专利名称：微型半球谐振陀螺及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种微型半球谐振陀螺及其制备方法，属于微/纳加工制造领域。
背景技术：
随着科学技术的发展和社会的进步，消费电子、汽车产品和制导武器等对微机械陀螺的精度和可靠性等要求进一步提高，推动新结构和新原理的微机械陀螺不断产生，其中微型半球谐振陀螺具有高精度、高可靠性和长寿命等优点，成为近年开始研究的新型陀螺之一。参阅图3，现有的微型半球谐振陀螺，包括位于绝缘层8上的硅体1，所述硅体I上有半球谐振子空腔5 ;壳状的半球谐振子9通过内环支撑体14和外环支撑体15悬置于硅体I上，且所述半球谐振子9与硅体I上的半球谐振子空腔5同心；半球谐振子9与内环支撑体14的材料均为导电性良好的多晶硅，外环支撑体15的材料为二氧化硅，且半球谐振子
9、内环支撑体14、信号加载电极11与硅体I之间通过绝缘层8、外环支撑体15电绝缘；半球谐振子9电信号通过内环支撑体14与置于绝缘层8下方的信号加载电极11连通；娃体I端面沿半球谐振子空腔5的圆周均布有多个驱动电极12和敏感电极13 ;所述外环支撑体15为二氧化硅湿法腐蚀形成的支撑结构；所述驱动电极12和敏感电极13为掺杂形成P/N结而得到的电极。微型半球谐振陀螺制备方法中工艺流程决定着微型半球谐振陀螺器件的加工的难易程度以及器件性能的好坏，因此工艺流程的设计是获得良好性能的微型半球谐振陀螺的关键。微型半球谐振陀螺制备过程中，半球谐振子及其支撑体的加工以及增大驱动电极和敏感电极的工作面积，是 面临的主要挑战。美国乔治亚理工学院L.D.Sorenson.等人在其论文"3-D MICROMACHINED HEMISPHERICAL SHELL RESONATORS WITH INTEGRATEDCAPACITIVE TRANSDUCERS"中提出一种微型半球谐振陀螺制备方法:取N型硅片做硅体，然后通过掺杂获得P/N结，并获得驱动电极和敏感电极；然后各向异性干法刻蚀形成半球谐振子空腔，进行沉积氮化硅；然后硅体背面进行各向异性湿法刻蚀，并将氮化硅氧化后沉积多晶硅；最后去除二氧化硅得到可动的半球谐振子。这种半球谐振子的支撑面是由外环支撑体的支撑面决定的，而外环支撑面大小是由湿法刻蚀时间、溶液浓度、搅拌速度等决定的，因此加工时支撑面的大小难控制，既可能释放不充分，使支撑面过大，又可能释放过度，造成支撑面过小，两者都严重影响器件的工作性能；同时驱动电极和敏感电极的工作面大小与掺杂深度有关，由于掺杂工艺的限制，无法获得较大的工作面积，也存在驱动力过小和敏感信号检测困难的缺点。
发明内容
为克服现有加工技术中半球谐振子支撑体的支撑面大小不可控和驱动电极、敏感电极工作面积过小的不足，本发明提出改进支撑体结构和加工方法，并采用沉积导电多晶硅获得驱动电极和敏感电极制备微型半球谐振陀螺的方法。本发明提出的微型半球谐振陀螺，包括位于绝缘层8上的硅体1，所述硅体I上有半球谐振子空腔5 ;壳状的半球谐振子9通过支撑体10悬置于硅体I上，且所述半球谐振子9与硅体I上的半球谐振子空腔5同心；半球谐振子9与支撑体10材料均为导电性良好的多晶硅，且支撑体10与硅体I之间通过绝缘层8电绝缘；半球谐振子9电信号通过支撑体10与置于绝缘层8下方的信号加载电极11连通；硅体I端面沿半球谐振子空腔5的圆周均布有多个驱动电极12和敏感电极13。其特征在于:所述支撑体10为沉积多晶硅形成的扇形环结构；所述驱动电极12和敏感电极13为在硅体I表面沉积和电极槽2内沉积填充多晶硅，对多晶硅图形化后形成具有一定深度的电极。