是用于测量物体相对惯性空间转动的角度或角速度的传感器装置其 中硅微型振动陀螺仪是随着微电子技术和微机械加工技术的发展而研制出的一类新 型角速率传感器，它用微幅振动代替高速旋转，具有体积小，重量轻及成本低，可 靠性高，易于批量生产和便于与电子线路集成等其它类型微陀螺仪无法比拟的优点， 因此在军民等领域具有广阏的应用前景。 本论文对梳状静电驱动电容检测的振动式微陀螺仪进行了研究，它的驱动不受 电容间隙限制，可以获得较大的驱动振幅，且驱动力与位移无关。品质因子较高， 信号处理电路易于实现，因此梳状驱动微机械陀螺仪是一种颇具吸引力的微振动陀 螺仪结构。本论文共分六章，第一章介绍了 l e m s 的发展历程及微陀螺仪的发展历程， 详细介绍了微机械振动式陀螺仪区别其它形式微陀螺仪的优点。第二章介绍了m e m s 制造技术及梳状驱动微机械陀螺仪的制作工艺。第三章分析了梳状驱动微机械陀螺 仪的工作原理及其结构图，并且建立了数学模型，推导出其运动微分方程，求出梳 状驱动微机械陀螺仪的检测位移，并分析了微陀螺仪的运动规律。第四章研究了梳 状振动微机械陀螺仪静电梳齿电容驱动原理和电容检测原理，求出了驱动力及检测 灵敏度。提出了影响微陀螺仪性能的两个重要指标：检测灵敏度和工作带宽。并得 出规律：要想提高微陀螺仪的灵敏度，必须使驱动和检测固有模态有合适的偏差，这 些为下文的仿真分析提供了理论依据。第五章基于c o n r e n t o r 软件，对微机械梳状 陀螺仪固有特征频率、各轴的静态位移、吸合电压、对梳齿施加直流偏置电压后各 轴的幅频相频特性及质量块的结构对驱动和检测频率的影响等进行了分析。选出了 一组合适的悬臂梁参数，使微陀螺仪具有较高的灵敏度。基于i n t e l l i s u i t e 软件对 各向异性刻蚀工艺进行了仿真。通过设定腐蚀条件，软件将显示各晶向的腐蚀速率， 由腐蚀速率和需要刻蚀的深度，可以计算出腐蚀时间，从而为实验提供理论基础。 第六章建立了梳状驱动微机械陀螺仪的驱动和检测电学模型。因为仅有微机械陀螺 器件是不能检测角速度信号的，必须通过接口电路把陀螺的机械振动信号转化为电 信号并进行处理，以此得到角速度信号而且微陀螺仪工作还需要接口电路提供驱 动信号，并且微陀螺仪的许多误差需要接口电路来纠正和消除，本章设计了梳状驱动 微机械陀螺仪的接口驱动和检测电路。 北京丁业人学t 学坝l 。学位论义 义。 本论文的研究对微机械梳状振动式陀螺仪的设计制作具有一定的理论指导意 关键词微陀螺仪；角速度传感器；检测灵敏度；吸合电压 i i a b s t r a c t m i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p ei sas e n s o ru s e dt om e a s u r eo b j e c t sa n g u l a rr a 把o ra n 9 1 er e l a t i v et o n e as p a c em i c r os i l i c o nv i b f a t o r yg y r o s c o p ei san e wa n g u l a rs p e e ds e n s o rd e v e i o p e db 雏e do nt h e m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o i o g y a n dm i c r o m e c h a n i c a l i e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t m i c r o - a m p l i t u d e v i b r a t i o ns u b s t i t u t e st h et a i l w a g g i n bi n m i c r o m e c h a n j c a lg y r o s c o p e m i c r o m e c h a n i c a l 科r o s c o p e s w i t ha d v a n t a g e si ns m a i ls i z ew e i g h t ，i o wc o s t ，h i g hr e i i a b i m ya n db ep r o n et ob a t c hf a b r i c a t i o na n d i n t e g r a t e dw j t hi c ，s ot h em i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p eh a v eg r e a ta d v a l l t a g e sa n dp r o s p e c t si nv a r i o u s c o m p a r e dw i t hc l a s s i c a lg y r o s c o p e s e i e c t r o s t a t i cc o m b - d r i v ea f i dc 印a c h a n c es e n s i n gv i b r a t i