半球形微陀螺封装结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电技术领域的振动陀螺仪，具体地，涉及半球形微陀螺封装结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]陀螺仪是一种能够检测载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。因此，MEMS微陀螺的重要性不言而喻。特别地，微型半球谐振陀螺仪作为MEMS微陀螺的一个重要研宄方向，已经成为该领域的一个研宄热点。
[0003]经过现有技术的文献搜索发现，美国Draper实验室J.J.Bernstein.等人在其论文“A MEMS diamond hemispherical resonator”中介绍了一种利用MEMS技术制作的微陀螺仪，该陀螺仪通过蒸镀技术在微谐振子周围制作了铬、铜微电极，通过沉积的方式在半球形凹槽中制作了金刚石微谐振子，通过湿法腐蚀的手段在半球形凹槽底部制作了二氧化硅支撑柱。然而，该陀螺仪微谐振子和微电极的引线较为困难，直接引线会影响微陀螺的结构对称性，进而影响微陀螺的性能指标；该陀螺仪的微谐振子及微电极直接暴露在外，易受到微小颗粒的污染，甚至结构被破坏；该陀螺仪没有封装结构，无法在片上实现与外界的气密性隔离。
[0004]基于此，迫切需要提出一种新的陀螺仪结构，解决上述问题。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种半球形微陀螺封装结构及其制备方法，实现半球形微陀螺与外界的气密性隔离，同时便于对称引线并保护微谐振子不被破坏。
[0006]根据本发明的一个方面，提供一种半球形微陀螺的封装结构，包括:单晶硅基底、均匀分布信号电极、半球壳式谐振子、圆柱形支撑柱、导通电极、玻璃基底、交叉连接线、引线焊接板、底部引线、单晶硅盖板、隔离层、种子层、导通层、通孔焊接板、顶部引线；其中:
[0007]所述圆柱形支撑柱的上端与所述半球壳式谐振子相连，下端与所述导通电极相连；所述单晶硅基底上设有半球形凹槽，所述圆柱形支撑柱和所述半球壳式谐振子位于所述半球形凹槽内；所述信号电极围绕在所述半球壳式谐振子周围；所述信号电极和所述导通电极分别位于所述单晶硅基底的顶部和底部；所述交叉连接线的上端与所述单晶硅基底相连，下端与所述玻璃基底相连；所述引线焊接板连接于所述交叉连接线的外沿；所述引线焊接板通过所述底部引线与外界进行电气连通；所述单晶硅盖板位于所述单晶硅基底的上端；所述单晶硅盖板设有圆柱形通孔，所述隔离层位于所述圆柱形通孔的内壁；所述种子层位于所述隔离层的内侧，与所述隔离层相连接；所述导通层位于所述种子层的内壁；所述通孔焊接板位于所述圆柱形通孔的正上方；所述圆柱形通孔、所述隔离层、所述种子层以及所述导通层的上端与所述通孔焊接板相连、下端与所述信号电极相连；所述通孔焊接板通过所述顶部引线与外界进行电气连通；所述单晶硅基底、所述半球壳式谐振子、所述圆柱形支撑柱、所述导通电极、所述玻璃基底、所述交叉连接线以及所述单晶硅盖板的中心对称轴重合。
[0008]本发明通过将所述单晶硅基底和所述单晶硅盖板在真空下进行键合，可以实现所述半球壳式谐振子与外界的气密性隔离，同时所述单晶硅盖板可以保护所述半球壳式谐振子及所述信号电极不被破坏；通过将所述信号电极与所述导通层进行电气连接，可以实现微陀螺的对称引线。
