（信号与信息处理专业论文）电磁式微机械陀螺结构设计与工艺研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 微机械陀螺仪与传统陀螺仪相比具有体积小、易量产、成本低等特点， 在汽车导航等民用领域以及惯性制导等军事用途中应用广泛。微机械陀螺仪 的芯片加工是其核心，因此研究陀螺仪的芯片设计和加工工艺具有非常重要 的意义。本论文研究了一种电磁式振动环微陀螺仪的结构设计与工艺实现。 首先分析了电磁式陀螺仪的工作原理，提出电磁式振动环微机械陀螺仪的具 体结构形式。通过有限元方法对陀螺仪进行了模态分析、抗高过载分析、电 刚度分析、c o r i o l i s 效应分析，确定了其结构参数。然后介绍了陀螺仪加工 所涉及的主要m e m s 工艺，并对加工流程和工艺进行研究，设计了整套加 工流程并确定了工艺参数。最后对陀螺仪芯片进行了性能测试。这些研究成 果为电磁式振动环微机械陀螺仪芯片的完善提供了一些设计和加工经验。 关键字：微机械陀螺仪，c o r i o l i s 效应，结构设计，m e m s 加工工艺 a b s t r a c t m i c r o m a c h i n e dv i b r a t o r yg y r o s c o p e sh a st h em e r i to fs m a l ls i z e 、l i g h t w e i g h ta n dh i g ha n t i s h o c kc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lg y r o s c o p e i tu s e di n c i v i l i a na r e a ss u c ha sc a rn a v i g a t i o n ，a sw e l la si n e r t i a lg u i d a n c ef o rm i l i t a r y p u r p o s e s m e m sg y r o s c o p et e c h n o l o g yi st h ec o r eo fg y r o s c o p e s ot h es t u d yo f g y r o s c o p ec h i p sd e s i g na n dt e c h n o l o g yp r o c e s s i n g i s v e r yi m p o r t a n ta n d s i g n i f i c a n t t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u td e s i g na n df a b r i c a t i o n p r o c e s so fa ne l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i n gs t r u c t u r em i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p e t h ed i s s e r t a t i o nu s ef e m ( f i n i t ee l e m e n t ) t os o l v et h es t r u c t u r eo fg y r o s c o p e b e c a u s ei t se a s i e rt h a nt og e tf i t t e dr e s u l t s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e o ft h ee l e c t r o m a g n e t i cm i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p ea n dg i v e st h es t r u c t u r eo ft h e g y r o s c o p e f e mk i n e t i ce q u a t i o no fg y r o s c o p ei se l i c i t e d ，a n dt h e na n a l y s e so f m o d e 、h i g ha n t i s h c o k 、s t i f f n e s sa n dc o r i o l i se f f e c ta l ed o n e - 1 h ef a b r i c a t i o no f t h eg y r o s c o p ei sd o n eb yu s i n gm e m st e c h n o l o g y t h ef l o wo ff a b r i c a t i o ni s d e c i d e d ，a n dt h e nt h eg y r o s c o p ei si m p l e m e n t e ds t e pb ys t e p i nt h ee n d ，t h e c h i p i st e s t e d t h e s es t u d