一种基于纳米光栅的MOEMS陀螺仪及其加工方法与流程

本发明涉及微光机电和惯性导航技术，特别是涉及一种基于纳米光栅的moems(微光机电)陀螺仪及其加工方法。

背景技术：

moems(micro-opto-eletri-mechanicalsystem)使之微光机电系统，也可称为光学mems，是微光学与mems技术结合的微系统，兼有mems技术微型化、可批量加工、低成本和光学检测的高精度、抗电磁干扰等优点。

moems陀螺仪式采用moems技术加工完成，相比传统的mems陀螺仪采用电容检测，其采用微光学器件来对由于旋转产生的角度或位置变化进行精确的检测，避免了精度和动态性能难以兼顾的矛盾；同时提高了器件的抗电磁干扰能力，另外，还实现了光电分离，使其可以应用于辐射、高温、强电磁干扰、易爆等特殊环境中。

光栅作为一种非常重要的光学元件，该元件具有周期性的空间结构，一般是在介质或者金属上进行刻蚀形成折射率调制而制成的，被广泛应用于光通信、集成光路、光学测量等领域中。此次涉及的纳米光栅，属于衍射光栅的一种，这类光栅能够对入射光的振幅或相位，或者二者同时进行周期性空间调制。而纳米光栅相比一般的光栅，特点在于其尺寸更小，导致衍射光只存在0级和1级衍射，衍射效率更高，易于集成。

技术实现要素：

发明目的：为克服现有技术不足，得到一种兼具小体积、低功耗、高精度等优点的惯性器件，本发明旨于提供一种基于纳米光栅的moems陀螺仪及其加工方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于纳米光栅的moems陀螺仪，由上至下依次包括：盖帽、微谐振器和衬底，所述微谐振器为双质量块结构微谐振器，包括质量块、驱动框架和解耦梁结构，驱动框架设在质量块对边外围，解耦梁结构与质量块和驱动框架连接；可动纳米光栅附着在微谐振器的质量块上表面，可动纳米光栅上方的盖帽上对应设有固定纳米光栅，且盖帽对应驱动框架的梳齿处设有电极通孔。

工作原理：本发明基于纳米光栅的moems陀螺仪，外界通过金属导线、盖帽通孔内金属焊盘与陀螺仪实现电气连接，使驱动框架产生谐振，带动解耦框架运动，当角速度发生变化时，由于哥式效应，解耦梁结构会带动质量块在与驱动方向以及角速度方向垂直的方向运动，可动硅纳米光栅与玻璃盖帽上的固定纳米光栅组成的双层光栅结构的周期随之变化，外接光源发出的检测光从光发生器进入后依次通过玻璃盖帽、固定纳米光栅、可动纳米光栅、支撑层窗口和玻璃衬底后得到出射光，由于光栅周期变化，出射光的光强随之变化，通过检测进入光电检测端的出射光光强，可以推算出角速度。

优选的，所述驱动框架为静电驱动框架，驱动框架采用静电力驱动，通过盖帽上的电极通孔实现静电驱动的信号引入。

优选的，所述静电驱动框架为两组，分别设在两个质量块对边的外围，可动纳米光栅分别位于质量块上表面的中心；固定光栅与可动光栅上下平行排布；固定光栅在盖帽上通过剥离沉积金属的工艺加工得到；相比硅光栅，其加工精度高，加工难度和成本都有所下降。

优选的，所述盖帽与衬底均采用阳极键合的方法与微谐振器键合。

优选的，盖帽和衬底均为玻璃材料，微谐振器底部依次设有掩埋氧化层和支撑层，且在支撑层上对应可动硅纳米光栅区域的下方位置开设了相应的窗口以减小出射光的损耗。

所述可动纳米光栅与固定纳米光栅周期不同，采用相同的排列方向，构成了多个宽度可变的缝隙；缝隙宽度变化与可动光栅受到的哥式力相关，利用缝隙宽度的变化，可以对入射光进行调制；微谐振器的驱动方向与光栅的方向相同，但是，双质量块微谐振器的两组驱动框架的驱动方向相反，从而使两个质量块受到的哥式力方向相反，由此，两组双层光栅的缝隙会出现一者增大，另一者减小的情况，最终导致输出光强经过外接的光电转换后为差分的电信号，通过后续的电路处理，可以有效抑制温度变化、外界加速度等外界干扰引入的共模噪声。

优选的，所述盖帽下表面开有凹槽，所述固定纳米光栅位于该凹槽内。

本发明另一实施例中，提供了一种基于纳米光栅的moems陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：

