一种基于双光栅检测的微机电陀螺仪及其加工封装方法与流程

本发明涉及微机电和光学检测领域，具体涉及一种基于双光栅检测的微机电陀螺仪及其加工封装方法。

背景技术：

微机电陀螺仪是采用mems加工技术制造的测量物体运动角速度的关键器件，它是基于哥氏效应，通过敏感模态和检测模态之间的切换，来实现角度的测量。光栅检测技术是一门新兴的技术，通过光的衍射条纹的变化进行检测具有很高的精度。将微机电陀螺仪与双光栅技术结合到一起，使得陀螺实现了光电分离，避免了精度和动态性能难以兼顾的矛盾，同时具有很高的测量精度，对辐射、高温、强电磁干扰等环境的适应能力大大增加。微机电陀螺仪的预期寿命长，是接连惯性导航系统中的关键部件，拥有十分广阔的发展前景。

通过查阅文献，目前国内外对光栅检测原理以及纳米光栅结构改进的报道较多，但是对于光栅检测和微机电螺仪的结合应用报道较少，其中的难点是：mems加工技术未标准化，使用mems加工技术制备纳米光栅的误差较大，导致测量偏差较大；对光栅检测理论的研究仍处于初期阶段，复杂的光栅模型很难建立精确的数学模型；同时，关于光学检测技术和mems技术的结合的研究仍然较少。基于这种情况，我们提出了基于双光栅检测的微机电陀螺仪，具有较高的研究价值。

技术实现要素：

发明目的：为克服现有技术不足，本发明提供一种基于双光栅检测的微机电陀螺仪及其加工封装方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于双光栅检测的微机电陀螺仪，包括soi结构和玻璃盖帽，soi结构自上而下分别是硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；其中：

硅器件层包括框架、第一金属键合区和检测组件，第一金属键合区设置于框架上表面四周，框架中间开设有第一十字形通孔，检测组件设置于十字形通孔内且与框架不接触；检测组件用于检测角速度输入，实现光电分离；

二氧化硅绝缘层设有与框架上的第一十字形通孔相对应的第二十字形通孔，第二十字形通孔比第一十字形通孔小，使得检测组件周围放置在二氧化硅绝缘层上；

硅衬底层内与第二十字形通孔相对应的区域开设有若干背部通孔；

玻璃盖帽背面中心区域设有金属光栅，金属光栅外围区域开设有与第一十字形通孔对应的十字形腔体，且十字形腔体的四个顶端均开设有与检测组件连接的电极圆孔；玻璃盖帽背面四周设有第二金属键合区；

soi结构和玻璃盖帽通过第一金属键合区和第二金属键合区键合连接。

可选的，检测组件包括驱动电极、敏感电极、第一可动梳齿、第二可动梳齿、驱动梁、敏感梁、可动质量块、硅光栅和金属焊盘；其中，可动质量块设在中间区域，其水平方向对称设有驱动电极，竖直方向对称设有敏感电极；驱动电极依次通过第一可动梳齿和驱动梁与可动质量块连接，敏感电极依次通过第二可动梳齿和敏感梁与可动质量块连接；驱动电极驱动第一可动梳齿进而带动可动质量块沿水平方向运动，可动质量块产生的竖直运动分量带动第二可动梳齿，进而被敏感电极检测；每个驱动电极和敏感电极上方均设有相应的金属焊盘，金属焊盘与玻璃盖帽上的电极圆孔一一对应连接；硅光栅设在可动质量块中心区域。

可选的，驱动梁通过驱动梁锚点与可动质量块连接，敏感梁通过敏感梁锚点与可动质量块连接。

可选的，驱动电极和敏感电极设计为带有静梳齿的形状。

可选的，硅衬底层内的背部通孔阵列排布。

可选的，玻璃盖帽上的电极圆孔内壁沉积有铬金的金属导电层。

可选的，第一金属键合区的沉积材料为铬金，第二金属键合区的沉积材料为铬金和锡金。

本发明还提供了一种基于双光栅检测的微机电陀螺仪的加工封装方法，包括以下步骤：

(1)形成soi结构：

清洗soi，热生长一层sio2，正反两面lpcvd沉积si3n4，形成硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层，并刻蚀对准标记；在硅衬底层形成背部通孔，在硅器件层上溅射金属焊盘和第一金属键合区，刻蚀形成硅光栅；drie刻蚀硅器件层形成soi结构；

