微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子机械系统(MEMS)领域的一种哥式振动陀螺制备技术，尤其涉及一种微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法。
【背景技术】
[0002]微电子机械系统(MEMS)技术的发展使许多机械制备的器件微型化，带来了体积的减小、成本的下降及低功耗等优点。自1991年Draper实验室报道第一个微机械娃基音叉振动陀螺以来，哥式振动陀螺得益于MEMS技术的微型化得到了充分的发展，微机械振动陀螺发展迅速，并大量应用于消费类电子。目前消费类电子中的陀螺性能基本处于速率级，应用于军事、商业姿态航向参考系统等方面的微机械振动陀螺性能达到了战术级，但目前并没有微机械振动陀螺达到惯性级性能。在微型化的路程上，壳体陀螺引起了关注。作为能够实现惯性级性能的半球谐振陀螺(HRG)，其微型化带来了十分诱人的优势。为将半球谐振陀螺应用于陆基惯性器件组件(ISA) ,Northrop Grumman公司在130P HRG的基础上取缔外围激励电极，研制成减小了 90 %体积的mHRG。但仍需进一步减小体积、功耗和成本。
[0003]经对现有传统精密机械加工技术制备半球陀螺仪检索发现，中国专利“具有部分镀金属层的谐振器”(公开号:CN102686977 A)及中国专利“用于角参量检测器的谐振器”(公布号:CN102150012 B)采用非平面电极，利用谐振子轴向运动检测角速度或角度。然而传统机械加工的每轴半球谐振陀螺成本高达5万一 10万美元，且受限于熔融石英谐振子的传统精密加工技术及设备，制造直径Icm量级以下的半球谐振陀螺变得十分困难。为进一步减小体积、成本和功耗，从2010年开始美国国防预先研究计划局陆续资助多家单位研制微半球谐振陀螺。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法，批量制备高对称性半球谐振子，同时解决电极对准问题。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]—种微玻璃半球谐振陀螺，其特征在于:包括:
[0007]复合结构基底；
[0008]玻璃半球谐振子；
[0009]嵌入复合结构基底的硅非平面电极；
[0010]封装玻璃壳盖；
[0011]其中，所述玻璃半球谐振子由半球壳和位于半球壳内部中心的自对准柱子组成，半球壳的内表面和自对准柱子的表面涂有一层金属导电层，通过另一层金属层与硅引出通道连接引出；所述复合结构基底嵌入有硅非平面电极，嵌入复合结构基底的硅非平面电极的电极数量是四的倍数，其中包含驱动电极和检测电极;所述硅引出通道和硅非平面电极在复合结构基底背面通过金属引线引出;所述封装玻璃壳盖与复合结构基底通过直接键合的方式真空封装。
[0012]所述复合结构基底由玻璃和硅组成，组成方式包括硅-玻璃-硅分离块-玻璃-硅非平面电极-玻璃-硅引出通道、硅-玻璃一硅非平面电极-玻璃-硅引出通道；
[0013]所述硅非平面电极为高掺杂硅非平面电极；
[0014]所述硅非平面电极和硅引出通道嵌入在玻璃中间，硅非平面电极形状为扇形圆环，所述硅引出通道为硅柱，形状包括硅圆柱、硅长方柱或带扇形柱的硅圆柱。
[0015]所述玻璃半球谐振子的直径在1-1Omm之间，半球壳的厚度在十微米到五百微米之间；
[0016]所述半球壳有缘边，缘边长度在十微米到八百微米之间；半球壳及缘边下面的金属层的总厚度在一个纳米到一百个纳米的范围内；
[0017]所述半球壳的圆周处及缘边在复合结构基底的投影小于硅非平面电极。
[0018]—种微玻璃半球谐振陀螺及其圆片级制备方法，其步骤如下:
[0019](I)通过热发泡工艺圆片级制备微玻璃半球谐振子，包括以下步骤:
[0020]步骤一，通过干法刻蚀高掺杂硅圆片形成硅模具圆片，使硅模具圆片内形成内含硅圆柱的圆柱形空腔，将发泡剂加入圆柱形空腔中；
[0021]步骤二，在上述干法刻蚀硅圆片形成硅模具圆片上表面以及所述圆柱形空腔中的硅圆柱上表面键合上玻璃圆片，形成键合圆片；