(1)清洗硅晶圆，干燥，在硅晶圆器件层表面旋涂光刻胶层，并固化；

(2)将步骤(1)得到的硅晶圆转移到电子束光刻机上，采用电子束曝光的方法在其光刻胶得到光栅周期为1μm，占空比为50％的硅纳米光栅图案；

(3)在步骤(2)的基础上，采用深硅刻蚀工艺在硅晶圆器件层表面加工得到深度为500nm的硅纳米光栅，之后使用丙酮溶液去除残留的光刻胶；

(4)在该硅晶圆器件层与支撑层的表面，双面沉积氮化硅作为掩膜，同时起到保护光栅结构的作用，然后在器件层的氧化硅表面喷涂光刻胶，接着利用第一块掩膜版，通过光刻得到设计的双质量陀螺仪结构，之后，采用drie得到所设计的陀螺仪主体结构；

(5)在步骤(4)基础上，去除原有光刻胶后，在硅晶圆的支撑层沉积一层氮化硅作为掩膜，在掩膜表面旋涂光刻胶，通过第二块掩膜版光刻定义需要开出的窗口位置与图案，之后采用rie在氮化硅掩膜层开出窗口，用丙酮溶液去除光刻胶后，采用drie开出窗口，然后用氢氟酸去除残留的氮化硅掩膜层；

(6)使用koh溶液去除硅晶圆中器件层下方部分氧化层，释放结构，同时去除支撑层窗口对应位置的氧化层；

(7)取玻璃薄片，在一面上旋涂光刻胶，在光刻机上通过第三块掩膜版定义出盖帽的凹槽图案，使用koh溶液，湿法刻蚀得到凹槽，去除残余光刻胶后，干燥，再在凹槽表面喷涂光刻胶，利用电子束曝光定义金属固定光栅的图案，在此基础上，沉积铬金层，采用lift-off工艺，剥离出金属纳米光栅，洗去残余光刻胶；

(8)在步骤(7)的玻璃片另一面，旋涂光刻胶，通过第四块掩膜版定义出16个电极通孔位置与图案，通过湿法刻蚀加工出所需的通孔后，去除残留光刻胶，得到带有电极通孔与金属纳米光栅的玻璃盖帽；

(9)另取一块玻璃薄片，清洗干燥后作为衬底，将玻璃衬底与步骤(8)得到的玻璃盖帽分别与步骤(6)的加工后的硅晶圆的支撑层与器件层对准，贴合后，采用阳极键合工艺使玻璃盖帽、硅器件、玻璃衬底键合为一个整体；

(10)在步骤(9)得到器件的电极通孔对应位置处通过引线键合接入导电金属线，实现器件内外的电信号传输。

本发明的另一实施例中，还提供了另一种基于纳米光栅的moems陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：

(1)清洗硅晶圆，干燥，在硅晶圆器件层表面旋涂光刻胶层，并固化；

(2)将步骤(1)得到的硅晶圆转移到电子束光刻机上，采用电子束曝光的方法在其光刻胶得到光栅周期为1μm，占空比为50％的硅纳米光栅图案；

(3)在步骤(2)的基础上，采用深硅刻蚀工艺在硅晶圆器件层表面加工得到深度为500nm的硅纳米光栅，之后使用丙酮溶液去除残留的光刻胶；

(4)在该硅晶圆器件层与支撑层的表面，双面沉积氮化硅作为掩膜，同时起到保护光栅结构的作用，然后在器件层的氧化硅表面喷涂光刻胶，接着利用第一块掩膜版，通过光刻得到设计的双质量陀螺仪结构，之后，采用drie得到所设计的陀螺仪主体结构；

(5)在步骤(4)基础上，去除原有光刻胶后，在硅晶圆的支撑层沉积一层氮化硅作为掩膜，在掩膜表面旋涂光刻胶，通过第二块掩膜版光刻定义需要开出的窗口位置与图案，之后采用rie在氮化硅掩膜层开出窗口，用丙酮溶液去除光刻胶后，采用drie开出窗口，然后用氢氟酸去除残留的氮化硅掩膜层；

(6)使用koh溶液去除硅晶圆中器件层下方部分氧化层，释放结构，同时去除支撑层窗口对应位置的氧化层；

(7)取玻璃薄片，取其中一面旋涂光刻胶，利用电子束曝光定义金属固定光栅的图案，在此基础上，沉积铬金层，采用lift-off工艺，剥离出金属纳米光栅，洗去残余光刻胶，然后在该表面重新喷涂光刻胶，通过第三块掩膜版定义出盖帽边缘的金属密封墙图案，接着，通过lift-off工艺剥离得到金属密封墙，最后，洗去残余光刻胶；