o nm i c r o m e c h a n i c a l 日r o s c o p ew a s a n a i y z e d i nt h ed i s s e n a i i o n t h ec o m bd r i v em i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p ei ss o u n d e db e c a i l s et 1 1 e e i e c t r o s t a t i cc o m b d r i v ej sn o ti i m i t e db yt h ec l e a r a n c eo ft h ec a p a c i t a n c ea n di a f g e rs w i n gi se a s yb e r e a l j z e d ，d v ef o r c eh a sn o t h i n gt od 0w j t ht h ed i s p l a c e m e n t ，t h eh i g hq u a l l t yf 她t o r ，t h es i g n a lp r o c e s s c i r c u i tj s e a s yr e a l i z e d t h ed i s s e m t j o nc o m p o s e so fs i xc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e dt 1 1 e d e v e l o p m e n to fm e m sa n dt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o i n e c h a n i c a i 鲥r o s c o p e t h em i c r o m e c h a n i c a l v i b r a t i o n 母r o s c 叩ew a sp a n i c u l a rp r e s e n t e di nt h en r s tc h 印t c lt 1 1 em e m sf a b r j c a t i o nt e c l l i l o l o g y a n dc o m b - d f i v em i c m e c h a n i c a lg y r o s c o p e sf a b f i c a t i o np c e s si si n t d u c e di n 抽es e c o n dc h a p t e r t h et h i r d c h a p t e rp r e s e n t e dm et h e o r ya 士1 d s t n j c t u r eo fc o m b d r i v cm i c r o m e c i m i c a l 科m s c o p ei n d e t a 1t h em a m e m a t i c sm o d e la n dd m r e n t i a le q 嘣i o no fm i c r o m e c h 柚i c a l 蜀邶s c o p ei sb u 馘t h e d i s p i a c e m e n ta n d m o v e m e n td i s c i p i i n ei sa l s oa n a l y z c di nt h et h 砌c h a p t e lt h ef o u 曲c h a p t e r i n t m d u c e st h ee l e c t r o s t a t i cd r i v em e o r ya n dc a p a c i t a n c ed e t e c t i o n 出e o a n a j n sm ed r i v ef o r c e 卸d d e t e c t i o ns e n s i t i v i 哆t 、v oi m p o r t a l l ti n d e xa 侬c i t h ec a p a b i l i t yo fm i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p ei sb r i n g f o r w a r d t h e ya r es e n s i t j v i t ya n db a n d w l d i h t h ed r i v i n gm o d ea n ds e n s i n gm o d em u s tk e e pp m p e r d e p a r t u r ei no r d e ri m p r o v et h es e n s t i v i t yo f m i c m e c h a n i c a ig y r o s c o p e ，也e s ep r o v i d et h e o r yb a s i s 姗 t h es i m u l a t i o n o fn e x tc h 印t e