yr e s u l t sp r o v i d es o m ed e s i g na n dp r o c e s s i n g e x p e r i e n c ef o re l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i n gs t r u c t u r em i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p e w a n gw e i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nf e n g j i ea n dl is h o u r o n g k e yw o r d s ：m i c r o m a c h i n e d g y r o s c o p e ，c o r i o l i se f f e c t , m e m s t e c h n o l o g y ，s t r u c t u r ed e s i g n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 微机械陀螺仪与传统陀螺仪相比具有体积小、易量产、成本低等特点， 在汽车导航等民用领域以及惯性制导等军事用途中应用广泛。微机械陀螺仪 的芯片加工是其核心，因此研究陀螺仪的芯片设计和加工工艺具有非常重要 的意义。本论文研究了一种电磁式振动环微陀螺仪的结构设计与工艺实现。 首先分析了电磁式陀螺仪的工作原理，提出电磁式振动环微机械陀螺仪的具 体结构形式。通过有限元方法对陀螺仪进行了模态分析、抗高过载分析、电 刚度分析、c o r i o l i s 效应分析，确定了其结构参数。然后介绍了陀螺仪加工 所涉及的主要m e m s 工艺，并对加工流程和工艺进行研究，设计了整套加 工流程并确定了工艺参数。最后对陀螺仪芯片进行了性能测试。这些研究成 果为电磁式振动环微机械陀螺仪芯片的完善提供了一些设计和加工经验。 关键字：微机械陀螺仪，c o r i o l i s 效应，结构设计，m e m s 加工工艺 a b s t r a c t m i c r o m a c h i n e dv i b r a t o r yg y r o s c o p e sh a st h em e r i to fs m a l ls i z e 、l i g h t w e i g h ta n dh i g l la n t i s h o c kc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lg y r o s c o p e i tu s e di n c i v i l i a na r e a ss u c ha sc a rn a v i g a t i o n ，a sw e l la si n e r t i a lg u i d a n c ef o rm i l i t a r y p u r p o s e s m e m sg y r o s c o p et e c h n o l o g yi st h ec o r eo fg y r o s c o p e s ot h es t u d yo f g y r o s c o p ec h i p sd e s i g na n dt e c h n o l o g yp r o c e s s i n g i s v e r yi m p o r t a n ta n d s i g n i f i c a n t t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u td e s i g na n df a b r i c a t i o n p r o c e s so fa l le l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i n gs t r u c t u r em i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p e t h ed i s s e r t a t i o nu s ef e m ( f i n i t ee l e m e n t ) t os o l v et h es t r u c t u r eo fg y r o s c o p e b e c a u s ei t se a s i e rt h a nt og e tf i t t e dr e s u l t s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e o ft h ee l e c t r o m a g n e t i cm i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p ea n dg i v e st h es t r u c t u r eo ft h e g y r o s c o p e f e mk i n e t i ce q u a t i o no fg y