[发明专利]一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及制造方法

说明书

本发明公开了一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及其制造方法，即将一个硅片作为基底构成硅基底，硅片上表面刻蚀一个圆柱形腔体及腔体圆心处的中心支柱，该中心支柱与半球谐振子中心相连，形成悬空结构；同时，在硅片上表面的圆柱形腔体外围，并围绕半球谐振子均匀布置八个平板式电极，该八个平板式电极由四个驱动电极和四个检测电极组成，所有驱动电极、检测电极与半球谐振子不接触，存在相同的间隙，且驱动电极和检测电极依次间隔分布。本发明制作的玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，结构简单、表面应力低与高对称性等优点使其具有较稳定的性能与更广泛的应用范围。

技术领域

本发明属于微机电系统MEMS中的微惯性传感器技术领域，特别是一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及制造方法。

背景技术

随着国防科技和民用工业的发展，陀螺仪已成为姿态控制和导航定位等领域非常重要的惯性器件。其中，半球谐振陀螺仪因其具有精确的比例因子、令人满意的随机漂移及偏置稳定性，且对外界环境(加速度、振动、温度等)不敏感等特点，被公认为目前性能最好的陀螺产品之一。半球谐振陀螺的精度甚至高于光纤陀螺和激光陀螺，还有分辨率高、测量范围宽、抗过载、抗辐射、抗干扰等优点。该陀螺仪的加工成型，已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。

受到性能久经考验的宏观半球谐振陀螺的启发,应用于时钟及惯性检测的3-DMEMS酒杯式半球谐振陀螺结构已成为近年研究的热点。随着3-D精密加工技术的出现,成批生产这种酒杯式半球谐振陀螺结构已成为可能。由于酒杯式结构在对称性、能量损耗小以及隔离外界振动等方面具有比较明显的优势，这种结构形式很可能成为新一代具有良好动力学性能的MEMS器件。然而，相比于宏观加工工艺，微加工工艺更适合制造扁平且相对误差较低(10^-2～10^-4量级)的结构。成型不一致性、对准误差、较高的表面粗糙度和沉积薄膜的间隔尺寸等，是目前MEMS制造工艺中，阻碍实现高精度半球谐振陀螺工艺的主要因素。因此，利用微加工工艺制造圆片级的光滑、对称且具有高深宽比的3-D半球谐振式陀螺结构依然是一个技术难题。

目前，国内外现有的半球谐振式陀螺的制备技术主要分为两大类，第一类为薄膜生长方式。中国专利“半球谐振式微机械陀螺仪及其加工工艺”(专利申请号：201210231285.0)及中国专利“微型半球谐振陀螺及其制备方法”(专利申请号：201310022146.1)等，都采用薄膜生长技术制造半球谐振陀螺，其特点是：在硅表面沉积二氧化硅薄膜，各向同性干法刻蚀得到半球球壳，谐振层采用多晶硅或二氧化硅或氮化硅或金刚石材质。这种薄膜生长的方式存在应力大、表面粗糙度大和成品率低等缺点。

第二类制备技术为玻璃吹制/抽气的方式。这种技术的优势在于主要采用表面微加工工艺，成本较低，可实现批量生产；在刻蚀玻璃方面，各向同性刻蚀方法将导致谐振子与电极间距过宽，而各向异性刻蚀玻璃的方法只能使用干法等离子体刻蚀。但是，干法刻蚀玻璃工艺受制于刻蚀深度、表面粗糙度及较低的深宽比。这是使用玻璃材料目前还无法解决的技术问题。

目前，中国专利“上下贯通支撑的半球谐振微陀螺”(专利申请号：201410390495.3)及中国专利“上下贯通支撑的玻璃金属半球谐振微陀螺”(专利申请号：201410390485.X)采用玻璃或玻璃金属抽气技术制造半球谐振体，再利用成型的半球谐振体与顶部支柱键合，形成半球谐振陀螺整体结构。中国专利“一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺及其制备方法”(申请号：201410390482.6)及中国专利“环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺”(申请号：201410390473.7)也提出了玻璃金属/玻璃吹制的方式制造半球谐振陀螺。但此类技术存在对设备要求高，表面应力大，成品率低，电极一致性不高，且难以保证对称性等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面应力低、电极一致性高、对称性高、工艺简单易行、成品率高的半球谐振陀螺及其基于硼硅酸盐玻璃高温退火吹制的制造方法。