rl nt h en f t hc h a p t e lt h en a t u r a if 沁q u e n c i e s ，t h es t 砒i cd i s p i a c e m e n to f e a c ha x s ，p u i n v o i t a g e ，a m p l i t u d e f r e q u e n c ya n dp h a s e f r e q u e n c yc h 啪c t e r i s t i co fd i f f b r e n ta x l s a f t e rd i r e c lc u r r e n ta r ec o n n e c t e d ，t h ea f f e c t i o nt os e n s i n g 丘q u e n c yo fm 鹊sb l o c k ss t c t u r ea r e a n a i y z e dw i t hc o n v e n t o t h m u g ha n a l y s j slc h o s e nas u i to fb e a mp a r a m e t e r s a n i s o t m p i cp r o c e s si s e m u i a t e db yu s j n gi n t e l | i s u i t e w ec a nc o m p u t ec o r r u p tt i m ea n dd e p t h t h e s er e s u i t ss u p p l yt h e o r y 北京工业大学工学硕上学位论文 b a s i sf o re x p e r i m e n t t h ed r i v e 柚ds e n s i n g ，o d e lo f m i c r o m e c h a n i c a lc o m b d r i v eg y r o s c o p ei ss e tu p i nt h es i x t hc h a p t e lm e c h a n i c a lv i b r a t i o n s i g n a lm u s tb et r a n s f 0 咖i n t oe l e c t m n i cs i g n a ft h r o u g | i i n t e r f a c ec j r c u i t ，t h e nt h ea n gu l a rr a t ec a nb ea n a i n e d h o w e v e lt h e j n t e r f a c ec i r c u i ta l s op m v i d e st h e d r i v es i g n a it ot h em i c r o m e c h 粕i c a l 盯r o s c o p ea n dm a n ye r r o r sm u s tb ec o r i 弓c t e db yt h ei n t e r f k e c j r c u i t ，s ot h ei n t e r f a c ec i r c u i to f m i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p ei sd e s i g n e di n i t i a l l yi nt h es i x t hc h a p t e l t h es i m u l a t i o n 锄d 吼a l y s i so ft h ed i s s e r t a t i o nh a st h e o r e t i ci n s t r u c t i o nf o rt h ef a b r i c a t i o no ft h e m i c r o m e c h 蛐i c a lc o m b d r i v e 副r o s c o p e k e yw o r d sm i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p e ；柏g u l 甜s p e e ds e n s o r ；s e n s i t i v n yo fd e t e c t i o n ；p u j j i n v o l t a g e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：掏矗：遮日期：2 。6 j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：物嗑疲导师签名：二冀猫造日期：盟 1 1 m e m s 的发展历程 第1 章绪论 m e m s 是m i c r oe l c c t r 0m 。c h a n j c a ls y s t e m 的字首缩写，可译为微电子机械系 统。微电子机械系统( m e m s ) 是微电子技术和微机械加工技术发展结合的产物， 其中包括微电子和微机械两个部分。微电子技术的发展至今已经相当成熟，可以制 造冉功能强大日体积微小的专用集成电路”l 。