r o s c o p ei se l i c i t e d ，a n dt h e na n a l y s e so f m o d e 、h i g l la n t i s h c o k 、s t i f f n e s sa n dc o r i o l i se f f e c ta r ed o n e t h ef a b r i c a t i o no f t h eg y r o s c o p ei sd o n eb yu s i n gm e m st e c h n o l o g y t h ef l o wo ff a b r i c a t i o ni s d e c i d e d ，a n dt h e nt h eg y r o s c o p ei si m p l e m e n t e ds t e pb ys t e p i nt h ee n d ，t h e c h i p i st e s t e d t h e s es t u d yr e s u l t sp r o v i d es o m ed e s i g na n dp r o c e s s i n g e x p e r i e n c ef o re l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i n gs t r u c t u r em i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p e w a n gw e i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db y p r o f s u nf e n g j i ea n dl is h o u r o n g k e yw o r d s ：m i c r o m a c h i n e d g y r o s c o p e ，c o r i o l i se f f e c t , m e m s t e c h n o l o g y ，s t r u c t u r ed e s i g n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电磁式微机械陀螺仪结构 设计与工艺研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究戚果。据本人所知，除了文中特别加以标注 和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得华北电力大学或其他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 表示了落意。 学位论文作者签名：日期：匹刻 关于学位论文使用授权的说明 本入完全了解华j | ：电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为露的，复利赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： e l期：血i 导师签名： 日期：一0 置型 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题意义 第一章绪论 陀螺仪是一种可用于测量物体运动角速度的传感器。传统的陀螺仪采用 传统机械手段加工，虽然精度高，但成本较高而且体积较大。随着微电子机 械微系统( m e m s ) 技术的发展，微机械陀螺仪【l 】应运而生。这种陀螺仪采 用与i c 工艺相似的m e m si 艺，可实现器件的批量生产，具有体积小、成 本低、功耗小等特点。在汽车、导航等民用领域以及惯性制导等军事用途中 应用广泛。 在国外，微机械陀螺的研究已经有近2 0 年的历史，其研究从开始的种 类单一且测量精度低发展到今天种类较多且测量精度较高的阶段。并且近几 年已经见到微机械陀螺仪量产的报道。而在我国，微机械陀螺仪还停留在实 验室研究阶段，尚无可靠的产品问世。随着微机械陀螺技术在各领域的广泛 应用，实现我国自有知识产权的微机械陀螺势在必行。 本课题旨在研究一种电磁式微机械陀螺，将重点讨论这种微机械陀螺的 结构设计与工艺。这种陀螺的核心器件采用m e m s c a d 软件设计，然后用 m e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) i 艺进行加工。通过这种手段制造的 陀螺具有抗高过载能力、并且可大规模生产。这种陀螺仪可用于汽车导航等 民用领域和炮弹制导等军事用途。 1 2 国内外发展动态 2 0 多年来，硅微机械陀螺的研究发展迅速。微机械陀螺按结构可分为 框架式陀螺仪、振动音叉式陀螺仪、梳齿状陀螺仪、振动轮式陀螺仪、振动 环式陀螺仪。它们的工作原理都是利用c o r i o l i s 效应实现角速度的检测。 微型石英音叉式陀螺【2 】是典型的振动陀螺结构( 图1 1 ) 。这种陀螺由两 个连接到一个基轴上的音叉组成，石英音叉在外加交变电场作用下，由于逆 压电效应而受到压力的作用。两个音叉受到驱动后以固定的幅度进行振动， 这时输入沿基轴方向的角速度，每个音叉上产生与驱动方向垂直的哥氏加速 度，并引起该方向的振动。