一种抗高过载的mems陀螺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种抗高过载的MEMS陀螺，硅片中设有质量块（6），它通过连接梁（1）固支于锚点（7），在质量块（6）的四周对称分布着带有防撞凸点（4）的固定块（3），质量块（6）中心掏空区域设置有带防撞凸点（5）的中心固定块（2），其特征在于：所述质量块（6）上设有一组网格空腔（6a）。本发明具有如下优点：网格空腔质量块的侧壁在碰撞过程中起到了弹性过载保护面的作用，它和防撞凸点共同作用可以释放高冲击产生的高冲击力，有效保护器件敏感结构，提高了器件抗高过载能力。本发明结构简单，采用单晶硅片材料，提高了MEMS陀螺产品的一致性和可靠性，加工工艺比较简单，适合大批量生产。
【专利说明】—种抗高过载的MEMS陀螺【技术领域】[0001]本发明属于微机械电子【技术领域】。具体是一种MEMS陀螺抗高过载结构。【背景技术】[0002]MEMS陀螺因其体积小，重量轻、成本低、功耗低等优点，已经广泛应用于航空、航 天、航海、汽车、生物医学、环境监控等领域。MEMS陀螺在高冲击环境等严苛条件下，受到的 冲击加速度可达几千g甚至几万g，对于具有可动结构(敏感结构)的MEMS陀螺，其可动结 构(敏感结构)所承受的冲击加速度具有一定范围，当冲击加速度超过该范围时，即发生“过 载”。MEMS陀螺的可动结构(敏感结构)在无过载保护结构的情况下容易受到破坏而导致器 件失效，从而影响整个系统的可靠性，因此MEMS陀螺的可动结构(敏感结构)需要增加过载 保护结构来实现可动结构在高强度冲击下的安全性。[0003]目前MEMS陀螺的可动结构(敏感结构)只是通过盖帽控制运动间隙或者通过制作 防撞凸点限制运动距离，从而实现抗过载的目的，不论是控制运动间隙还是制作防撞凸点， 其过载保护结构都是在可动结构(敏感结构)外部制作，并且是硬性碰撞面而非弹性碰撞 面，可动结构(敏感结构)在硬性碰撞的情况下容易断裂，无法实现器件的抗高过载特性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了解决现有MEMS陀螺器件硬性碰撞过载保护设计结构保护 性不强，提供一种结构简单，成本低，稳定性好的抗高过载的MEMS陀螺。[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:一种抗高过载的MEMS陀螺，包括在玻璃衬底上键合的硅片，硅片上面连接盖帽，硅片 中设有质量块，它通过连接梁固支于锚点，在质量块的四周对称分布着带有防撞凸点的固 定块，质量块中心掏空区域设置有带防撞凸点的中心固定块，其特征在于:所述质量块上设 有一组网格空腔。[0006]本发明带有网格空腔的质量块，其四个侧壁相当于弹性过载保护面。当XY平面内 有过载情况时，使得梁结构发生弯曲，导致网格空腔质量块的侧壁碰撞到防撞凸点，网格空 腔质量块的侧壁相当于弹性过载保护面，可将冲击力抵消掉，使得可动结构(敏感结构)得 到有效保护。[0007]当整体结构受到XY平面内任意方向的冲击时，中间硅基可动结构(敏感结构)的 网格空腔质量块受力，引起悬臂梁发生弯曲变形，使得网格空腔质量块的侧壁和固定结构 上的防撞凸点接触，由于网格空腔质量块的侧壁相当于弹性碰撞面，使得可动结构(敏感结 构)在与固定结构的防撞凸点接触时，弹性碰撞面发生弯曲将冲击力转换为弹性力，保护了 可动结构(敏感结构)。[0008]该MEMS陀螺抗高过载结构采用单晶硅片为主材料，进行加工。[0009]该MEMS陀螺抗高过载结构从工艺制造上可分为三层:衬底层、结构层和盖帽层。 网格空腔质量块、梁结构、防撞凸点和固定结构同属于结构层；玻璃片构成衬底层；单晶硅片构成盖帽层。