在m e m s 中，微电子技术主要用来制作 测量传感器输出量的接口电路；微机械电子技术是近二十年来兴起的新技术，它是 通过微电了技术的平面工艺和其它一些特殊工艺，如l i g a 技术、键合技术、牺牲 层技术、各向异性腐蚀技术、深刻蚀等，在硅片、玻璃等材料上制作尺度在微米级 到毫米级的微型佑感器或执行器。用微机械电子技术制作的器件可以规模生产，不 仅价格低，体积小，重量轻，而且可咀与微电子加工的电路集成，做到机电一体化。 因此m e m s 技术的研究开发日益成为国际上的一个热点。m e m s 被认为是微电子技术 的又一次革命，对2 l 世纪的科学技术，生产合成和人类生活质量都会有深远的影响。 一般地说m e m s 具有以下几个非约束性的特征。1 ： ( 1 ) 在毫米到微米范围内，区别于一般宏( m a c m ) ，即传统的尺寸大干1 c m 尺度 的“机械”，但并非进入物理上的微观层次； ( 2 ) 基于( 但不限于) 硅微加工( s i l i c o n i i l i c r o f a b r i c a t i o n ) 技术制造； ( 3 ) 与微电子芯片类同，在无尘室大批量、低成本生产，使性能价格比比传统“机 械”制造技术大幅度提高： ( 4 ) m e m s 中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量 转化、传输等功能的效应，包括力、热、光、磁、乃至化学、生物等； ( 5 ) m e m s 的目标是“微机械”与i c 集成的微系统，并向智能化方向发展。 1 2 微陀螺仪的发展历程 陀螺仪是用于测量物体相对惯性空间转动的角度或角速度的装置，在许多领域 有着极为重要的作用。陀螺能确定方位或导航，在这个意义上，陀螺的功能类似指 南针，但不同的是陀螺可以确定任意的方向，而指南针仅仅能确定南北方向，而且 陀螺的定向不需要磁力线的帮助。现在实用的陀螺大多为传统意义上的陀螺，这种 陀螺体积庞大而且价格昂贵，因此应用的场台受到了很大的限制。近年来随着微机 械加工技术的发展，制造价格便宜体积小并且性能良好的微机械陀螺正成为研究的 械加工技术的发展，制造价格便宜体积小并且性能良好的微机械陀螺正成为研究的 热点。 北京工业大学工学颁：l 学位论文 自8 0 年代以来，微机械陀螺仪经历了十多年的发展，出现了各种各样的类型， 归结起来可分为以下三种：1 振动式微机械陀螺仪，利用单晶硅或多晶硅制成的振动 质量，利用被基座带动旋转时的哥氏效应感测角速度，称为速率陀螺仪或角速度传 感器p j 。多采用平面电极或梳状电极静电驱动，并用平板电容器进行检测。为了增大 驱动力，提高输出灵敏度，也有用压电晶体或电磁驱动。若按振动构件的不同，这 种陀螺仪又有平板、棒、音叉、圆环和框架之分1 4 1 。2 转予式微机械陀螺仪，其转子 由多晶硅制成，采用静电悬浮，并通过力矩再平衡回路测出角速度。从功能看它属 于双轴速率陀螺仪或双轴速率角速度传感器。3 微机械加速度计陀螺仪，这是由参数 匹配的两个微机械加速度计作反向高频抖动而构成的多功能惯性传感器，它兼有测 量加速度和角速度的双重功能。 1 3 振动式微陀螺仪的发展历程 由于用硅材料加工高速旋转的微结构比较困难，而且机械磨损会使器件寿命缩 短，因而微陀螺仪一般为振动式陀螺仪。下面介绍几种结构不同的微机械振动式陀 螺：框架式角振动陀螺、振动梁式陀螺、振动环式陀螺和梳状结构陀螺。 1 3 1 框架式角振动陀螺 框架式角振动陀螺有单框和双框两种，它是利用转动坐标系角振动产生的科里 奥利力效应来检测角速度的，以1 9 9 1 年美国d r a p e r 实验室研制的双框架硅微机械陀 螺为例0 1 ，原理结构如图卜l 所示，它由内外两层框架组成，内框上有淀积金的惯性垂 直质量，内外框间有一对电极，用来检测和再平衡内框相对外框的运动，外框与壳体 问也有一对电极，在电极交变静电力驱动下，外框绕挠性支承振动，利用驱动电极的 电容变化。就可检测和控制外框振动的振幅，使其保持稳定的振动，这就自成一个加 矩，检测控制闭环工作系统“1 。外框带动内框振动( 无相对运动) ，则惯性质量脚便获 得一个周期运动的速度，当安装陀螺的载体舟弹j 有一个垂直框架平面的角速度时 惯性质量便产生哥氏力，使内框相对外框作振动，内外框间的电极电容发生变化，通 过检测电路测出这种变化，即可检测出角速度。当外框的振动频率与内框的固有频 率一致时，陀螺的灵敏度最大，这种结构的陀螺检测在1 h z 带宽的精度为4 。s e c ”3 。 由于受框架振动幅度限制，输出信号较为微弱，需要高灵敏度的信号检测电路。 1 3 2 振动梁式陀螺仪 图卜2 所示是体微机械加工技术制作的压电悬臂梁式陀螺，单晶硅悬臂梁与分别 位于两侧的固定电极构成差分检测电容。在悬臂梁下部由一个压电体进行竖直方向 外框挠性支最内框挠性支承 图卜l 角振动般框架陀螺仪 f i g 1 一lt h ed o u b l ef r a m e sv i b r a t o r ym i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p e s 的驱动，当存在沿悬臂梁纵向的角速度时，科里奥利力引起悬臂梁沿水平方向的检 测模态振动”1 。