(8)在步骤(7)的玻璃片另一面，旋涂光刻胶，通过第四块掩膜版定义出16个电极通孔位置与图案，通过湿法刻蚀加工出所需的通孔后，去除残留光刻胶，得到带有电极通孔与金属纳米光栅的玻璃盖帽；

(9)通过将盖帽与soi晶圆对准后，利用盖帽在步骤(7)加工得到的金属密封墙，采用金硅键合的方法将盖帽与器件结合；

(10)在步骤(9)得到器件的电极通孔对应位置处通过引线键合接入导电金属线，实现器件内外的电信号传输。

有益效果：与现有技术相比，本发明的陀螺仪利用光来检测角速度，具有质量小、测量精度高、不受电磁干扰和便于批量生产等优点，应用范围广，有着良好的市场前景。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是图1中沿a-a面的剖视图；

图3是图2中切面b部分的放大图；

图4是图1、图2中的玻璃盖帽结构放大图；

图5是本发明的加工工艺流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明采用了一种双光栅测量的方案，通过两块平行放置的光栅，当入射光通过第一个光栅后会被分束，得到不同级数的衍射光，衍射光再经过第二个光栅后再次衍射，这些衍射光之间互相干涉，当两光栅之间的距离或光栅交叠的面积发生变化后，导致二次衍射光的互相干涉也发生变化，得到的干涉条纹或出射光强发生变化，对其进行解调，即可求出位移量，该方案可以测量nm级的微小位移，精度大，应用前景广泛。基于上述结论，本发明提出基于纳米光栅的moems陀螺仪，利用了衍射光栅与光栅测微小位移的方法，采用微机电与微光学的工艺加工制造的一种机电光一体的新型高精度陀螺仪。

如图1-4所示，一种基于纳米光栅的moems陀螺仪，由上至下依次包括：盖帽1、微谐振器2和衬底3，盖帽1上设有固定纳米光栅11、电极通孔12及凹槽13；所述微谐振器2为双质量块结构微谐振器，包括质量块21、驱动框架22和解耦梁结构23，驱动框架设在质量块对边外围，盖帽上的电极通孔对应驱动框架的梳齿设置；解耦梁结构的两端分别与质量块和驱动框架连接；可动纳米光栅24附着在微谐振器的质量块上表面，谐振器2下方为掩埋氧化层25和支撑层26，支撑层上加工出了两个窗口27。

其中，驱动框架为静电驱动框架，驱动框架采用静电力驱动，通过盖帽上的电极通孔实现静电驱动的信号引入。静电驱动框架为两组，分别设在两个质量块对边的外围，可动纳米光栅分别位于质量块上表面的中心；固定纳米光栅与可动纳米光栅上下平行排布；固定纳米光栅在盖帽上通过剥离沉积金属的工艺加工得到。盖帽与衬底均采用阳极键合的方法与微谐振器键合。盖帽和衬底均为玻璃材料，微谐振器底部依次设有掩埋氧化层25和支撑层26，且在支撑层上对应可动硅纳米光栅区域的下方位置开设了相应的窗口27以减小出射光的损耗。可动纳米光栅与固定纳米光栅周期不同，采用相同的排列方向，构成了多个宽度可变的缝隙。盖帽下表面开有凹槽，所述固定纳米光栅位于该凹槽内。

优选的，可动硅纳米光栅与固定纳米光栅的周期分别为1.0μm与1.2μm。可动纳米光栅为硅纳米光栅，在soi晶圆的器件层同双质量块微谐振器一同加工完成，光栅厚度为420nm，光栅周期为1.0μm，占空比为50％；固定纳米光栅为金属纳米光栅，光栅厚度为210nm，光栅周期为1.2μm，占空比为50％；两组可动光栅分别位于所述微谐振器的两个质量块上，固定纳米光栅位于可动纳米光栅上方的玻璃盖帽下表面的凹槽内，固定纳米光栅与可动纳米光栅之间的间隙为600nm。盖帽与衬底均采用阳极键合的方法与soi晶圆键合。

本发明基于纳米光栅的moems陀螺仪，外界通过金属导线、盖帽通孔内金属焊盘与陀螺仪实现电气连接，使驱动框架产生谐振，带动解耦框架运动，当角速度发生变化时，由于哥式效应，解耦梁结构会带动质量块在与驱动方向以及角速度方向垂直的方向运动，可动硅纳米光栅与玻璃盖帽上的固定纳米光栅组成的双层光栅结构的周期随之变化，外接光源发出的检测光从光发生器进入后依次通过玻璃盖帽、固定纳米光栅、可动纳米光栅、支撑层窗口和玻璃衬底后得到出射光，由于光栅周期变化，出射光的光强随之变化，通过检测进入光电检测端的出射光光强，可以推算出角速度。