[0010]该MEMS陀螺抗高过载结构的制造工艺为:首先在结构层背面刻蚀台阶；接着在衬 底层的玻璃片上制作电极；然后通过硅玻静电键合把结构层和衬底键合在一起；正面刻蚀 结构层，形成梁结构、网格空腔质量块和防撞凸点；盖帽层背面刻蚀出空腔；采用苯并环丁 烯(BCB)键合完成结构层和盖帽层的晶圆级封装；刻蚀盖帽层正面，露出电极。[0011]本发明与现有的MEMS陀螺抗高过载结构相比具有如下优点:(I)本发明针对MEMS陀螺可动结构(敏感结构)自身进行抗高过载结构设计，设计了 一种网格空腔质量块的可动结构(敏感结构)，该网格空腔质量块的侧壁在碰撞过程中起到 了弹性过载保护面的作用，它和防撞凸点共同作用可以释放高冲击产生的高冲击力，有效 保护器件敏感结构，提高了器件抗高过载能力。[0012](2)本发明结构简单，采用单晶硅片材料，提高了 MEMS陀螺产品的一致性和可靠 性；加工工艺比较简单，全部利用公知的MEMS工艺技术加工，适合大批量生产。【专利附图】
【附图说明】[0013]图1为本发明MEMS陀螺抗过载结构俯视图；图2为本发明MEMS陀螺抗过载结构剖面图；图3为本发明MEMS陀螺抗过载结构制造工艺流程图。【具体实施方式】[0014]下面结合附图对本发明的结构和制造工艺做进一步的说明。[0015](一)MEMS陀螺抗高过载结构参照图1、图2本发明MEMS抗高过载陀螺结构从工艺制造上可分为三层:衬底层8、结 构层11和盖帽层10。连接梁1、中心固定块2、固定块3、防撞凸点4、防撞凸点5、网格空腔 质量块6、锚点7同属于结构层；玻璃片8构成衬底层；单晶硅片11构成盖帽层，单晶硅片 11用苯并环丁烯(BCB) 9与盖帽10键和连接。[0016]所述的网格空腔质量块6通过连接梁I固支于锚点7，在网格空腔质量块6的四周 对称分布着带有防撞凸点4的固定块3，网格空腔质量块6中心掏空区域设置有带防撞凸点 5的固定块2，网格空腔质量块6四个侧壁相当于弹性过载保护面，玻璃衬底8键合于结构 层下方。当XY平面内有过载情况时，使得梁结构I发生弯曲，导致网格空腔质量块6的侧 壁碰撞到防撞凸点4或5，网格空腔质量块6的侧壁相当于弹性过载保护面，可将冲击力抵 消掉，使得可动结构(敏感结构)得到有效保护。[0017](二)MEMS陀螺抗高过载结构的制造工艺图3中图(a) —图(e)为MEMS陀螺抗高过载结构的主要工艺过程，具体说明为:图(a) —图(c)为中间敏感结构层制作:在单晶硅片背面光刻空腔图形，利用电感耦合 等离子体(ICP)刻蚀形成空腔；接着对单晶硅片进行氧化，在单晶硅片背面光刻深腔图形， 正面涂胶保护，氢氟酸和氟化铵按6:1比例配比而成的腐蚀液去除打开窗口的二氧化硅， 再利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀形成深腔。[0018]图(d) —图(e)最终结构制作:氢氟酸和氟化铵按6:1比例配比而成的腐蚀液去 除单晶硅片表面氧化层，利用硅玻键合将中间敏感结构层与玻璃衬底键合于一起，接着在单晶硅片正面光刻梁结构、网格状质量块、固定结构和防撞凸点，利用光刻胶作为阻挡层， 电感耦合等离子体(ICP)刻蚀直至悬臂梁、网格状质量块释放完全。最后在中间敏感结构 层上键和盖帽，如图3所示，即形成本发明的MEMS抗高过载陀螺。
【权利要求】
1.一种抗高过载的MEMS陀螺，包括在玻璃衬底(8)上键合的硅片(11 )，硅片(11)上 面连接盖帽(10)，硅片(11)中设有质量块(6)，它通过连接梁(I)固支于锚点(7)，在质量块(6)的四周对称分布着带有防撞凸点(4)的固定块(3)，质量块(6)中心掏空区域设置有带 防撞凸点(5)的中心固定块(2)，其特征在于:所述质量块(6)上设有一组网格空腔(6a)。
【文档编号】G01C19/56GK103557853SQ201310505577
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】陈璞, 郭群英, 黄斌, 王鹏, 陈博, 王文婧, 何凯旋, 刘磊, 徐栋, 吕东锋, 庄须叶 申请人:华东光电集成器件研究所