将悬臂梁与两侧固定电极之间差分电容改变转换为电压输出，即可检 测到角速度。悬臂梁式陀螺利用( 1 1 0 ) 硅片垂直向下的各向异性湿法腐蚀制作出截面 为正方形的梁，可实现两种工作模态谐振频率的匹配。陀螺灵敏度与悬臂梁谐振频 率成反比。1 。该陀螺制作工艺简单，但其驱动和检测振动模态之间存在较大的机械耦 合，因此产生了较大的失调。 铬申极 检测电极l 检测电极2 璃基底 图卜2 悬臂梁式微机械陀螺 f i g 卜2t h eb e a mm j c r o m e c h a n i c a ig y r o s c o p e s 1 3 3 振动环式陀螺 图卜3 所示为美国m i c h i g a n 大学报道的基于b r y a n 效应的谐振环形陀螺“。该陀 螺结构层由电铸镍构成，中心锚于衬底的可动圆环由8 个高柔性半圆辐条支撑，整个 圆环接在一个电极上，在环的外围有3 2 个电极，其中一部分用于静电驱动以激励出 两个振型，另一部分用于输出信号检测，还有一部分是用于伺服的力平衡电极“。 通过力平衡模式可以增大带宽及信号响应速度。器件灵敏度由第一和第二振型的输 北京工业大学丁二学硕士学位论文 2 2 2 8 2 2 2 2 2 2 e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s i e e ! ! ! ! ! ! ! ! s ! _ e i ! ! ! ! g _ ! ! 出比值决定。陀螺的灵敏度为o 5 。s e c ，带宽为2 5 h z “。这种结构有许多优点：首。 先，环状对称结构的设计使其对寄生振动不敏感；第二。环状对称结构使驱动和检 测模态的固有频率自然一致，大大提高了灵敏度；第三，由于两个模态的固有频率 自然一致，随温度的变化也是致的，所以这种结构对温度不敏感；最后，模态的 不对称可以通过平衡电极来调制。 图卜3 振动环式陀螺仪 f i g - 1 3t h em i c r o m e c h a l l i c a lv i b r a t o r y1 0 0 p 鲫s c o p e 3 1 3 4 梳状结构陀螺 如图卜4 所示在陀螺仪的活动部件( 谐振器) 和底座上均带有梳状结构，二者相互 交叠而构成梳状电极。梳状驱动的主要优点是驱动力与位移无关，驱动振幅较大， 品质因数较高，电子线路较易实现“”。下图是日本村田制作所的田中研究小组研制 出的一种典型的基于表面微加工工艺的微陀螺仪【l ”。它的多晶硅谐振子长8 0 0 u m ( 包 括两侧的梁) ，宽4 0 0 u m ( 包括两侧的梳状振动器) ，厚度5 啪，被4 个梁悬起来，这 些梁的终端被锚定在单晶硅上。为了得到大的弯曲振幅，驱动方向是横向的( 在x 方 向) 。振子是靠施加在梳状操作器上的a c 和d c 偏置电压所产生的静电力来工作的( 驱 动振动模态) 。当振子沿y 轴以角速度臼转动时，所产生的哥氏力尺c 撕o l i s f o r c e ，理 论上，f 。2 m v q ，确谐振予的质量，沩谐振子的横向振动速度) 与妇成比例变化，会 引超振子沿z 轴方向上下振动( 检测振动模态) 。但这种振动弯曲很小，一般通过振 子和硅板之间的空隙的静电电容的变化才可以检测到。若设计的空隙是l u m ，为了提 高检测高灵敏度，需要合理设计4 个梁的尺寸，即支撑梁的长宽高，一般应使驱动模 态和检测模态的响应频率很接近。在0 1 p a 的真空时，其驱动和检测q 值分别可达2 8 0 0 和1 6 0 0 0 ，分辨率为2 。s e c 。 第l 章绪论 图卜4 梳状陀螺结构 f i g 1 4t h ec o m b d r i v em i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p e s 1 4 本课题的主要工作 本论文将从m e m s 及微陀螺仪的发展历程介绍入手，重点讲述微机械振动陀螺仪 的优点。论文主要对梳状静电驱动电容检测的振动式微陀螺仪进行设计、仿真及分 析。主要工作有以下几方面： ( 1 ) 介绍了m e m s 制造技术及梳状驱动微机械陀螺仪的制作工艺。m 酬s 制造技术 主要分三方面：体加工工艺、表面微加工工艺、l i g a 工艺； ( 2 ) 详细介绍了梳状驱动微机械陀螺仪的工作原理及其结构图，并且建立了数学 模型，推导出运动微分方程，求出梳状驱动微机械陀螺仪的检测位移，并分析了微 陀螺仪的运动规律： ( 3 ) 研究了静电梳齿电容驱动原理和电容检测原理，求出了驱动力及检测灵敏 度。比较了梳齿双边驱动和单边驱动两种方式的优缺点。提出了影响微陀螺仪性能 的两个重要指标：检测灵敏度和工作带宽； ( 4 ) 基于c o n v e n t o r 软件，对微机械梳状陀螺仪固有特征频率、各轴的静态位移、 吸合电压、对梳齿施加直流偏置电压后各轴的幅频相频特性及质量块结构对驱动和 检测频率的影响等进行了分析，选出了一组合适的悬臂梁参数，使微陀螺仪具有较 高的灵敏度： ( 5 ) 建立了微机械梳状陀螺仪的驱动和检测电学模型并设计了驱动电路和检测 电路。 