[发明专利]一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法

说明书

本发明公开了一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法，陀螺仪包括键合连接的SOI结构和玻璃盖帽，SOI结构自上而下分别是硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；硅器件层的中心区域为圆形锚点，圆形锚点外围同心设有圆环凹槽结构，圆环凹槽结构外围均匀分布有光学结构，每个光学结构外面设有相应的电极焊盘；硅衬底层内打有若干背部通孔；二氧化硅绝缘层设有圆环形凹槽使得圆环凹槽和背部通孔联通；玻璃盖帽的腔体设在玻璃盖帽背面中间区域，玻璃盖帽上与纳米光栅相对位置设有底部不打通的光栅圆孔，与电极焊盘相对位置设有底部完全打通的电极圆孔。本发明尺寸小、密封性良好、灵敏度高，能实现高精度的光学检测。

技术领域

本发明涉及微机电和光波导领域，具体涉及一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法。

背景技术

盘式谐振陀螺仪是基于哥氏效应的一种结构高度对称的振动陀螺，通过敏感模态和检测模态之间的切换，来实现角度的测量。光波导技术是一门新兴的技术，具有很高的检测精度。将盘式谐振陀螺仪与光波导技术结合到一起，使得陀螺具有很高的测量精度、超强的稳定性和可靠性、较低的能量损耗、以及强抗电磁和原子辐射干扰。盘式陀螺仪的预期寿命长，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，美国加州大学伯克利分校的Tsanh-Hung Su等人在其论文中提出了一种基于111晶向硅制作的盘式谐振陀螺仪，其直径为2mm，厚度达到35um，在78kHz的振动频率下品质因数达到2800，实现了55uV/°/s的高灵敏度。

基于光波导技术的盘式谐振陀螺仪是新兴的一种陀螺仪，在其发展过程中，一个难点就是如何将光波导技术同MEMS陀螺仪融合起来。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、德国等，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。主要的技术不足在于，纳米级光学结构极其敏感，加工误差会导致测量偏差较大；对光波导基础理论的研究仍处于初期阶段，复杂的波导模型很难建立精确的数学模型；同时，关于光学检测技术和MEMS技术的结合的研究仍然较少。基于这种情况，我们提出了基于光波导技术的盘式谐振陀螺仪，具有较高的研究价值。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，本发明提供一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪及其加工封装方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下方法：

一种基于光波导的盘式谐振陀螺仪，包括SOI结构和玻璃盖帽，SOI结构自上而下分别是硅器件层、二氧化硅绝缘层和硅衬底层；

硅器件层包括圆形锚点、第一圆环凹槽结构、光学结构、电极焊盘和第一金属键合区，其中，圆形锚点设在中心区域，第一圆环凹槽结构呈同心圆设在圆形锚点外围，光学结构均匀分布在第一圆环凹槽结构外围，电极焊盘与光学结构一一对应，并设在光学结构外面远离圆形锚点的位置，第一金属键合区设在硅器件层的外围；

硅衬底层内打有若干背部通孔；

二氧化硅绝缘层设有与硅器件层上的第一圆环凹槽结构相对应的第二圆环凹槽结构，第二圆环凹槽结构使硅器件层上的第一圆环凹槽结构与硅衬底层的背部通孔连通；

玻璃盖帽包括腔体、光栅圆孔、电极圆孔和第二金属键合区，腔体设在玻璃盖帽背面中间区域，罩在硅器件层的第一圆环凹槽和光学结构上方；玻璃盖帽上与纳米光栅相对位置设有底部不打通的光栅圆孔，与电极焊盘相对位置设有底部完全打通的电极圆孔；第二金属键合区设在玻璃盖帽的外围；

SOI结构和玻璃盖帽通过第一金属键合区和第二金属键合区键合连接。

可选的，圆环凹槽结构包括多环圆环凹槽，每一环包括多个圆环凹槽，同一环中相邻两个圆环凹槽之间通过连接辐条连接，相邻的一对圆环凹槽之间共设有八个连接辐条，每两个连接辐条相差角度为45°；相邻两对圆环凹槽之间的连接辐条角度有22.5°偏转。