(2)形成玻璃盖帽：

清洗玻璃，在玻璃上下表面pecvd沉积si3n4，刻蚀对准标记，在玻璃背面形成电极圆孔、金属光栅和第二金属键合区；

(3)键合和封装：

将经过步骤(1)和步骤(2)加工过的soi结构和玻璃盖帽上下对准，进行金属键合，并真空封装。

进一步的，步骤(1)具体为：

(10)清洗soi，在soi下表面热生长一层sio2；

(11)在上下表面lpcvd沉积si3n4，将对准标记刻蚀到si3n4上，以便后续正反套刻的对准；

(12)先在soi的背面旋涂光刻胶、光刻、显影，再rie干法刻蚀sio2和si3n4，然后进行drie刻蚀硅衬底层，形成背部通孔，向背部通孔内通入hf蒸汽，释放二氧化硅绝缘层；

(13)先在soi的正面旋涂光刻胶、光刻、显影，然后rie干法刻蚀si3n4，然后旋涂光刻胶、光刻、显影，再磁控溅射铬金，将soi放入丙酮和异丙醇溶液中剥离铬金，形成金属焊盘和第一金属键合区；

(14)先在soi的正面喷涂电子束曝光专用胶并进行电子束曝光，然后通过rie干法刻蚀表面的si3n4和下方的si，得硅光栅；

(15)先在soi的正面喷涂光刻胶、光刻、显影，然后热生长一层si3n4，再将soi放入丙酮和异丙醇溶液中剥离，保护硅光栅结构并对双光栅间隙进行控制；

(16)先在soi的正面喷涂光刻胶、光刻、显影，然后drie刻蚀硅器件层。

进一步的，步骤(2)具体为：

(20)清洗玻璃，在玻璃的上下表面pecvd一层si3n4，将对准标记刻蚀到si3n4上，以便后续正反套刻的对准；

(21)先在玻璃背面旋涂光刻胶并光刻，磁控溅射铬金，再将soi放入丙酮和异丙醇溶液中剥离铬金，形成腔体图案，然后在正面旋涂光刻胶并光刻，形成圆孔图案；

(22)使用h3po4溶液进行各向同性湿法刻蚀，刻蚀玻璃上下表面暴露出来的si3n4；

(23)将玻璃的正面用保护装置保护起来，整体放入hf溶液中，湿法刻蚀玻璃背面，形成腔体；

(24)将玻璃从保护装置拆卸下来，使用boe溶液进行慢速的湿法刻蚀，在玻璃正面形成电极圆孔的浅槽；

(25)洗掉正面的光刻胶和si3n4，洗掉背面的铬金，使用高精度设备对玻璃进行激光打孔，将电极圆孔完全打穿；

(26)通过背面si3n4上的对准标记光刻后，rie干法刻蚀si3n4后，在同一区域磁控溅射铬金，然后将玻璃放入丙酮和异丙醇溶液中剥离，形成金属光栅区域和第二金属键合区区域，清洗背面的si3n4；

(27)先在玻璃的背面喷涂电子束曝光专用胶并进行电子束曝光，然后通过rie干法刻蚀中心区域的铬金，得到金属光栅；

(28)先在玻璃背面pecvd沉积一层si3n4，然后进行喷胶、光刻、显影，使用rie干法刻蚀第二金属键合区的si3n4，剩余的氮化硅保护金属光栅，同时调整两光栅间隙；

(29)在背面光刻、显影、磁控溅射锡金，然后将玻璃放入丙酮和异丙醇溶液中剥离，形成第二金属键合区。

有益效果：与现有技术相比，本发明基于双光栅检测陀螺仪，通过双光栅的衍射来检测角速度输入，实现光电分离，消除了寄生电容的影响，同时提高了检测精度，减小了精度和动态特性间难以兼顾的矛盾。本发明具有高精度、小尺寸、动态性能好等优点，加工封装方法工艺简单，适合批量化生产。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的soi结构示意图；