北京t 业大学t 学硕j ：学位论文 第2 章m e m s 及徽陀螺仪制作工艺 m e m s 制造技术是在微电子制造工艺基础上吸收融合其他加工工艺技术逐渐发 展起来的，它是实现各种微机械结构的手段，因此在m e m s 研究开发中占有极为重要 的地位”“。微机械制造工艺流程通常是：首先在硅片上采用淀积、离子注入、氧化 或电铸等手段形成具有抗腐蚀能力的掩蔽膜，然后通过光刻工艺对该膜实旖刻蚀， 得到所需几何形状，再进行硅本体腐蚀，获得所希望的微结构“”。微机械加工技术主 要分为：以光刻、化学刻蚀为主要工艺手段的硅基结构体微加工和表面微加工；以x 光深光刻、电铸制模和注模复制为主要工艺手段( l i g a 工艺) 的非硅结构加工；以激 光、超精密切削为主要工艺手段的精密机械加工。下文将介绍m e m s 常用的加工工艺。 2 1 体加工工艺 体加工工艺主要包括除去加工( 腐蚀) 、附着加工( 镀膜) 、改质加工( 掺杂) 和结合( 键合) 加工四种。 2 1 1 腐蚀 腐蚀技术是加工传感器的最基础、最关键的技术，它通常有两种：干法腐蚀和 湿法腐蚀。干法腐蚀技术包括以物理作用为主的反应离子溅射腐蚀、以化学反应为 主的等离子体腐蚀，以及兼有物理、化学作用的反应溅射腐蚀。各向同性干腐蚀是 利用反应性气体与刻蚀对象问的化学反应进行的，而各向异性干腐蚀则利用离予流 定向冲击剥蚀的原理。硅的湿法腐蚀是先将材料氧化，然后通过化学反应使一种或 多种氧化物或络合物溶解，包括湿法化学腐蚀和湿法电化学腐蚀“。根据腐蚀剂的 不同，硅的湿法腐蚀可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。各向同性腐蚀是指硅在 各个晶向有相同的腐蚀速率，因而适用于圆形结构的加工，为了去掉构造下的的牺 牲层，也常常采用各向同性腐蚀。各向异性腐蚀是指硅的不同晶向具有不同的腐蚀 速率，基于这种腐蚀特性靠调整器件结构面，使它和快刻蚀的晶面或慢刻蚀的晶 面方向相对应，由刻蚀速率依赖于杂质浓度和外加电位这一特点又可用于控制适时 停止刻蚀从而可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。 2 1 2 镀膜 常用的电极布线工艺包括：把布线材料蒸发淀积到整个硅片上，用光刻技术形 成布线图形以及达到欧姆接触而进行热处理。蒸发淀积布线材料，通常采用将布线 6 ：薹! 茎竺! 坚! 垒堡竺塞堡垫堡堡些墼型堡堡奎，一一 ，。 材料在真空中加热蒸发的真空镀膜法“”。蒸镀金属薄膜，如c r 、a 1 、c u 、p t 、a u 、 n i 等金属的薄膜通常用真空蒸镀机完成。真空蒸镀机的特点是构造简单，价格低， 但只能蒸镀金属材料。考虑到薄膜内应力的影响，通常膜厚在l u m 之内。溅射台也 可用来制备金属膜或非金属膜。从工作方式来看，可分为直流和射频两种工作方式， 前者只能用来溅射a 1 、c r 、a u 、c u 、f e n i 、t i n i 等金属材料，而后者既可溅射金属 又可溅射s i 0 ：、s i ，n 。、z n o 、s i c 等非金属材料。与蒸镀法相比较，溅射所获得薄膜 的内应力较小，因此可得到较厚的膜。 2 1 3 掺杂 掺杂也称半导体杂质扩散技术。扩散是在高温下向半导体表面掺入杂质以改变 体内杂质浓度分布。所得到的杂质分布呈非均匀分布“”。主要设备是扩散炉。杂质 向半导体内扩散主要以下述两种方式进行： ( 1 ) 替代式扩散杂质( 如硼、磷等) 进入晶体中沿品格空位进行扩散。这种扩散 机制的特征是，杂质原予占据晶体内晶格格点的正常位置，不改变原材料的晶体结 构： ( 2 ) 间隙式扩散杂质( 如金) 原子进入晶体之后能从一个晶格间隙到另一晶格间 隙，逐次跳跃地前进，这时杂质原子存在于晶格的间隙之中。半导体器件制造中主要 使用的三、五族杂质元素( 如b 、p 、a s 、s b 等) ，通常都以替代方式进行扩散o 。扩 散工艺一般分两个步骤：预淀积；再分布。通过掺杂可改变硅的原有导电类型 制作p - n 结。在微加工工艺中可用来做自停止腐蚀的浓硼层。 2 1 4 键合 微加工工艺中有时需要将两块微加工后的基片黏接起来，这样可获得复杂的结 构，实现更多的功能。将基片结合起来的方法有粘接、融按、阳极键合、直接键合、 扩散结合等方法。 ( 1 ) 焊接将焊剂夹入基板间，在一定温度且加压情况下使基板间连接起来。使 用焊剂有机薄膜、聚酰亚胺、低熔点玻璃等。适于精度要求不高的情况； ( 2 ) 融接使玻璃基板重叠，在真空中加热到融着温度使二者结合。另外，硅板 间夹入会膜，加热到约3 7 0 时，硅和金形成混晶状态使二者结合； ( 3 ) 压接( 固相结合) 即硅一硅低温键合，非常平滑的硅表面无氧化层存在时，由 于两表面间原子引力的作用使二者结合起来的一种方法。它通常在超高真空下进行， 由于可在常温下操作，无热应力发生，因此是一种理想的方法，但因对基板的平滑 度要求很高尚未实用化； ( 4 ) 扩散结合利用压力产生的接触面的轻微变形和一定温度，使原子扩散所产 一s s 。! 。，。一，二! 耋三垩奎耋三耋堡圭兰堡篁兰。，! ，。，。：。，。 生的结合力使得基板间黏接起来； ( 5 ) 阳极键合在硅和玻璃问加上约6 0 0 2 0 0 0 v 的电压，温度3 0 0 4 0 0 情况 下，利用二者问的静电引力使其结合； ( 6 ) 硅一硅键合在高温或低温下形成硅片之间的结合，如硅一二氧化硅一硅的结 合。 