硅基MEMS碟形陀螺的制作方法

本发明涉及MEMS(Micro-Electro Mechanical System)传感器技术领域，尤其涉及一种硅基MEMS碟形陀螺。

背景技术：

近年来，MEMS陀螺由于其功耗低、体积小、成本低等优点，逐渐成为惯性传感器热点。MEMS环形陀螺作为一种特殊的角速度传感器，由于其结构具有圆周对称特性，具有质量、刚度、谐振频率中心对称的优点，模态匹配性好，抗过载能力强，成为军用MEMS陀螺的重要研究方向。

但是现有的MEMS环形陀螺精度普遍不高，难以达到战术级武器要求。且现有MEMS环形陀螺零偏、零偏稳定性、零偏重复性等随环境温度影响很大，无法适应复杂多变的作战环境。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种硅基MEMS碟形陀螺，使得检测精度高和温度效应低。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种硅基MEMS碟形陀螺，包括：敏感结构、盖帽层、衬底层、金属层和绝缘层；其中，所述绝缘层与所述衬底层的上表面相连接；所述金属层与所述绝缘层相连接；所述金属层刻蚀有第一金属触点和第二金属触点；所述敏感结构与第一金属触点、第二金属触点相连接；所述盖帽层罩于所述敏感结构并与所述金属层相连接。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，所述敏感结构包括中心锚点、若干个同心可动圆环、辐条和电极；其中，若干个同心可动圆环以中心锚点的中心为圆心径向分布；中心锚点通过辐条与相邻的同心可动圆环相连接；相邻的两个同心可动圆环通过辐条相连接，相邻的同心可动圆环与辐条之间形成凹槽；在凹槽内设置有电极；中心锚点与第一金属触点相连接；电极与第二金属触点相连接。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，连接相邻的两个同心可动圆环的辐条的数量为多个，多个辐条沿同心可动圆环的圆周均匀分布。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，还包括：吸气剂层，所述吸气剂层设置于所述盖帽层的内壁。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，所述绝缘层的材料为硅。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，所述敏感结构采用<1 1 1>晶向的硅片加工而成，厚度为30um～300um。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，所述盖帽层的材料为硅。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，所述凹槽的深宽比大于10:1。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明的碟形陀螺具有十几个甚至几十个同心圆环，这些圆环之间的沟槽均可以放置电极作为检测电极，相对于传统环形陀螺，检测电容面积可以提高一至二个数量级，检测电容的提高，将会大大提高检测精度，最终提高陀螺器件的精度；

(2)本发明的碟形陀螺相对于现有环形陀螺具有更大的质量，较大的质量会降低机械噪声，提高陀螺检测精度；

(3)本发明的碟形陀螺采用圆片级真空封装，其中盖帽层、敏感结构层、衬底层均采用硅材料，相同的材料层具有相同的热膨胀系数，可以大大减小由温度效应引起的零位漂移，同时也可有效降低由高温工艺产生的热应力，提高陀螺零偏重复性；

(4)由于本发明中碟形陀螺敏感结构的特殊性，具有更小的热弹性阻尼，在真空环境下Q值很高，可以达到10万以上，较普通环形陀螺的Q值可以提高一个数量级，大大提高检测灵敏度。

附图说明

图1是本发明的硅基MEMS碟形陀螺的结构示意图；

图2是本发明的敏感结构的结构示意图；

图3(a)是本发明的碟形陀螺敏感结构振型示意图；

图3(b)是本发明的碟形陀螺敏感结构振型又一示意图；

图4(a)是本发明的碟形陀螺敏感结构振型仿真示意图；

图4(b)是本发明的碟形陀螺敏感结构振型又一仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明的硅基MEMS碟形陀螺的结构示意图。如图1所示，该硅基MEMS碟形陀螺包括：敏感结构、盖帽层7、衬底层8、金属层9和绝缘层10；其中，绝缘层10与衬底层8的上表面相连接；金属层9与绝缘层10相连接；金属层9刻蚀有第一金属触点12和第二金属触点13；敏感结构与第一金属触点12、第二金属触点13相连接；盖帽层7罩于敏感结构并与金属层9相连接。