该加速度形成的力与旋转输入角速度成正比，且 可从音叉叉指的弯曲或基轴的扭转振动中检测出来。音叉式陀螺仪采用石英 材料，但是这种材料加工困难，且驱动和检测线路间的杂散电容耦合问题严 重。 华北电力大学硕士学位论文 图1 - 1 音叉式振动陀螺示意图 1 9 9 1 年美国d r a p e r 实验室制造出第一个体硅微机械速率陀螺【3 】( 图 1 2 ) 。这种陀螺称为框架式陀螺仪，它由内外两个相互相连的框架组成双框 架振动结构，它的振动结构由p 型硅制造。框架式陀螺仪通过静电方式驱 动外部框架以一个恒定幅度摆动，摆动通过内部挠性部件的刚性轴传到内部 框架，当在垂直框架平面方向有输入角速度时，哥氏力引起内框架相对于其 轴以一个与驱动频率相同的摆动。这个摆动的幅度与输入角速度成正比。这 种陀螺仪优点是结构简单，易于工艺实现，其缺点是精度不高。 输入轴 图1 2 框架式微机械陀螺 4 华北电力大学硕士学位论文 梳齿式微机械陀螺仪【4 j ( 图1 3 ) 是在音叉式陀螺基础上发展起来的。音 叉式梳齿振动陀螺由以下部分组成：两个检测质量块、固定框架、支承梁、内 部和外部的驱动梳及相应的电极。两个质量块通过梁和支承梁构成一个固定 框架，固定框架通过锚与基底相连，使质量块能分别在平面内( x 轴方向) 和垂直 于平面( z 轴方向) 上运动。 音叉式梳齿振动陀螺工作时，在陀螺的两个外驱动梳加上等幅反相交变 的驱动电压，外驱动梳指之间的电容中储存的电能量随时间交变，从而产生作 用在质量块上的静电力。在这种交变静电力的作用下，两块检测质量块沿驱动 轴( x ) 以驱动频率qn 作相向和相背交替的线振动，此时如果整个陀螺绕输入轴 ( y ) 相对于惯性空间以角速度q 转动，由力学分析得出，两块检测质量块均受到 沿敏感轴( z ) 交变的哥氏( c o r i o l i s ) 力f c 的作用( 在qn 驱动频率时，f c 的频率 与驱动频率相同) ： f c = 2 m qxv ( 1 1 ) 在哥氏力作用下，检测质量块与电极之间距离发生变化引起电容相应的 变化。通过测量电容的变化，可求出角速度q 。这种陀螺仪虽然精度较高，但 由于微小的梳状齿需要交错排列且十分密集，因此工艺实现较难。 z 图1 3 梳齿状微陀螺 图1 4 是一种振动轮式微机械陀螺【5 1 。转子直径1 5 m m ，厚度2 0 3 0 1 t t m 。 z 轴为驱动轴，y 轴为角速度输入轴，x 轴为检测轴，用静电电压驱动陀螺 绕驱动轴振动。当陀螺载体相对于惯性空间在y 方向有角速度时，陀螺转子 将绕检测轴振动。检测陀螺转子与基片电极之间电容的差动变化，就可以获 得载体的角速度信息。由于这种陀螺仪的电容间距较小，因此工艺实现也比 较复杂。 5 华北电力大学硕士学位论文 ， 一 黼 ， 臣臃淞 一一躞i | 口 乏 ， 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 4 检测振幅及相位随角速度变化率 角速度检测振幅 r 喇| s ( t m ) 0 0 0 5 5 0 0 0 3 2 4 0 0 0 0 9 8 0 0 0 1 2 8 3 0 0 0 35 4 6 0 0 1 0 3 1 8 o 0 14 8 6 6 0 0 1 7 1 1 9 0 0 l7 3 4 4 o 0 l7 3 6 7 0 0 1 9 3 8 1 o 0 2 1 6 4 3 0 0 2 3 9 0 4 0 0 2 6 l6 6 0 0 3 2 9 5 3 0 0 3 5 2 1 3 检测振幅与角速度关系曲线如图2 1 9 所示。从图中可以看出，检测位 移与角速度成线性关系，其分辨率可以达到o 5 0 s 符合设计要求。 乍 - - t 、_ ， 罂 鞲 萨= 1 0 0 3 5 ； o 0 3 0 0 2 5 o 0 2 晚吵 甄l 呐5 n ，- 0 0 0 5 - 1 0 角速度( r a d s ) 图2 1 9检测振幅与角度度关系曲线 1 4 9 1 0 这里只介绍了所设计陀螺仪c o r i o l i s 效应分析，由于时间有限( 电磁式 母堰一石巧乏oj 2 3 4 5 8 9 华北电力大学硕士学位论文 陀螺仪的c o r i o l i s 效应分析是较耗时的) ，并没有改变陀螺仪长宽比以得到 更高的灵敏度。为了检验c o r i l i s 效应可以进行陀螺仪灵敏度分析，分析方 法是改变电磁式陀螺梁结构的长宽比，再进行c o r i l i s 分析得到检测位移来 验证不同长宽比的灵敏度【1 9 1 。 2 4 小结 本章首先介绍了电磁式陀螺仪工作原理，并设计了陀螺仪结构。然后引 出了陀螺仪结构的有限元方程，并用a n s y s l 0 有限元软件对陀螺仪进行了 模态分析、电刚度分析、抗冲击分析及c o r i o l i s 效应分析。分析结果表明设 计合理。 华北电力大学硕士学位论文 第三章电磁式陀螺仪工艺研究 本文中的陀螺仪采用m e m s 工艺技术实现，这种技术包括镀膜、光刻、 腐蚀、金属化等工艺手段。本章首先介绍电磁式陀螺仪必需的m e m s 工艺， 然后设计陀螺仪加工工艺方案，并加工陀螺仪结构芯片。