[0009]优选地，所述半球壳式谐振子和所述圆柱形支撑柱的材料为掺杂多晶硅或掺杂金刚石；所述半球壳式谐振子通过所述圆柱形支撑柱固定在所述导通电极上。
[0010]优选地，所述信号电极和所述导通电极的材料为掺杂硅，所述信号电极和所述导通电极分别镶嵌在所述单晶硅基底的顶部和底部；所述信号电极均匀分布在所述半球壳式谐振子的周围，不同信号电极的形状和大小相同，与所述半球壳式谐振子的距离也相同；所述导通电极呈圆柱形结构，其上下两端分别连接所述圆柱形支撑柱和所述交叉连接线，为所述半球壳式谐振子和所述引线焊接板提供电气连通。
[0011]优选地，所述玻璃基底上设有一圆环形凹槽，该凹槽的内侧壁和外侧壁分别向内倾斜和向外倾斜，倾斜角度相同。
[0012]优选地，所述交叉连接线的材料为钛、铜，位于所述玻璃基底的上表面；所述交叉连接线的中心为一圆环，与所述导通电极直接电气连接，所述交叉连接线通过四个矩形连接线由圆环向外延伸至所述玻璃基底的四个角上，矩形连接线的外沿与所述引线焊接板相连，每个引线焊接板均有相应的底部引线与之相连；底部信号依次通过所述底部引线、所述引线焊接板、所述交叉连接线、所述导通电极、所述圆柱形支撑柱电气连接至所述半球壳式谐振子。
[0013]优选地，所述单晶硅盖板位于所述单晶硅基底的正上方，所述单晶硅盖板的底部设有一圆形凹槽，圆形凹槽位于所述半球壳式谐振子的正上方，圆形凹槽的外侧壁位于所述半球壳式谐振子的外侧；所述单晶硅盖板设有八个圆柱形通孔，所述圆柱形通孔由所述单晶硅盖板的顶部贯穿至底部，位于所述信号电极的上方，所述圆柱形通孔的内侧与所述信号电极的外侧相接。
[0014]优选地，所述单晶硅盖板的圆柱形通孔被所述隔离层、所述种子层、所述导通层填满，由外向里依次为所述隔离层、所述种子层、所述导通层，且这三层的下端均与所述信号电极相接；所述隔离层的材料为二氧化硅，所述种子层的材料为钛、铜，所述导通层的材料为铜。
[0015]优选地，所述通孔焊接板为圆形，分为上下两层，下层与所述单晶硅盖板相接，上层位于下层的上方；所述通孔焊接板位于所述单晶硅盖板的圆柱形通孔的正上方，每个通孔对应一个所述通孔焊接板，每个通孔焊接板对应一个所述顶部引线；顶部信号依次通过所述顶部引线、所述通孔焊接板、所述导通层电气连接至所述信号电极。
[0016]根据本发明的另一个方面，提供半球形微陀螺仪封装结构的制备方法，包括如下步骤:
[0017]第一步、清洗所述单晶硅基底，在单晶硅基底正面生长二氧化硅层并进行图形化，通过硼离子注入工艺制备掺杂电极；生长氮化硅层并进行图形化，通过HNA刻蚀、热磷酸腐蚀在所述单晶硅基底上制备半球形凹槽；
[0018]第二步、在第一步的基础上于单晶硅基底正面生长二氧化硅层，在二氧化硅层底部开圆形口，形成带缺口的牺牲层；生长掺杂多晶硅薄膜或掺杂金刚石薄膜，图形化后去除半球形凹槽以外的薄膜材料并暴露出二氧化硅层，形成所述半球壳式谐振子及所述圆柱形支撑柱；
[0019]第三步、在第二步的基础上对所述单晶硅基底背面进行图形化处理，通过硼离子掺杂工艺在所述圆柱形支撑柱下方位置制备所述导通电极；
[0020]第四步、在第三步的基础上利用BHF溶液对二氧化硅层结构进行腐蚀，从所述单晶硅基底上释放所述半球壳式谐振子，形成所述半球形微陀螺；
[0021]第五步、准备玻璃基底并进行图形化，通过湿法腐蚀在所述玻璃基底上表面制作环形凹槽；
[0022]第六步、在第五步的基础上于玻璃基底上表面对所述玻璃基底进行图形化，通过溅射钛、铜薄膜制作所述交叉连接线以及