图2是本发明的敏感结构的结构示意图。如图2所示，敏感结构包括中心锚点1、若干个同心可动圆环2、辐条3和电极5；其中，若干个同心可动圆环2以中心锚点1的中心为圆心径向分布；中心锚点1通过辐条3与相邻的同心可动圆环2相连接；相邻的两个同心可动圆环2通过辐条3相连接，相邻的同心可动圆环2与辐条3之间形成凹槽4；在凹槽4内设置有电极5；中心锚点1与第一金属触点12相连接；电极5与第二金属触点13相连接。

上述实施例中，如图2所示，连接相邻的两个同心可动圆环2的辐条3的数量为多个，多个辐条3沿同心可动圆环的圆周均匀分布。

上述实施例中，如图1所示，该硅基MEMS碟形陀螺还包括：吸气剂层11，吸气剂层11设置于盖帽层7的内壁。

具体的，基于如图1所定义的平面结构进行碟形陀螺敏感结构的加工。加工工艺可采用如DRIE等深槽刻蚀工艺。陀螺敏感结构由中心锚点1、多个同心可动圆环2、以及连接圆环之间的辐条3构成。中心锚点1处于圆心位置，多个同心可动圆环2圆周分布于中心锚点1周围。中心锚点1固定在与衬底层8相连接的第一金属触点12上，支撑敏感结构，同心可动圆环与同心可动圆环之间、同心可动圆环与中心锚点之间由辐条3连接，同心可动圆环2与辐条3共同构成可动弹性结构。

如图2所示，以同心可动圆环2一个半径方向上的辐条3划分为一组，敏感结构的辐条3一共16组，相邻两组辐条3之间的夹角为22.5°，相邻两个同心可动圆环2之间的空隙成为环形沟槽，同一个环形沟槽中等间距等角度分布8个辐条3，相邻两个环形沟槽的辐条3不相邻，与中心点的夹角相差22.5°。

多个同心可动圆环2圆周分布于中心锚点1周围，环的数量为十几个到几十个不等。由同心可动圆环2和辐条3隔离出来的凹槽4可以放置大量电极，作为驱动电极、检测电极、静电平衡调整电极等。每个凹槽4一般放置两个电极，形成差分检测或差分驱动。一般地，远离中心锚点1的中心点的电极作为检测电极，靠近中心锚点1的中心点的电极作为驱动电极。

碟形陀螺的敏感结构及其电极由<1 1 1>硅片进行深槽刻蚀而形成。<1 1 1>硅片在平面内具有各向同性，加工的陀螺敏感结构在平面内不同方向具有相同的刚度、自然谐振频率。一般采用DRIE(深反应离子刻蚀)技术，要求刻蚀的凹槽4深宽比达到10:1以上。

对碟形陀螺敏感结构进行加工后，再对碟形陀螺进行圆片级真空封装，如图1所示。本实施例的碟形陀螺包含三层结构：中间层敏感结构，下层为衬底层8，上层为盖帽层7。

衬底层8首先刻蚀出与敏感结构的中心锚点相对应的第一金属触点12、与电极相对应的第二金属触点13，然后再对衬底层8表面生长一层SiO₂层10进行绝缘隔离。在SiO₂层10上面再淀积一层金属层9进行图形化，第一金属触点12与敏感结构的中心锚点1进行共晶键合，第二金属触点13与敏感结构的电极5进行共晶键合，将敏感结构和电极固定在衬底层上，并通过图形化金属层形成导线，将电极和敏感结构与外界导通。

盖帽层7为凹形腔体。盖帽层7外沿与与衬底层8相连接的金属层9键合在一起，形成真空腔体，将敏感结构包围在由盖帽层7和衬底层8形成的真空空间，即形成圆片级真空封装。在盖帽层7的内侧，粘附一层吸气剂11以降低腔体内部气压，提高真空度。