最后比较陀螺仪实 际参数( 包括模态频率、抗冲击加速度、c o r i o l i s 效应等) 与有限元模拟法 得到的参数之间的关系。 3 1m e m s 工艺概述 m e m s 工艺【2 0 】是一种以硅为基本( 衬底) 材料进行镀膜、光刻、腐蚀、 金属化等硅表面加工技术。它便于机电集成、批量生产并对设备和环境要求 高 2 1 1 ( 依靠设备和工具) 。一个m e m s 器件的成型经历了几十步操作，其 实理的t 芝淹释如图3 1 昕示，木节烙对与m e m st 艺进行第萼的公缪 硅锭 缨嘲露 溺幽谧赫 封装 画癣画 画画画 切成 硅片 切成芯片 翟豳 蠲罂溢盈 灌匮叠叠曩 薯委三曩露 叠矗譬 硅片 测试 瑶翟唇 提微给客户 图1m e m s 器件的工艺实现图 3 1 1 衬底材料的选择 经x 2 0 - 3 0 j 艺步骤 形成带芯片的硅片 在加工器件之前，首先要选择器件的基体材料。一般m e m s 工艺采用 以硅为衬底的工艺。根据器件性能要求选择掺杂浓度、导电类型( n 型或者 p 型) 及晶面( ( 1 0 0 ) 、( 1 1 0 ) 、( 1 1 1 ) ) f 2 2 1 。掺杂浓度决定了器件导电的难 易程度，导电类型影响器件的电流的走向，而晶向决定了加工器件时的衬底 腐蚀速度及方向。在本文工艺实现中，选择了直径为3 英寸，晶面为( 1 0 0 ) ， 2 7 酣国 秒 华北电力大学硕士学位论文 低掺杂的硅片。( 1 0 0 ) 晶面是三种晶向中衬底刻蚀速度最快的：当在( 1 0 0 ) 硅片的【1 1 0 】晶向上进行刻蚀时，其刻蚀线条精度与掩模版的误差最小。这 种硅片还具有一致性好、均匀、表面清洁、点缺陷少等特点。 3 1 2 净化和清洗 为了保证陀螺仪的成品率，净化与清洗必不可少。 清洗是指除去器件制造过程中偶然引入的“表面玷污”杂质( 来自加工 过程或清洗) ，如颗粒、杂质膜、物理吸附或化学吸附等。清洗是一个必需 的复杂的工艺过程。清洗过程必须遵循固定的程序和顺序。对于使用原始硅 片、工艺环节前、甩胶前、去胶后等这些工艺步骤都需要清洗硅片。 净化是保证半导体工艺环境保持洁净。工艺环境的污染一般来自尘埃、 杂质、有害气体：工作人员、设备、工具、药品等带入的杂质。工艺环境的 净化方式一般采用空气过滤、洁净室、超净工作台的方式。操作员出入操作 间要风淋、穿工作服、鞋。 3 1 3 氧化 豇a 是具有熔点温度1 7 3 2 一 c 的本征( 纯) 玻璃体。热生长的瓯a 能紧紧粘 附在硅衬底上，可以作为有效阻的挡层，用来隔离和保护硅内的灵敏部分。 在硅表面技术中常用二氧化硅做为保护层或绝缘层。二氧化硅由硅与氧化剂 反应生成，这一过程称为硅片氧化。氧化一般可分为湿法氧化、干法氧化。 本文中陀螺仪工艺使用湿法氧化【2 3 1 。湿法氧化是指将硅片放入充满水的 容器中，在1 0 0 0 0 c 的温度下与氧气发生反应生成甄d 。一般表面钝化层需 要一定的厚度，氧化层的典型厚度在2 5 0 0 - - 1 5 0 0 0 a 之间。当d ，做为湿法 腐蚀的保护层时，需要在氧化硅层上加o 1 5 t i n 的双4 层以保护氧化层。 3 1 4 光刻 本文中陀螺仪工艺实现过程中，多次用到光刻。光刻是指用辐照方式形 成图形的方法。它是m e m s 工艺的核心技术。光刻的目的就是在器件上形 成一定图形，以便于选择性腐蚀或溅射硅片。其工艺过程是：备片清洗 干法刻蚀甩胶j 软烘j 对准j 曝光显影坚膜j 腐蚀工艺等j 去胶。下 面将对光刻中重要的工艺过程进行简单的介绍。 a 光刻基本要素 光刻胶、掩膜版和光刻机是进行光刻的基本要素。 2 8 华北电力大学硕士学位论文 光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混 合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发 生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变，光刻胶分为正胶和负 胶。正胶分辨率高，负胶分辨率差。 硅片上形成的图形是掩模版上图形的转移。一般在制作掩模版时，要注 意版与版之间的对准、图形的分布和优化。 光刻机发出紫外线或者一定波长的射线透过掩模版照在涂有光刻胶的 硅片上，使射线照射的光刻胶发生化学变化。 b 干法刻蚀 干法刻蚀是把硅片表面暴露在气念产生的等离子体中，等离子体与硅片 发生物理或者化学反应，从而去掉表面材料。本文中将在硅片上注入氧离子 来去掉硅片上的沾污。 c 清洗和烘干 清洗和烘干的目的是保证硅片表面无灰尘、油脂、水，保证粘附性和光 刻质量。若清洗不好，会造成脱胶、表面灰尘导致粘版、部分图形不感光等 光刻缺陷。若表面不干燥，会造成脱胶。如果硅片搁置较久或返工，应重新 清洗烘干，烘干后立即甩胶。而氧化、蒸发后的硅片可立即甩胶，不必清洗。 d 甩胶 甩胶是指在硅片在甩胶台上旋转，然后在其表面涂覆一层粘附性好，厚 度适当，厚薄均匀的光刻胶。针对不同的光刻胶黏度和厚度要求，甩胶要选 择不同的转速。可分辨线宽是胶膜厚度的5 8 倍。 e 前烘 前烘就是在一定温度下，使硅片上胶膜里的溶剂缓慢地挥发出来，使胶 膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的温度和时间随胶的种类和膜厚不 同而有所差别。 