所述微型半球谐振子的制备方法，包括如下步骤:第一步，参阅图1 (a)，对高阻硅片进行清洗、涂胶、光刻、显影，ICP刻蚀、去胶得到具有深度为20 μ m-50 μ m电极槽2的硅体I ;第二步，参阅图1 (b)，沉积可导电的多晶硅；然后涂胶、光刻、显影、刻蚀多晶硅、去胶得到初期电极3 ；第三步，参阅图1 (C)，在硅体I正面沉积二氧化硅；然后对二氧化硅图形化，形成二氧化硅掩膜4 ；以二氧化硅掩膜4作为掩膜，进行各向同性干法刻蚀、去胶，得到半球谐振子空腔5和电极6,所述电极6包括驱动电极12和敏感电极13。第四步，参阅图1 (d)，去除二氧化硅掩膜4，在硅体I背面进行涂胶、光刻、显影、ICP刻蚀得到支撑体空腔7。第五步，参阅图1(e)，对硅体I正反两面沉积二氧化硅，得到厚度为500nm-2000nm
的二氧化硅绝缘层8。第六步，参阅图1(f)，对硅体I正反两面沉积可导电厚度为500nm-2000nm的多晶硅，得到半球谐振子9、支撑体10和信号加载电极11。第七步，参阅图1 (g)，对硅体I正面进行减薄抛光，去除多余多晶硅，然后气态HF刻蚀二氧化硅，得到可动的半球谐振子9，形成微型半球谐振陀螺器件。本发明的有益效果是:加工支撑体空腔，并沉积二氧化硅和可导电的多晶硅，易于控制支撑体的支撑面的大小；利用加工电极槽沉积填充可导电的多晶硅，克服了驱动电极和敏感电极工作面积过小的缺点。
图1是实施例中微型半球谐振陀螺的制备方法示意图。图2是实施例中制备出的微型半球谐振陀螺剖视图。图3是现有技术中微型半球谐振陀螺剖视图。图中，1-硅体，2-电极槽，3-初期电极，4-二氧化硅掩膜，5-半球谐振子空腔，6-电极，7-支撑体空腔，8-绝缘层，9-半球谐振子，10-支撑体，11-信号加载电极，12-驱动电极，13-敏感电极，14-内环支撑体，15-外环支撑体。
具体实施例方式本实施例中给出了一种如图2所示的微型半球谐振陀螺，该陀螺包括位于绝缘层8上的硅体1，所述硅体I上有半球谐振子空腔5 ;壳状的半球谐振子9通过支撑体10悬置于硅体I上，且所述半球谐振子9与硅体I上的半球谐振子空腔5同心；半球谐振子9与支撑体10材料均为导电性良好的多晶硅，且支撑体10与硅体I之间通过绝缘层8电绝缘；半球谐振子9电信号通过支撑体10与置于绝缘层8下方的信号加载电极11连通；硅体I端面沿半球谐振子空腔5的圆周均布有四组驱动电极12和四组敏感电极13。其特征在于:所述支撑体10为沉积多晶硅形成的扇形环结构；所述驱动电极12和敏感电极13为在硅体I表面沉积和电极槽2内沉积填充多晶硅，并图形化后形成具有一定深度的电极，本实施例中的电极厚度为2 μ m。所述微型半球谐振子的制备方法，包括如下步骤:第一步，参阅图1 (a)，对高阻硅片进行清洗、涂胶、光刻、显影，ICP刻蚀、去胶得到具有深度为20 μ m电极槽2的硅体I ;第二步，参阅图1 (b)，沉积可导电厚度为2μπι的多晶硅；然后涂胶、光刻、显影、刻蚀多晶硅、去胶得到初期电极3 ；第三步，参阅图1 (C)，在硅体I正面沉积二氧化硅；然后涂胶、光刻显影，并腐蚀二氧化硅、去胶，得到具有圆形窗口的二氧化硅，形成二氧化硅掩膜4 ；以二氧化硅掩膜4作为掩膜，进行各向同性干法刻蚀、去胶，得到半球谐振子空腔5和电极6，所述电极6包括驱动电极12和敏感电极13。第四步，参阅图1 (d)，去除二氧化硅掩膜4，在硅体I背面进行涂胶、光刻、显影、ICP刻蚀得到支撑体空腔7。第五步，参阅图1 (e)，对硅体I正反两面沉积二氧化硅，得到厚度为IOOOnm的二