图3为本发明的soi结构的剖视图；

图4为本发明的硅衬底层上的背部通孔示意图；

图5为本发明的玻璃盖帽示意图；

图6为本发明的玻璃盖帽的背面剖视图；

图7为本发明的加工工艺流程示意图。

图中：1为soi结构，2为玻璃盖帽，11为硅器件层，12为二氧化硅绝缘层，13为硅衬底层，1101为驱动电极，1102为敏感电极，1103为第一可动梳齿，1104为第二可动梳齿，1105为驱动梁，1106为敏感梁，1107为驱动梁锚点，1108为敏感梁锚点，1109为可动质量块，1110为硅光栅，1111为金属焊盘，1112第一金属键合区，1301为背部通孔，201为腔体，202为电极圆孔，203为金属光栅，204为第二金属键合区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的一种基于双光栅检测的微机电陀螺仪，包括soi结构和玻璃盖帽，soi结构自上而下分别是硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；其中：硅器件层包括框架、第一金属键合区和检测组件，第一金属键合区设置于框架上表面四周，框架中间开设有第一十字形通孔，检测组件设置于十字形通孔内且与框架不接触；检测组件用于检测角速度输入，实现光电分离；二氧化硅绝缘层设有与框架上的第一十字形通孔相对应的第二十字形通孔，第二十字形通孔比第一十字形通孔小，使得检测组件周围放置在二氧化硅绝缘层上；硅衬底层内与第二十字形通孔相对应的区域开设有若干背部通孔；玻璃盖帽背面中心区域设有金属光栅，金属光栅外围区域开设有与第一十字形通孔对应的十字形腔体，且十字形腔体的四个顶端均开设有与检测组件连接的电极圆孔；玻璃盖帽背面四周设有第二金属键合区；soi结构和玻璃盖帽通过第一金属键合区和第二金属键合区键合连接。

检测组件包括驱动电极、敏感电极、第一可动梳齿、第二可动梳齿、驱动梁、敏感梁、可动质量块、硅光栅和金属焊盘；其中，可动质量块设在中间区域，其水平方向对称设有驱动电极，竖直方向对称设有敏感电极；驱动电极依次通过第一可动梳齿和驱动梁与可动质量块连接，敏感电极依次通过第二可动梳齿和敏感梁与可动质量块连接；驱动电极驱动第一可动梳齿进而带动可动质量块沿水平方向运动，可动质量块产生的竖直运动分量带动第二可动梳齿，进而被敏感电极检测；每个驱动电极和敏感电极上方均设有相应的金属焊盘，金属焊盘与玻璃盖帽上的电极圆孔一一对应连接；硅光栅设在可动质量块中心区域。

如图1-6所示，本实施例的一种基于双光栅检测的微机电陀螺仪，包括soi结构和玻璃盖帽，soi结构自上而下分别是硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；硅器件层包括驱动电极、敏感电极、第一可动梳齿、第二可动梳齿、驱动梁、敏感梁、驱动梁锚点、敏感梁锚点、可动质量块、硅光栅和第一金属键合区；其中，可动质量块设在中间区域，其水平方向对称设有驱动电极，竖直方向对称设有敏感电极，驱动电极驱动第一可动梳齿进而带动可动质量块沿水平方向运动，可动质量块产生的竖直运动分量带动第二可动梳齿，进而被敏感电极检测；每个电极上方设有相应的金属焊盘；硅光栅设在可动质量块中心区域；第一金属键合区设在硅器件层的外围；硅衬底层内打有若干背部通孔；二氧化硅绝缘层设有与硅器件层上的可动部分相对应的凹槽，凹槽结构使硅器件层上的可动部分与硅衬底层的背部通孔连通；玻璃盖帽包括腔体、电极圆孔、金属光栅和第二金属键合区，腔体设在玻璃盖帽背面除硅光栅区域外的区域，该区域范围略大于硅器件层的可动质量块、第一可动梳齿、第二可动梳齿的对应区域，罩在硅器件层的上方；玻璃盖帽背面中心区域设有金属光栅，和硅光栅相对应；与金属焊盘相对位置设有电极圆孔；第二金属键合区设在玻璃盖帽的外围；soi结构和玻璃盖帽通过第一金属键合区和第二金属键合区键合连接；驱动电极对称设在硅器件层的水平方向最外围，敏感电极对称设在硅器件层的竖直方向最外围，驱动电极和敏感电极设计为带有静梳齿的形状，上方设有金属焊盘与其一一对应；第一可动梳齿与驱动梁相连接，第二可动梳齿与敏感梁相连接，驱动梁和敏感梁均是一端与可动梳齿相连，另一端被各自锚点固定；背部通孔阵列排布；电极圆孔内壁沉积有铬金的金属导电层；玻璃盖帽背面与硅光栅对应的中心区域不设有腔体，该区域生长有金属光栅；第一金属键合区的沉积材料为铬金，第二金属键合区的沉积材料为铬金和锡金。