f 对准和曝光 对准是在光刻机上使掩膜的图形和硅片上的图形精确套合。 曝光就是对光刻胶进行选择性光化学反应，使光刻胶改变在显影液中的 溶解性。通常采用紫外接触曝光法。 g 显影 显影就是将曝光后的硅片放入显影液中，正胶去曝光部分，负胶去未曝 光部分，部分光刻胶还需要超声显影。显影时间根据光刻胶种类、膜厚、显 影液种类、显影温度和操作方法确定。显影后检查光刻质量，不合格的返工。 h 坚膜 坚膜的目的是为了除去显影时胶膜吸收的显影液和水分，改善粘附性， 华北电力大学硕士学位论文 增强胶膜抗腐蚀能力。坚膜的温度和时间要适当，应采取缓慢升温和自然冷 却的烘焙过程。坚膜时间短，抗蚀性差，容易掉胶：坚膜时间过长，掩膜难 以去除，并容易开裂。腐蚀时间长的可以采取中途多次坚膜，提高抗蚀能力。 i 腐蚀 腐蚀是用适当的腐蚀剂对显影后暴露的表面进行腐蚀，获得光刻图形， 达到光刻目的。腐蚀分为干法腐蚀和湿法腐蚀。湿法化学刻蚀在磨片、抛光、 清洗、腐蚀有着广泛应用。其优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设 备简单、成本低，它的缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。干法刻蚀通 过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性好【2 4 1 ，但选择性较差。 j 去胶 去胶可分为溶剂去胶和氧化去胶和等离子体去胶。溶剂去胶是指含氯的 烃化物做去胶剂。氧化去胶是指强氧化剂，如浓硫酸，双氧水和氨水混合液。 3 1 5 金属化：溅射和蒸发 本文中陀螺仪的电极结构就是靠溅射形成的；器件在深刻蚀过程中，为 了保护电极，又在电极上方蒸发铝，以保证电极不受深刻蚀影响。蒸发和溅 射是制备金属结构层和电极的主要方法，它们属于物理气相淀积。 溅射就是用高能粒子撞击具有高纯度的靶材料固体平板，得到靶材料原 子。这些被撞击出的原子穿过真空，最后淀积在硅片上。溅射到衬底上的金 属材料要有良好的导电性，与硅和二氧化硅粘附性好。溅射的好处是能够淀 积高温熔化和难熔金属，并在直径为2 0 0 毫米或更大的硅片上形成均匀薄 膜。 蒸发是指将金属蒸汽淀积在硅片表面形成金属薄膜。蒸发的典型方法 是利用电子束加热放置在坩锅中的金属。通过保持高真空环境，金属蒸气分 子的平均自由程增加，并且在真空腔里以直线形式运动，直到它撞到硅片表 面凝结形成薄膜。 3 1 6 硅深反应离子刻蚀 本文中为了得到陀螺仪振动梁的镂空结构采用了硅深刻蚀技术【z 引。用 这种技术进行硅加工可以获得4 0 ：l 的深宽比和几乎9 0 0 的侧壁垂直度。这 种技术不受晶体结构限制。 硅深反应离子刻蚀的原理是离子刻蚀和表面钝化过程的交变。基于该 原理的硅干法腐蚀也叫硅的高深宽度比刻蚀。硅深反应刻蚀速率可以达到每 分钟l o 微米以上，刻蚀后硅片侧壁表面的粗糙度可以达到l o n m 以下。一般 来说，表面粗糙度随刻蚀速率的增加而加大。 华北电力大学硕士学位论文 在每分钟l o 微米的刻蚀速度下，陀螺仪器件可以保证高度的对称性。 3 1 7 湿法刻蚀 硅片湿法刻蚀【2 6 】成型原理是用刻蚀溶液将硅材料有选择的溶解后，以 形成需要的微结构。为保证选择的可靠性，需要刻蚀溶液对不刻蚀的部分腐 蚀溶解度非常低，以可以达到刻蚀的目的。 湿法刻蚀分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀，各向同性刻蚀指刻蚀速 率在各个方向上相同，而各向异性刻蚀指刻蚀速度由晶格取向决定。本文工 艺中使用了各向异性腐蚀。各向异性刻蚀所用的刻蚀液通常对硅的溶解速度 都比较小，一般在每分钟1 a m 左右。各向异性刻蚀溶液都含有o h 一。最常 用的刻蚀液有k o h 、n a o h 、n h 4 0 h 。其反应原理是 & + 2 0 h 一+ 4 h ，d 叫( ) + 2 + 2 皿+ 4 0 h 一，在各向异性刻蚀中，各种晶 面的溶解速率大小顺序为：( 1 0 0 ) ( 1 1 0 ) ( 1 11 ) 。如前所述，本文使用 ( 1 0 0 ) 晶面的硅片加工陀螺仪结构芯片。 以上是陀螺仪结构工艺实现所用到的m e m s 工艺，在3 2 中将使用上 述工艺方法加工陀螺仪结构芯片。 3 2 振动环式微机械陀螺仪工艺实现 由于陀螺仪是对结构要求较高的器件，这就要求陀螺仪结构工艺实现的 步骤要合理。不合理的工艺实现，轻者会造成陀螺仪测量精度、灵敏度下降， 严重的甚至不能加工出器件。本文以直径3 英寸、厚度3 0 0 , a m 、晶向为 1 0 0 】 的硅片为衬底，加工陀螺仪结构( 又称为谐振器) 。以下是谐振器加工步骤： 3 2 1 工艺方案制定 电磁式陀螺仪工艺实现的难点在于梁结构和电极结构的完整，梁结构加 工精度高才能保证陀螺仪测量的精度。本文中梁结构加工使用了深刻蚀技 术。如前所述，这种技术使加工后的器件具有很高的深宽比，且侧面垂直度 高，因此梁结构的精度得到保证。而电极结构的完整需要通过选择工艺方案 来实现。本文制定了2 种陀螺仪工艺方案( 如表3 1 所示) ，通过工艺实践， 最终选择了工艺方案1 实现陀螺仪结构芯片。本文中陀螺仪工艺采用方案l 实现。 