mems微静电陀螺仪结构设计和加工工艺

1、微静电陀螺仪的结构设计与工艺方法 1、振动式微机械陀螺仪、振动式微机械陀螺仪 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，在被基座带动 旋转时的哥式效应感测角速度。 MEMSMEMS陀螺仪的分类陀螺仪的分类 2、转子式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪 转子式微机械陀螺仪分为磁悬浮转子微陀螺和静电转子微陀螺。静电转子 微陀螺采用静电悬浮，并通过力矩再平衡回路测出角速度，以及通过静电 力平衡回路测出线加速度。 3、微机械加速度传感器陀螺仪、微机械加速度传感器陀螺仪 微机械加速度传感器陀螺仪是由参数匹配的两个微机械加速度传感器 做反向高频抖动而构成的多功能惯性传感器。 微机构陀螺按材料和加工

2、方式的分类： 微 机 械 陀 螺 分 类 按材料 按加工方式 硅材料 非硅材料 单晶硅 多晶硅 石英 其它 体硅机械加工 表面微机械加工 LIGA(光刻、电铸和注塑) MEMSMEMS陀螺仪的分类陀螺仪的分类 静电陀螺概述静电陀螺概述 静电陀螺静电陀螺： 一种能实现高精度多轴惯性测量的新型一种能实现高精度多轴惯性测量的新型MEMS陀螺陀螺 静电陀螺优点静电陀螺优点： 精度高，真正的自由转子陀螺精度高，真正的自由转子陀螺 可靠性高可靠性高 能全姿态测角能全姿态测角 应用应用： 航空航天领域、战略武器、火箭航空航天领域、战略武器、火箭 静电陀螺缺点静电陀螺缺点： 结构复杂结构复杂 工艺要求高工艺要

3、求高 角度读取复杂角度读取复杂 基本结构（基本结构（1 1） 1)沿转子径向内外侧的悬浮电极用于约束转子沿径向(X和Y轴)的 两个自由度运动，采用体硅微加工工艺； 2)上下玻璃电极板的内侧轴向悬浮电极，用于约束转子沿z轴方 向和两个转动自由度( 和 )的运动； 3)在径向和轴向悬浮电极中配置有专门的公共激励电极，用于施加 实现位移检测的高频载波信号； 4)上下电极板外侧分布的旋转电极为转子提供驱动转矩。 转子在未加电时会在自身重力作用下与轴向或径向电极接触，容易发生 “吸附”现象，这将给起支控制带来难度。因此，在转子的运动方向设 计有止挡，一方面可防止转子与电极直接接触，另一方面限制了转子的

4、运动范围，降低了起支控制系统设计的难度。 止挡止挡 基本结构（基本结构（2 2） 止挡分布 工作原理工作原理 陀螺作接近于永久转动的稳态运动，认为陀螺的动量矩H始终沿转子主 轴方向且大小不变。当陀螺壳体有绕陀螺输入轴如Y轴正向以角速度 相对惯性空间转动角 时，由于陀螺仪的定轴性，转子与壳体电极(X轴 向布置)之间将出现相对转角 。敏感检测电极产生输出信号，转换为 控制电压，并加到绕转子正交轴即X轴给出力矩的悬浮电极(Y轴向布置) 上。产生的再平衡力矩 使转子自转轴绕Y轴进动。由再平衡力矩可求 得输入角速度： v x M / x vMH 两输入轴角速度的获两输入轴角速度的获 得：得： 工作原理工

5、作原理 处于零位小位移工作状态的静电悬浮转子微陀螺，当陀螺壳体受 到如沿X轴正向的线加速度 时，转子由于惯性仍然静止，则转 子相对定子有沿X轴负向的线位移。经位移检测后，控制电子线 路产生控制电压，并加到X轴向布置的径向定子电极上，于是产 生X轴负向的静电平衡力 使转子回到壳体零位。根据静电平衡 力求得输入的线加速度 ，m为转子的质量。 同理，由静电平衡力可分别求得其它两轴输入的线加速度。 三轴线加速度的获得：三轴线加速度的获得： x a x F / xx aFm 工艺方法工艺方法 加工微静电陀螺仪主要的工艺方法：加工微静电陀螺仪主要的工艺方法： 1、多层多晶硅的面硅工艺。在基片上淀积或生长多

