[发明专利]一种整体式微半球谐振陀螺仪及其加工封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电和惯性导航领域，具体涉及一种整体式微半球谐振陀螺仪及其加工封装方法。

背景技术

半球谐振陀螺仪是一种利用半球壳唇缘的径向振动驻波进动效应来感测基座旋转的一种哥式振动陀螺，具有很高的测量精度、超强的稳定性和可靠性、良好的抗冲击振动性及温度性能，还特别具有独特的关机抗辐射能力。半球谐振陀螺仪的预期寿命高达15年，是接连惯性导航系统中的关键部件，拥有十分广阔的发展前景。

2014年，美国加州大学欧文分校的DorukSenkal等人在其论文中介绍了一种由吹泡法制作的酒杯式谐振陀螺仪，其品质因数高达一百万，中心谐振频率105kHz，但其半球壳的直径高达7mm，尺寸过大。相比之下，美国佐治亚理工学院的Peng Shao等人利用3D-HARPPS工艺制作出的半球壳，其直径在1200μm左右，尺寸大幅度减小，品质因数超过四万。

半球谐振陀螺仪是二十世纪六十年代出现的一种陀螺仪，至今已有五十多年的发展历史，在其发展过程中，一个重要的制约因素就是半球壳谐振子的成型问题。通过查阅文献，目前能够制作出高性能成品的国家主要有美国、德国和俄罗斯，其他国家的研究仍处于初期阶段，制造出的大都是中低端产品。在市面上，半球壳谐振子主要是由石英或者玻璃制作而成，其释放工艺很难把握，需要选择合适的反应条件、释放工艺和时间才能形成均匀的半球壳，否则制成的陀螺仪的性能会因谐振子的表面粗糙度过大而降低。此外，利用硅材料做成的性能优良的半球壳谐振子还十分的少见。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，本发明目的提供一种整体式微半球谐振陀螺仪，本发明的另一目的是提供该整体式微半球谐振陀螺仪的加工封装方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种整体式微半球谐振陀螺仪，包括半球壳谐振子、支撑柄、上层玻璃衬底、下层玻璃衬底、中间硅衬底、外围锚点结构、电极、第一电极孔、焊盘、金属掩膜层、金属引线和第二电极孔；所述的上层玻璃衬底、中间硅衬底和下层玻璃衬底自上而下依次设置，外围锚点结构设在中间硅衬底的外周；中间硅衬底的中间部分为中空腔体，半球壳谐振子设置在中空腔体的中心部分；中间硅衬底上沿半球壳谐振子外周均匀设有十六个电极；上层玻璃衬底与半球壳谐振子位置对应处设有圆形凹槽，上层玻璃衬底上设有与十六个电极位置对应的十六个第一电极孔，每个第一电极孔分别与对应的电极相接；每个第一电极孔上均设有焊盘，焊盘通过第一电极孔与电极相接；金属掩膜层设在半球壳谐振子正下方的中间硅衬底上，半球壳谐振子底部通过支撑柄键合在金属掩膜层上；第二电极孔设在下层玻璃衬底中心位置，金属掩膜层底端通过金属引线与第二电极孔相连。

所述中间硅衬底是由两块硅片直接键合而形成，能使两片硅片中间可以埋入金属掩膜层，作为DRIE的自停止层。

所述焊盘为圆形焊盘，每个圆形焊盘分别与对应的第一电极孔顶端相连，能为电极提供基准电压。

所述第一电极孔和第二电极孔内壁均沉积有Cr和Au的金属导电层，能通过外界施加电压，将其传导至结构内部。

优选，所述半球壳谐振子的直径为1000～1200μm，厚度为3～5μm。

优选，所述半球壳谐振子外壁和电极的间隙为10～20μm。

整体式微半球谐振陀螺仪的整体尺寸为2500μm×2500μm×1200μm。

上述整体式微半球谐振陀螺仪的加工封装方法，包括以下步骤：

1)形成键合区、电极孔和焊盘：

在上层玻璃衬底正面涂光刻胶，光刻并各向异性湿法刻蚀，形成焊盘槽，清洗后方向性湿法刻蚀，形成第一电极孔，在上层玻璃衬底底面光刻并湿法刻蚀，形成圆形凹槽；在下层玻璃衬底正面涂光刻胶，光刻并湿法刻蚀，形成第二电极孔；

在上、下层玻璃衬底上涂光刻胶、光刻、曝光、显影、湿法刻蚀、溅射铬和金，形成键合区、焊盘和第一电极孔和第二电极孔内的金属导电层；

2)形成中间硅衬底和金属掩膜层：

清洗第一片硅片，在中心区域溅射一层金属Cr，作为金属掩膜层，清洗第二片硅片，将两片硅片进行直接键合，形成中间硅衬底，其中第一片硅片表面的金属Cr埋在键合后的硅衬底当中；

3)形成半球壳谐振子、支撑柄、电极、金属引线和外围锚点结构：