华北电力大学硕士学位论文 表3 1 电磁式微机械陀螺仪工艺方案关键步骤与比较 方案1方案2 方案l 、2 比较 1 硅片正面沉淀电用l i f t o f fj i ：艺溅射用l i f t o f f j i ：艺溅射p t由丁1 ：艺步骤多， 极 a u p t 更耐磨，不易损 坏 2 硅片背面减薄 戳n 4 与碱溶液反 刻蚀减薄前用羁4减薄前不刚s i 3 l 应速度慢，易于 做掩护层 保护不刻蚀图形 3 硅片正面形成陀深刻蚀以前在a u 电不用保护层方案2 中由于p t 耐 螺仪结构极上用a l 做保护层磨性和抗腐蚀性都 很好，不需要保护 实际加j ：效果 好差 方案2 中虽然用强 度高的p t 做电极， 但在l i f t o f f 后，发现 s i 与p t 的应力大， 在后续t 艺过程电 极易脱落。 3 2 2 硅片清洗 加工谐振器前为了保证衬底的清洁度，要对硅片进行清洗。清洗的步骤 如下： a 将硅片放入丙酮中常温下超声8 分钟( 去除有机物) ； b 将硅片放入乙醇中常温下超声8 分钟( 去除无机物和丙酮) ； c 将硅片放入去离子水中常温下超声8 分钟( 去除乙醇) ； d 将硅片放入煮沸的9 8 的浓硫酸中( 去除氧化物) 3 0 分钟，然后自然 冷却； e 将硅片用去离子水冲洗； 将硅片用氮气枪吹干，等待氧化。 3 2 3 氧化与氮化 之所以要对器件进行氧化，是由于谐振器上今后会有电极存在。当电极 通电时，硅作为半导体会漏电，所以在硅片上直接长电极显然是不行的。故 要在半导体上覆盖氧化层，为了保证良好的绝缘性，氧化层要有3 0 0 0 么厚。 氧化的原理是： s i + 2 h ，0 寸s i 0 2 + 2 h ，在1 0 0 0 0 c 发生正反应。 将硅片放入石英舟加满水，再放进卧式氧化炉中3 小时后取出，就得到 3 2 华北电力大学硕士学位论文 了氧化后的硅片。 氧化后的器件需要氮化形成岛4 ，氮化的目的是为了湿法腐蚀时形成 自停止层。保护不需要腐蚀的部分。将硅片放入氮化炉进行氮化就得到具有 腐蚀保护层的硅片。 3 2 4 沉积电极 硅片氧化后，就可以沉积电极( 图3 2 ) 。沉积电极的目的是为了激励陀 螺仪振动并检测其振动情况。这里沉积电极的方法是l i f l o f f i 艺。以下是沉 积电极的l i r o f f 工艺步骤： 金【乜极 a 沉积电极前的硅片b 沉积电极后的硅片 图3 - 2 沉积电极示意图 a 将硅片放入等离子刻蚀机用氧气刻蚀3 分钟( 清洁硅片表面) ； b 将片子正面朝上放在中空载片台上，它是一个表面有很多真空孔以便 固定片子的可旋转金属。将一定数量的正性光刻胶滴在硅片上，以 1 2 0 0 r m i n 的转速匀胶； c 将匀胶后的片子放在1 0 0 0 c 加热板上3 分钟( 光刻胶粘附需要干燥表 面) ； d 将需要光刻的掩模版放入光刻机，再将片子放入光刻机并与掩模版对 齐，然后曝光15 秒； e 将曝光后的片子放入显影液中l o 秒，取出后用去离子水清洗( 去掉片 子中曝光的部分，片子正面显示出需要的图形) ： 将显影后的片子放在1 0 0 0 c 加热板上3 分钟： g 将硅片放入等离子刻蚀机用氧气刻蚀3 分钟； h 将片子正面朝上放入溅射室，溅射1 0 0 - 厚度的c r ，在c r 上溅射 3 0 0 0 - 厚度的a u ； i 将溅射后的片子先泡丙酮1 小时，然后超声5 分钟( 去除金属下面有 光刻胶的部分，剩下没有光刻胶的部分即保留了电极) ； j 将片子放入乙醇中超声5 分钟； 华北电力大学硕士学位论文 k 将片子用去离子水超声5 分钟后准备减薄 3 2 5 硅片背面减薄 由于设计的谐振器厚度为1 0 0 z m 的空心环结构，而硅片厚度是3 0 0 p m 。 这就需要使片子的厚度变薄，而一般深刻蚀技术最多只能刻蚀1 5 0 l m 的厚 度。因此在结构要求不高的背面可以采用湿法腐蚀的办法减薄硅片( 图3 3 ) 。 而在结构要求高的正面用深刻蚀的方法。硅片减薄的步骤如下： 待减薄硅片 需要减蓿的部分 减薄后的硅片 图3 - 3 硅片减薄示意图 a 将硅片放入等离子刻蚀机用氧气刻蚀3 分钟； b 将片子背面朝上放入甩胶台，并将一定数量的正性光刻胶滴在片子背面， 以1 2 0 0 r r a i n 的转速匀胶； c 将匀胶后的片子放在1 0 0 0 c 加热板上3 分钟： d 将需要光刻的掩模版放入光刻机，再将片子背面朝上放入光刻机，正面 与掩模版对齐，然后曝光1 5 秒； e 将曝光后的片子放入显影液中1 0 秒，取出后清洗； 将显影后的片子放在1 0 0 0 c 加热板上3 分钟； g 将硅片放入等离子刻蚀机用氧气刻蚀3 分钟； h 将硅片放入等离子刻蚀机用瓯刻蚀1 0 分钟，去掉瓯4 后取出； i 将片子放入配比为月f ：朋l ，：凰o = 3 ：6 ：1 0 的溶液中，去掉片子背面的 盛d 后取出； 华北电力大学硕士学位论文 j 用丙酮去掉片子上的光刻胶； k 用配比为k o h h 2 0 = 1 ：2 的溶液腐蚀片子背面暴露的硅表面，3 小时【2 7 】 后取出，片子背面的硅减薄2 0 0 u m ； 1 将片子放入去离子水中清洗； 3 2 6 深刻蚀 谐振器是一个带支撑梁的中空环结构，深刻蚀( 图3 4 ) 的目的是打通 片子中镂空的部分。