2 2 面加工工艺 2 2 1 非晶薄膜制作 常用的非晶薄膜材料有二氧化硅( s i o t ) 、氮化硅( s i n ) 、磷硅玻璃( p s g ) 、硼硅玻 璃( b s g ) 、多晶硅和一些金属薄膜( 如a l 、m 、w 、p t 等) 。制膜工艺有湿法制膜和干 法制膜，干法制膜有c v d ( 化学气相堆积) 、p v d ( 物理气相堆积) 及溅射堆积等方 法。 2 2 2 非晶薄膜腐蚀 表面微加工是以多层非晶薄膜的生长、淀积、腐蚀为基础的，在表面微结构制 作中大量使用非晶薄膜作为结构层和牺牲层。牺牲层技术是在微结构制作流程中将 牺牲层薄膜夹在结构薄膜材料之间，然后有选择地将牺牲层腐蚀掉，使结构薄膜与 基底材料分离，得到所需要的表面微结构。因此非晶薄膜的腐蚀是表面加工的重要 工艺。 2 3l lg a 工艺 l i g a 工艺是利用x 射线光刻、电铸成型和塑料铸模等手段进行操作的一种新技 术。它是1 9 8 6 年由德国卡鲁塞尔核研究中心微结构研究所的w e h r f e l d 教授及其同 事为了分离铀同位素而首先开发出来的，被认为是m e m s 中的极有发展前途的一种技 术。l i g a 技术可加工出有较大高宽比和很高精度的微结构产品，且加工温度较低， 这使得它在微传感器、微执行器、微光学器件及其它微结构产品加工中显示出突出 的优点”0 1 。l i g a 是德文l i t h o g r a p h i e ，g a l v a n o f r m u n g 和a b f o r m u n g 三个词的缩写， 它的主要工艺过程如下： ( 1 ) 深度x 射线刻蚀利用深度同步辐射x 射线在数百微米厚的光刻胶上刻蚀出较 大深宽比的光刻胶图形，高宽比一般达到1 0 0 ： ( 2 ) 电铸成型及制膜利用光刻胶层下面的金属膜层作为电极进行电镀，将显影后 的光刻胶所形成的三维立体结构间隙用金属填充，直到光刻胶上面完全覆盖了金属 为止，形成一个与光刻图形互补稳定的相反结构图形； ，： ：! 。；：墼，耋竺! 竺! ! 些篁竺塞堡垫堡堡堡墼型堡垒奎：， ( 3 ) 注膜复制( 塑铸) 塑铸为大批量生产电铸产品提供了塑料铸模。将去掉基板 和光刻胶的金属模壳附上带有注入孔的金属板，从注入孔向模腔中注入塑料，然后 去掉模壳。在金属板上留下一个塑料结构，此塑料结构可作为产品，也可将它作为 模芯。便复制出一个塑料微结构产品。 2 4 梳状微振动陀螺仪的制作工艺 下图2 1 是梳状驱动电容检测微陀螺仪的制作工艺流程图。一个检测电极，p s g 牺牲层( 1 m 厚) 和多晶硅层( 5 m 厚) 被沉积在一片单晶硅上。利用r i e 使多晶 硅刻蚀成谐振子。牺牲层用氢氟酸湿法腐蚀除去，然后用水漂洗，最后在真空环境 用二甲基二丙醇冷冻干燥。这种冷冻干燥可以避免由于表面张力使振子粘到硅板的 现象。 磷扩散 p s g 的沉积和成型 多晶硅的沉积和成型 腐蚀牺牲层 利用离子研磨进行喃应频率修整 图2 1 微机械梳状振动陀螺仪的制作工艺 f 追2 1t h ef a b r i c a t i o np r o c e s so f 也ec o m bd r i v em i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p e 2 5 本章小结 本章介绍了m e m s 常用的制作技术，包括体加工工艺、面加工工艺和l | g a 工 艺。体加工工艺主要有腐蚀、镀膜、掺杂、键合等：面加工工艺有非晶薄膜制作， 非晶薄膜腐蚀等：l i g a 工艺是利用x 射线光刻、电铸成型和塑料铸模等手段进行操 作的一种新技术。由于同步辐射x 光有非常好的平行性、极强的辐射强度、连续的 光谱，使l i g a 技术能够制造出高宽比大到5 0 0 、厚度几近1 0 0 0 m 的微三维立体结构。 它在制造很厚的微机械结构方面有其独特优点，在高深宽比微结构的制作上也占有 9 北京t 业大学t 学锁十学位论文 ! ! ! ! ! ! = 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! _! ! ! ! ! ! j ! 很重要的地位。l i g a 技术的出现，使原来难以实现的微机械结构能够制造出来。另外 还介绍了梳状振动型微机械陀螺仪的制作工艺。 1 0 第3 章徽陀螺仪的结构图盟萁数学模型 第3 章微陀螺仪的结构图及其数学模型 3 1 微机械振动陀螺仪的工作原理 图3l 为其工作原理示意图。它可视为由两个以正弦波振动的谐振器组成，即 以检测质量块平动振动为基础的微机械陀螺和以检测质量块扭转振动为基础的微机 械陀螺1 。质量块m 有两个互相垂直的振动模态，y 方向是驱动模态，固有频率。， z 方向是检测模态，固有频率“。工作时以驱动频率u 。驱动质量块沿y 方向振动， 当系统绕x 轴以角速度口，转动时，由于哥氏效应将产生沿z 轴方向的哥氏加速度 d ，= 2 q ，v ，检测哥氏加速度的大小就能知道输入的角速度口。 