6、晶硅层来制作微机械结构。 由于转子厚度有限，制约了微惯性器件精度和灵敏度的提高。 2、体硅加工工艺。采用高深宽比干法刻蚀工艺在体硅上刻蚀出微机械结构， 在玻璃上溅射金属形成电极，再通过静电键合形成玻-硅组合片。 3、LIGA和准LIGA工艺。通过电铸方法加工出大高宽比的可活动微结构，机械 性能好，灵敏度高，但工艺难度大，成本高。 （1）刻蚀浅槽 （2）表面掺杂 （3）金属电极 （4）阳极键合 （5）硅片减薄 （6）释放结构 体硅深刻蚀释放工艺 体硅深刻蚀释放工艺体硅深刻蚀释放工艺 由于转子无任何机械约束，若在电感耦合等离子体ICP刻蚀过程中将 转子一次性释放，则转子容易在膨胀气体作用下迸出。在

7、工艺设计 中引入铝牺牲层对转子进行约束，牺牲层为薄膜梁结构，铝牺牲层 均匀覆盖在转子底层内外两侧，厚度为500nm。在结构加工完成后， 采用湿法刻蚀将牺牲层去除。 牺牲层工艺牺牲层工艺 （a)顶层和底层溅金。采用硼硅酸盐玻璃， 厚度500 m。包括三步：1、在玻璃表面涂 敷光刻胶，采用掩膜板进行曝光；2、玻璃 带胶溅射多层金属，依次为Cr（80nm） /Pt(100nm)/Au(50nm);3、去胶清洗，剥离多 余金属，形成轴向电极及引线。 （b）第一次RIE刻蚀。采用n型高掺杂单晶 硅片，标准清洗后硅片正面涂敷光刻胶， 采用掩膜板进行光刻，刻蚀深度为4 m， 形成4 m深的底部键合面。 （c

8、）第二次RIE刻蚀。刻蚀深度为2 m， 从而形成6 m深的键合台面和14个2 m高 的止挡。 （d）铝牺牲层工艺。溅射铝膜500nm。去 胶剥离多余铝，形成铝质薄膜牺牲层。 （e）第一次玻-硅键合。将硅片正面与制备 了电极的底层玻璃进行静电键合。 （f）硅片减薄。采用湿法刻蚀将硅片厚度 减至约80 m，再用抛光液在聚氨酯盘上进 行抛光。 工艺流程 加工工艺流程（加工工艺流程（1 1） （g）第3次RIE刻蚀。刻蚀深度为4 m，形 成4 m高的顶部键合台面。 （h）第4次RIE刻蚀。刻蚀深度为2 m，形 成6 m深的键合台面和2 m高的止挡。 （i）ICP释放结构。采用刻蚀机将硅结构层 刻透，形

9、成径向电极、导通硅和转子。 （j）第2次玻-硅键合。将硅背面与顶层玻璃 进行静电键合。 （k）划槽和裂片。按照玻璃片上已有的划 片标记对组合片进行手工划片，裂片得到单 个管芯。 (l)湿法去除铝牺牲层。裂片后，将管芯浸泡 在配置好的铝刻蚀剂中，在超声波环境中将 其去除，最后清洗、烘干，得到转子可动的 微结构。 工艺流程 加工工艺流程（加工工艺流程（2 2） 工艺难点工艺难点 1、二次键合过程中的转子吸附问题 由于静电键合时，玻硅间直流电压在800 V以上，腔体温度在400 摄氏度以上，玻璃电极和以低阻硅为材料的转子之间出现很强的 静电力，铝牺牲层在高温下延展变形会造成转子贴近玻璃，部分 轴向止挡和玻璃接触键合，造成转子不可动。 2、结构底层易污染 体硅与底层玻璃的间隙内留存有较多黑色残渣。 3、金属焊盘受损 在静电键合中硅片加正压，玻璃加负压，而玻璃上的金属电极和 硅体接触，部分附着在玻璃上，交叉分布，因此相邻的