深刻蚀的步骤是： a 深刻蚀前的硅片 图3 - 4 深刻蚀示意图 b 深刻蚀后的硅片 a 将硅片放入等离子刻蚀机用氧气刻蚀3 分钟； b 将片子j 下面朝上放在中空载片台上，将一定数量的正性光刻胶滴在硅片 上，以1 2 0 0 r m i n 的转速匀胶； c 将匀胶后的片子放在1 0 0 0 c 加热板上3 分钟； d 将需要光刻的掩模版放入光刻机，再将片子j 下面朝上放入光刻机，f 面 与掩模版对齐，然后曝光1 5 秒； e 将曝光后的片子放入显影液中1 0 秒，取出后清洗； f 将显影后的片子放在1 0 0 0 c 加热板上3 分钟； g 将硅片放入等离子刻蚀机用氧气刻蚀3 分钟； h 将片子背面用硅脂和铝板粘合，放入深刻蚀设备中深刻至振动环和支撑 梁梁的完全出现； i 先用丙酮清洗片子、再用乙醇沈清，最后用去离子水清洗片子； 通过上述工艺过程，就得到了一片具有陀螺仪结构的原片。 3 2 7 划片与压焊 在3 英寸的陀螺仪结构原片上，一共有2 5 个陀螺仪结构。在设计时， 谐振器之问预留了划片槽，在分离谐振器时仅需用镊子掰开。在谐振器上有 1 6 个锚点，需要将各锚点通过金丝球焊连接到电路相应位置。这样就得到 了陀螺仪结构。 华北电力大学硕士学位论文 3 3 工艺实现与有限元实现的比较 加工后的陀螺仪最终要进行测试。测试的目的是观察陀螺仪的工作频 率，抗冲击性以及当有角速度输入时陀螺仪的响应情况。 3 3 1 工作频率及抗冲击性分析 在理论模拟阶段，得到的陀螺仪第一模态频率为6 5 6 9 5 h z ，第二模态 频率为6 5 6 9 8 h z 。 在工艺实现后测试陀螺仪工作频率，得到了其第一模态频率为4 3 5 0 h z ， 第二模态频率为4 3 5 3 h z 。可以看出工艺实现后，器件的两个模态频率差很 小，这有利于提高陀螺仪测试灵敏度和精度。 而理论与实际加工的陀螺仪是有频率差2 8 的，主要有以下几方面原因： 一是因为仿真时器件网格划分不够精细，二是由于模拟器件的振动环境与实 际测量的环境有差别，再有就是加工器件尺寸与设计尺寸有误差。在陀螺仪 工作过程中，最重要的就是要保证器件两个模态较小的频率差，而理论与设 计的工作频率差只要在同一数量级都是可以接受的。 在抗冲击实验中，陀螺仪在1 2 0 0 0 9 的加速度下，仍然完好无损，这与 有限元分析法得到结果一致。 3 3 2 测量角速度分析 有限元分析法求解陀螺仪角速度与位移关系时，得到了角速度与位移关 系曲线( 如图3 5 ) 。可以看出角速度与检测位移成线性关系。 目 j 婆 鞲 u u 鼍 r 2 = 1 0 0 3 5 一 o 0 3 0 0 2 5 0 0 2 0 0 1 夕 力而 q 姒5 q 。 ，一0 0 0 5 - 1 0 1 4 9 - 5 0 5 1 0 角速度( r a d s ) 图3 5 检测位移随角速度变化曲线 华北电力大学硕士学位论文 用加工后的器件实际测量角速度变化时，得到检测电压。这个检测电压 满足安倍力关系，也就是说检测电压和检测位移成比例变化。图3 - 6 是在不 同角速度下测量的结果。 可以看出，无论是理论分析，还是实际测量，检测位移都随角速度线 性变化。这说明陀螺仪结构可以用理论设计柬指导工艺实现，同时工艺实现 的数据反馈可以进一步提高理论设计的合理性。从而节约设计时间和成本。 3 4 小结 图3 - 6 检测电压随角速度变化曲线 本章首先介绍了加工电磁式微机械陀螺仪必需的m e m si 艺，它包括 氧化、光刻、湿法刻蚀、深刻蚀、金属化等工艺手段。本章设计了电磁式陀 螺仪工艺实现方案，并对陀螺仪进行了加工。然后测出了陀螺仪的固有模态 频率、激励模态频率、抗冲击加速度、c o r i o l i s 效应参数。将上述数据与有 限元法模拟的结果进行对比，验证了陀螺仪结构设计的合理性。 华北电力大学硕士学位论文 4 1 工作总结 第四章总结 陀螺仪结构芯片的优劣直接决定了陀螺仪传感器的整体性能，合理的陀 螺仪结构可以提高陀螺仪精度。因此，芯片设计和加工工艺对陀螺仪研制具 有非常重要的意义。本文设计的电磁式微机械陀螺仪在国内尚属首例，其具 有抗高过载、易加工、体积小等诸多优点。本文针对电磁式振动环微机械陀 螺仪结构和加工工艺展开研究，主要研究工作总结和创新点如下： 1 通过有限元方法实现了陀螺仪的c o r i o l i s 效应分析，分析表明改变陀 螺仪角速度会引起检测位移的线性变化，这为今后陀螺仪的结构设计和优化 提供了基础。 2 设计了电磁式振动环微机械陀螺仪的结构，并采用有限元软件对所设 计的结构进行模态分析、抗冲击分析、电刚度分析、c o r i o l i s 效应分析，获 得了陀螺仪芯片结构的参数：激励模态频率6 5 6 9 5 h z ，检测模态频率 6 5 6 9 8 h z ，抗1 2 0 0 0 9 加速度冲击，检测位移与输入角速度在2 0 0 0 s 范围 内保持线性。 3 设计了一整套微电子机械系统( m e m s ) 加工工艺方案，方案包括了 l i f i o f f 工艺、湿法刻蚀、深刻蚀等关键步骤，然后对各个工艺环节进行工艺 参数确定，加工出陀螺仪初样片。 4 通过m e m s 工艺加工的陀螺仪芯片测量范围在2 0 0 0 s ，分辨率在 0 5 。s ，抗冲击能力达到1 2 0 0 0 9 ，这些实测数据与模拟数据一致。激励模 态频率为4 3 5 0