y 轴 i ，举 x ( 0 k o 差y i 挑h 静蹦 妻f ， 妊 31 微机械振动陀螺仪原理图 f i g3 1 t h es c h e ma f co f v b r a l o r ym j c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p e _ i i ) 耐i l i ：i l| ：l i 蚪 t 刮z1 ：l 。厂袖蚵 l ! 3 2 微机械陀螺仪结构俯视图 f 培3 - 2t h es t m c t u r eo f v i b r a t o 叫m j c r o m e c h a n c a l 甜r o s c o p e 3 2 微机械振动陀螺仪的基本结构 微机械振动陀螺仪的结构如图3 2 所示，包括四个锚点、两个固定电极、一组悬 臂梁、质量块、连接在质量块上的活动梳十爵口固定电极上的固定梳指。锚点和固 臂粱、质量块、连接在质量块上的活动梳捂和固定电极上的固定梳指。锚点和固 ：! 一，；：一。! ! ! ! ：! 塞三兰垒兰三兰堡圭兰竺! 蝥；。：，。，。 定电极通过静电键合固定在玻璃基底上，使悬臂梁和质量块活动结构悬空。玻璃基 底除蒸镀有金属引出电极外。还对应质量块制作了金属板电极：如果在固定电极上 施加驱动电压，受电场力作用质量块将沿y 轴振动，当所施加电压的频率与结构y 方向的固有频率一致时，结构将振动在谐振状态。当沿x 轴方向有一外加角速度臼， 输入时，由于哥氏效应将产生沿z 轴方向的交变哥氏加速度口：= 2 q 。，并产生沿 z 轴方向的交变哥氏惯性力e = 2 掰q 。v 。 3 3 微机械振动陀螺仪的数学模型及微分方程 首先建立动坐标系与硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的基座固连，将动坐标系 固连在梳状微振动陀螺仪的基座上，取动坐标系的原点为敏感质量块质心的平衡位 置口引。y 轴为静电驱动力的方向，z 轴为检测振动的方向，x 轴由右手规则确定。假 设动坐标系相对于惯性坐标系有在动坐标系下表示为( q 、国。、哆) 的角速度，再 用f ( f ) 、- ，( ，) 、( r ) 表示t 时刻动坐标系的三个坐标轴方向的单位矢量用x ( f ) 、y ( f ) 、 z ( ，) 表示t 时刻活动质量的质心在动坐标系下的坐标，用s ( f ) 、v ( ，) 分别表示t 时刻 活动质量的质心在惯性坐标系的位移和速度，s ( r ) 、v ( f ) 在动坐标系下表示为 s ( f ) = x ( f ) 稚) + y ( f ) ，( f ) + z 8 ) i ( f ) ( 3 - 1 ) 因为x 轴为驱动方向，所以x ( f ) = 0 ，因此得 j ( f ) = _ y ( r ) ，( f ) + z ( f ) 七( f ) ( 3 - 2 ) 上式各项对t 求一阶导数，得 v ( ，) = y ( r ) ，( r ) + j ，( r ) ，o ) + z ( f ) 七( f ) + z ( ，) i ( ，) 因为动坐标系相对于惯性坐标系只有在动坐标系下表示为( 皱、 的角速度，所以f ( f ) 、( f ) 、后o ) 分别为( q 、，、q ) 与( 1 ，o ，o ) ( o ，o ，1 ) 的矢量积，即 j ( ，) = 吐歹( f ) 一，女( f ) ，( f ) = q t ( ，) 一哆f ( f ) ( f ) = q f ( r ) 一q ，( f ) ( 3 3 ) 国，、哆) ( 0 ，l ，o ) ， ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 所以得敏感质量块的速度为 v ( f ) = ，( f ) 【j ，( f ) + q z ( f ) 】+ f ( f ) 【心y ( f ) 一q ：( ，) 】+ 后( ，) 【z ( f ) 一q _ y ( f ) 】 ( 3 _ 7 ) 上式各项对t 求一阶导数，得敏感质量块的加速度为 口( f ) = ，( ，) 【，。( ，) 一( 吐2 + 吐2 ) _ y ( f ) + 2 国，：o ) + 。：z p ) 】 + f ( ，) 【2 国：y ( f ) + 出，吐y ( f ) 一2 ，z ( f ) + c 吒吐z ( f ) 】 ( 3 8 ) + 七( f ) z ”( f ) 一( 珊，2 + 乜2 ) z ( f ) 一2 k y ( ，) + 珊。q y ( f ) 】 敏感质量块在动坐标y 轴方向所受的力为由弹簧所提供的弹性力，它与y ( ，) 成正比， 大小为一女，y ( r ) ，女为敏感质量块沿y 轴方向运动的弹性系数；还有阻尼力，大小为 一d 。y ( r ) ，其中d ，为敏感质量块沿y 轴方向运动的阻尼系数；还有干扰力m 。( r ) 和 静电吸引力，假设它俩的和为占c o s ( 耐+ 口) f 2 4 】。设敏感质量块的质量为m ，则由牛顿 第二定律：f = m d ，得 艿c o s ( 纠+ a ) + m z ( f ) = 7 砂( ，) + b y 7 ( ，) + y ( r ) 晦一朋( q 2 + 吐2 ) f ，q 、 + 2 m