氧化硅绝缘层8。第六步，参阅图1 (f)，对硅体I正反两面沉积可导电厚度为IOOOnm的多晶硅，得到半球谐振子9、支撑体10和信号加载电极11。第七步，参阅图1 (g)，对硅体I正面进行减薄抛光，去除多余多晶硅，然后气态HF刻蚀二氧化硅，得到可动的半球谐振子9，形成微型半球谐振陀螺器件。
权利要求
1.微型半球谐振陀螺，包括位于绝缘层(8)上的硅体(I)，所述硅体(I)上有半球谐振子空腔(5);壳状的半球谐振子(9)通过支撑体(10)悬置于硅体(I)上，且所述半球谐振子(9)与硅体(I)上的半球谐振子空腔(5)同心；半球谐振子(9)与支撑体(10)材料均为导电性良好的多晶硅，且支撑体(10)与硅体(I)之间通过绝缘层(8)电绝缘；半球谐振子(9)电信号通过支撑体(10)与置于绝缘层(8)下方的信号加载电极(11)连通；硅体(I)端面沿半球谐振子空腔(5)的圆周均布有多个驱动电极(12)和敏感电极(13)，其特征在于:所述支撑体(10)为沉积多晶硅形成的扇形环结构；所述驱动电极(12)和敏感电极(13)为在硅体(I)表面沉积和电极槽(2)内沉积填充多晶硅，对多晶硅图形化后形成具有一定深度的电极。
2.如权力要求I所述微型半球谐振子的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: 第一步，对高阻硅片进行清洗、涂胶、光刻、显影，ICP刻蚀、去胶得到具有深度为20 μ m-50 μ m电极槽(2)的娃体(I)； 第二步，沉积可导电的多晶硅；然后涂胶、光刻、显影、刻蚀多晶硅、去胶得到初期电极(3)； 第三步，在硅体(I)正面沉积二氧化硅；然后对二氧化硅图形化，形成二氧化硅掩膜(4);以二氧化硅掩膜(4)作为掩膜，进行各向同性干法刻蚀、去胶，得到半球谐振子空腔(5)和电极(6)，所述电极(6)包括驱动电极(12)和敏感电极(13); 第四步，去除二氧化硅掩膜(4)，在硅体(I)背面进行涂胶、光刻、显影、ICP刻蚀得到支撑体空腔(7)； 第五步，对硅体(I)正反两面沉积二氧化硅，得到厚度为500nm-2000nm的二氧化硅绝缘层(8); 第六步，对硅体(I)正反两面沉积可导电厚度为500nm-2000nm的多晶硅，得到半球谐振子(9 )、支撑体(10 )和信号加载电极(11); 第七步，对硅体(I)正面进行减薄抛光，去除多余多晶硅，然后气态HF刻蚀二氧化硅，得到可动的半球谐振子(9)，形成微型半球谐振陀螺器件。
全文摘要
本发明公开了一种微型半球谐振陀螺及其制备方法，属于微/纳加工制造领域。制备时，首先ICP刻蚀高阻硅片得到硅体1；沉积多晶硅并刻蚀得到初期电极3；正面沉积二氧化硅，图形化形成二氧化硅掩膜4；刻蚀得到半球谐振子空腔5和电极6；去除二氧化硅掩膜4，背面ICP刻蚀得到支撑体空腔7；正反两面沉积二氧化硅绝缘层8；正反两面沉积多晶硅，得到半球谐振子9、支撑体10和信号加载电极11；正面减薄抛光，去除多余多晶硅，刻蚀二氧化硅，得到可动的半球谐振子9。本发明的有益效果加工支撑体空腔，并沉积二氧化硅和多晶硅，易于控制支撑体的支撑面的大小；利用加工电极槽沉积填充可导电的多晶硅，克服了驱动电极和敏感电极工作面积过小的缺点。
文档编号G01C25/00GK103115616SQ20131002214
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者谢建兵, 郝永存, 常洪龙, 申强, 苑伟政 申请人:西北工业大学