使用时，在驱动电极的驱动下，第一可动梳齿带动可动质量块沿水平方向运动，当有角速度输入时，由于哥氏效应可动质量块产生竖直方向的位移，硅光栅相对于金属光栅的位置会发生改变，干涉条纹进而会发生位移，通过检测干涉条纹的位移即可推知角速度；同时，敏感电极也会检测到电位的变化，辅助光学检测得到更精准的角速度。

如图7所示，一种基于双光栅检测的微机电陀螺仪的加工封装方法，包括以下步骤：

(1)清洗soi，在soi下表面热生长一层sio2；

(2)在上下表面lpcvd沉积si3n4，将对准标记刻蚀到si3n4上，以便后续正反套刻的对准；

(3)先在soi的背面旋涂光刻胶、光刻、显影，再rie干法刻蚀sio2和si3n4，然后进行drie刻蚀硅衬底层，形成背部通孔，向背部通孔内通入hf蒸汽，释放二氧化硅绝缘层；

(4)先在soi的正面旋涂光刻胶、光刻、显影，然后rie干法刻蚀si3n4，然后旋涂光刻胶、光刻、显影，再磁控溅射铬金，将soi放入丙酮和异丙醇溶液中剥离铬金，形成金属焊盘和第一金属键合区；

(5)先在soi的正面喷涂电子束曝光专用胶并进行电子束曝光，然后通过rie干法刻蚀表面的si3n4和下方的si，得硅光栅；

(6)先在soi的正面喷涂光刻胶、光刻、显影，然后热生长一层si3n4，再将soi放入丙酮和异丙醇溶液中剥离，保护硅光栅结构并对双光栅间隙进行控制；

(7)先在soi的正面喷涂光刻胶、光刻、显影，然后drie刻蚀硅结构层；

(8)清洗玻璃，在玻璃的上下表面pecvd一层si3n4，将对准标记刻蚀到si3n4上，以便后续正反套刻的对准；

(9)先在玻璃背面旋涂光刻胶并光刻，磁控溅射铬金，再将soi放入丙酮和异丙醇溶液中剥离铬金，形成腔体图案，然后在正面旋涂光刻胶并光刻，形成圆孔图案；

(10)使用h3po4溶液进行各向同性湿法刻蚀，刻蚀玻璃上下表面暴露出来的si3n4；

(11)将玻璃的正面用保护装置保护起来，整体放入hf溶液中，湿法刻蚀玻璃背面，形成腔体；

(12)将玻璃从保护装置拆卸下来，使用boe溶液进行慢速的湿法刻蚀，在玻璃正面形成电极圆孔的浅槽；

(13)洗掉正面的光刻胶和si3n4，洗掉背面的铬金，使用高精度设备对玻璃进行激光打孔，将电极圆孔完全打穿；

(14)通过背面si3n4上的对准标记光刻后，rie干法刻蚀si3n4后，在同一区域磁控溅射铬金，然后将玻璃放入丙酮和异丙醇溶液中剥离，形成金属光栅区域和第二金属键合区区域，清洗背面的si3n4；

(15)先在玻璃的背面喷涂电子束曝光专用胶并进行电子束曝光，然后通过rie干法刻蚀中心区域的铬金，得到金属光栅；

(16)先在玻璃背面pecvd沉积一层si3n4，然后进行喷胶、光刻、显影，使用rie干法刻蚀第二金属键合区的si3n4，剩余的氮化硅保护金属光栅，同时调整两光栅间隙；

(17)在背面光刻、显影、磁控溅射锡金，然后将玻璃放入丙酮和异丙醇溶液中剥离，形成第二金属键合区；

(18)将经过步骤(7)的soi结构和经过步骤(17)的玻璃盖帽对准，通过金锡键合技术将二者键合

(19)铬金和锡金受热后会变为熔融状态，步骤(6)和步骤(16)生长的si3n4保证了两光栅之间的间隙符合预期设计，通过背部通孔通入磷酸溶液释放si3n4，完成光栅间隙可控的键合。

本发明基于双光栅检测的微机电陀螺仪尺寸小、密封性良好、灵敏度高，能实现高精度的光学检测，加工封装方法工艺简单，适合批量化生产。

本发明未提及的技术均为现有技术。