盖帽层7、敏感结构、衬底层8均采用硅材料进行加工，相同的材质没有热膨胀系数失配，因此可以很好的避免温度效应影响；也可以降低高温工艺引起的热残余应力，提高器件零偏重复性。

碟形陀螺的是基于科里奥利效应进行工作的传感器。碟形陀螺工作具有两个模态：驱动模态和敏感模态。两个工作模态在平面内进行谐振运动。

模态振型示意图如图3(a)和图3(b)所示。其中图3(a)为驱动模态振型方向，其振动方向在水平方向和垂直方向(即0°方向与90°方向)交替进行。通过闭环反馈激励方式，使驱动模态在水平方向和垂直方向以自然谐振频率进行横幅振动。当有垂直于碟形陀螺平面的角速率输入时，会在敏感模态振动方向(即45°方向与135°方向)引起科里奥利力，该力会使陀螺结构在敏感模态方向(即45°方向与135°方向)产生相应的位移，如图图3(b)所示。敏感模态所受科里奥利力与角速率输入大小呈正比关系。因此可以通过检测敏感模态位移大小，来检测角速度大小。图4(a)和图4(b)分别是碟形陀螺的驱动轴和敏感轴方向的振型仿真图。

驱动模态的电极可以分为检测电极、驱动电极两类。检测电极通过电容检测方式检测驱动模态的位移大小；驱动电极为驱动模态提供静电力。通过驱动模态闭环反馈电路，使器件在驱动模态以谐振频率恒幅振动。敏感模态通过检测电极与可动环之间的电容变化，来检测敏感模态方向的位移变化量。

本发明还提供了一种硅基MEMS碟形陀螺加工方法，该方法包括以下步骤：

S1：敏感结构由<1 1 1>硅片进行刻蚀形成。敏感结构和电极在同一平面内。首先将<1 1 1>硅片键合在支撑圆片上，通过DRIE将敏感结构和沟槽内的所有电极进行刻蚀，刻蚀深宽比达到10:1以上；其中，敏感结构包括中心锚点1、若干个同心可动圆环2和辐条3；其中，若干个同心可动圆环2以中心锚点1的中心为圆心径向分布；中心锚点1通过辐条3与相邻的同心可动圆环2相连接；相邻的两个同心可动圆环2通过辐条3相连接，相邻的同心可动圆环2与辐条3之间形成凹槽4；在凹槽4内设置有电极5；

S2：对衬底层上进行湿法刻蚀，刻蚀出需要与敏感结构的中心锚点1、电极5相接触的凸起部分；然后对衬底层的表面进行氧化，产生绝缘层；在绝缘层上面淀积金属层，对该金属层进行图形化形成导线，导线包括第一金属触点12和第二金属触点13；

S3：将第一金属触点12与敏感结构的中心锚点1进行键合，将第二金属触点13与敏感结构的电极5进行键合，从而将电极和敏感结构固定在衬底层上，然后去除支撑圆片；

S4：将盖帽层的内侧，粘附一层吸气剂，然后将盖帽层外沿与衬底层上的金属层键合在一起，形成真空腔体，将敏感结构包围在由盖帽层和衬底层形成的真空空间，即形成圆片级真空封装。

本发明的碟形陀螺具有十几个甚至几十个同心圆环，这些圆环之间的沟槽均可以放置电极作为检测电极，相对于传统环形陀螺，检测电容面积可以提高一至二个数量级，检测电容的提高，将会大大提高检测精度，最终提高陀螺器件的精度；并且本发明的碟形陀螺相对于现有环形陀螺具有更大的质量，较大的质量会降低机械噪声，提高陀螺检测精度；本发明的碟形陀螺采用圆片级真空封装，其中盖帽层、敏感结构层、衬底层均采用硅材料，相同的材料层具有相同的热膨胀系数，可以大大减小由温度效应引起的漂移，同时也可有效降低由高温工艺产生的热应力，提高器件重复性；由于本发明中碟形陀螺敏感结构的特殊性，具有更小的热弹性阻尼，在真空环境下Q值很高，可以达到10万以上，较普通环形陀螺的Q值可以提高一个数量级，大大提高检测灵敏度。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。