[0022]步骤三，将上述步骤得到的键合圆片置于高温加热炉中均匀加热，加热温度高于玻璃的软化点，发泡剂在高温下分解，产生气体，圆柱形空腔中的气压急剧增加，熔融玻璃在气压差和表面张力的驱动下形成玻璃半球壳，所述硅圆柱处玻璃形成自对准柱子及柱子空心处，然后快速冷却至室温；
[0023]步骤四，将上述步骤得到的带有玻璃半球壳和自对准柱子的键合圆片表面均匀涂层有机物；
[0024]步骤五，将上述步骤得到的上表面均匀涂有镶嵌料或石蜡层的带有玻璃半球壳和自对准柱子的键合圆片采用研磨和化学机械抛光，去掉键合圆片平面部分，保留玻璃半球壳和自对准柱子；
[0025]步骤六，将上述步骤保留的玻璃半球壳和自对准柱子上均匀涂层金属导电层；
[0026](2)热回流工艺圆片制备玻璃式硅非平面电极，包括以下步骤:
[0027]步骤七，通过干法刻蚀高参杂硅圆片形成硅圆片，使硅圆片内包含有内含硅柱的圆柱形空腔，硅柱作为硅非平面电极和硅引出通道；
[0028]步骤八，在硅模具圆片上表面以及所述圆柱形空腔中的硅柱上表面在真空条件下键合上玻璃片，形成键合圆片；
[0029]步骤九，将上述步骤八得到的键合圆片放置在加热炉中加热，加热温度高于玻璃的软化点温度，并保温，直至熔融玻璃填充满所述圆柱形空腔形成，冷却至常温，形成上部全玻璃结构层、中间嵌入硅非平面电极和硅引出通道的复合结构层、底部全硅衬底结构层的三层结构的回流圆片；
[0030]步骤十，将所述回流圆片进行研磨和化学机械抛光，去除上部全玻璃结构层和底部全硅衬底结构层，留下中间嵌入硅非平面电极和硅引出通道的复合结构层；
[0031]步骤十一，将所述复合结构层下表面布有金属引线，上表面涂层牺牲层，并在硅引出通道上布有金属层；
[0032](3)组装玻璃半球谐振子和玻璃式硅非平面电极，包括以下步骤:
[0033]步骤十二，将步骤(2)得到的布有金属引线和上表面涂层牺牲层、并在硅引出通道上布有金属层的复合结构层与步骤(I)得到的均匀涂层金属导电层的玻璃半球壳和自对准柱子键合，形成整体结构；
[0034]步骤十三，去掉上述整体结构中的镶嵌料或石蜡、上表面牺牲层，得到微玻璃半球谐振子陀螺；
[0035](4)真空封装，包括以下步骤:
[0036]步骤十四，利用热发泡工艺制备封装玻璃壳盖；
[0037]步骤十五，将封装玻璃壳盖与步骤(3)得到的微玻璃半球谐振子陀螺中的复合结构基底进行键合以实现真空封装。
[0038]进一步的，步骤一中，所述硅圆片的厚度不小于300um;所述干法刻蚀为深反应离子刻蚀，刻蚀深度小于硅圆片厚度10um以上;所述发泡剂为能在高温释放气体的物质；
[0039]步骤二中，所述玻璃圆片的厚度不小于步骤一中娃圆片的刻蚀深度，所述玻璃圆片采用与硅热膨胀系数接近的玻璃;所述硅圆片与玻璃圆片键合为阳极键合；
[0040]步骤八中，所述玻璃片与步骤二所述玻璃圆片的要求一致。
[0041]进一步的，步骤三中，所述玻璃半球壳直径大于Imm;步骤九所述加温条件与步骤三所述加热条件一致。
[0042]进一步的，步骤四中，所述键合圆片表面均匀涂层材料为镶嵌料或石蜡，涂层厚度高于步骤三所述玻璃半球壳顶部。
[0043]进一步的，步骤六中，均匀涂层金属导电层金属采用Cr、Au或Cr/Au复合层。
[0044]进一步的，步骤七中，所述高参杂硅圆片厚度不小于300um;所述干法刻蚀为深反应离子刻蚀，刻蚀深度小于高掺杂硅圆片厚度10um以上。
[0045]进一步的，步骤^^一中，所述金属引线为Au、T1、Cr或Cr/Au复合层;所述牺牲层采用光刻胶，厚度为l-15um;所述硅引出通道上布有的金属层采用Ir。
[0046]本发明的有益效果是:
[0047]本发明采用热发泡法圆片级制备尺寸小于Icm量级的微半球谐振子，同时利用热回流法制备嵌入玻璃式硅非平面电极，用于驱动半球谐振子，构成微半球谐振陀螺。本发明所述方法用于批量制备半球谐振子，降低了体积成本，同时采用非平面电极驱动谐振子解决MEMS工艺中电极对准问题。
[0048]与现有技术相比，本发明具有如下优势:
[0049]1.采用热发泡工艺制备的微玻璃半球谐振子具有高对称性和超低表面粗糙度(〈Inm)；
[0050]2.微玻璃半球谐振子尺寸可控制在Icm量级以下，且属于批量制备，利于降低成本；
[0051]3.采用硅非平面电极，利用牺牲层组装半球谐振陀螺，可控制电极和半球谐振子间的间隙，并解决电极对准问题；
[0052]4.硅非平面电极