如图5所示，一种基于纳米光栅的moems陀螺仪的加工方法，结合了电子束曝光、体硅加工工艺、表面微加工工艺和键合工艺进行制作，包括以下步骤：

(1)清洗硅晶圆，干燥，在硅晶圆器件层表面旋涂光刻胶层，并固化；

(2)将步骤(1)得到的硅晶圆转移到电子束光刻机上，采用电子束曝光的方法在其光刻胶得到光栅周期为1μm，占空比为50％的硅纳米光栅图案；

(3)在步骤(2)的基础上，采用深硅刻蚀工艺在硅晶圆器件层表面加工得到深度为500nm的硅纳米光栅，之后使用丙酮溶液去除残留的光刻胶；

(4)在该硅晶圆器件层与支撑层的表面，双面沉积氮化硅作为掩膜，同时起到保护光栅结构的作用，然后在器件层的氧化硅表面喷涂光刻胶，接着利用第一块掩膜版，通过光刻得到设计的双质量陀螺仪结构，之后，采用drie得到所设计的陀螺仪主体结构；

(5)在步骤(4)基础上，去除原有光刻胶后，在硅晶圆的支撑层沉积一层氮化硅作为掩膜，在掩膜表面旋涂光刻胶，通过第二块掩膜版光刻定义需要开出的窗口位置与图案，之后采用rie在氮化硅掩膜层开出窗口，用丙酮溶液去除光刻胶后，采用drie开出窗口，然后用氢氟酸去除残留的氮化硅掩膜层；

(6)使用koh溶液去除硅晶圆中器件层下方部分氧化层，释放结构，同时去除支撑层窗口对应位置的氧化层；

(7)取玻璃薄片，在一面上旋涂光刻胶，在光刻机上通过第三块掩膜版定义出盖帽的凹槽图案，使用koh溶液，湿法刻蚀得到凹槽，去除残余光刻胶后，干燥，再在凹槽表面喷涂光刻胶，利用电子束曝光定义金属固定光栅的图案，在此基础上，沉积铬金层，采用lift-off工艺，剥离出金属纳米光栅，洗去残余光刻胶；

(8)在步骤(7)的玻璃片另一面，旋涂光刻胶，通过第四块掩膜版定义出16个电极通孔位置与图案，通过湿法刻蚀加工出所需的通孔后，去除残留光刻胶，得到带有电极通孔与金属纳米光栅的玻璃盖帽；

(9)另取一块玻璃薄片，清洗干燥后作为衬底，将玻璃衬底与步骤(8)得到的玻璃盖帽分别与步骤(6)的加工后的硅晶圆的支撑层与器件层对准，贴合后，采用阳极键合工艺使玻璃盖帽、硅器件、玻璃衬底键合为一个整体；

(10)在步骤(9)得到器件的电极通孔对应位置处通过引线键合接入导电金属线，实现器件内外的电信号传输。

另一实施例中，本发明的另一种基于纳米光栅的moems陀螺仪的加工方法，与上述方法基本相同，所不同的是：在上述的步骤(7)中，加工剥离盖帽时，可以采用先加工金属纳米光栅，然后将光栅通过光刻胶保护后，再在同一面的四周，通过lift-off工艺得到一圈金属密封墙，然后在步骤(9)通过金硅键合实现盖帽与soi器件层的键合。

具体为：在上述步骤(7)中取玻璃薄片，取其中一面旋涂光刻胶，利用电子束曝光定义金属固定光栅的图案，在此基础上，沉积铬金层，采用lift-off工艺，剥离出金属纳米光栅，洗去残余光刻胶，然后在该表面重新喷涂光刻胶，通过第三块掩膜版定义出盖帽边缘的金属密封墙图案，接着，通过lift-off工艺剥离得到金属密封墙，最后，洗去残余光刻胶；在步骤(9)中通过将盖帽与soi晶圆对准后，利用盖帽在步骤(7)加工得到的金属密封墙，采用金硅键合的方法将盖帽与器件结合。通过这种方法得到的金属光栅与硅光栅之间的间隙大小为金属密封墙的高度减去金属光栅的高度，而lift-off方法在高度方向的加工精度远高于刻蚀，因此，此方法可以使加工得到的双光栅间隙精度更高。

玻璃衬底在soi晶圆支撑层下方，用于实现真空封装。陀螺仪采用了静电驱动与光学检测的方法，需要外加的红外激光作为输入的光源，另外，还需要外加光电转换器。本发明未提及的技术均参照现有技术。