[发明专利]一种平面化圆片级熔融石英MEMS陀螺仪的制作方法

权利要求书

1.一种平面化圆片级熔融石英MEMS陀螺仪的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，确定加工环境，加工环境要求满足以下要求：

1.1)符合恒温恒湿实验室ISO、GB标准；

1.2)要求房间天花板完全用尘埃过滤器覆盖，空气由上往下吹，使得制作过程中或工作人员产生的尘埃快速排出室外；

第二步，搭建飞秒激光改性的装置；飞秒激光器改性装置以摆放待改性石英片(17)的飞秒改性平台的工作台所在平面为X-Y平面，以垂直于待改性石英片的方向为Z方向；飞秒激光改性装置由激光器(7)、衰减片(8)、扩束镜(9)、分束镜(10)、功率计(11)、计算机(12)、光束整形器(13)、反射镜(14)、扫描振镜(15)、场镜(16)组成；激光器(7)发出的激光通过衰减片(8)调节光强大小后经过扩束镜(9)后被分束镜(10)分成两路，一路到达功率计(11)后被检测，结果输出给计算机(12)，计算机(12)通过分析该结果对激光器的功率进行闭环控制，另一路光经过光束整形器(13)整形成平顶分布能量，后经反射镜(14)依次通过扫描振镜(15)、场镜(16)聚焦在待改性石英片(17)上；

激光器(7)生成激光；衰减片(8)安装在激光器(7)与扩束镜(9)之间，要求与光路对准，调节激光器(7)生成的红外激光的能量大小；扩束镜(9)安装在衰减片(8)与分束镜(10)之间，用于改变从衰减片(8)接收的激光的光束直径和发散角；分束镜(10)安装在扩束镜(9)和光束整形器(13)之间光路的中间位置，用于将从扩束镜(9)传来的一束单一波长的激光分成两路，一路发送给功率计(11)，另一路发送给光束整形器(13)参与石英片(17)改性加工；功率计(11)安装在能够接收分束镜传来激光的位置，用于测试从分束镜(10)传来的脉冲激光在某一段时间的平均功率；计算机(12)内置数据采集卡，安装有闭环调节程序；采集卡通过数据线与功率计(11)相连，采集功率计(11)测试的功率结果，闭环调节程序将测试结果换算为激光能量密度，对激光器功率进行闭环控制；光束整形器(13)安装在分束镜(10)与反射镜(14)之间光路中激光束束腰的位置，用于调制从分束镜(10)传来的激光光束能量分布，将高斯分布的激光能量调制为平顶分布，匀化能量分布，同时削弱重复定位精度对加工效果带来的影响；反射镜(14)安装在与光路方向成45°的位置，用于对光束整形器(13)调制完的激光进行光路内部折叠光路；扫描振镜(15)安装在反射镜(14)发送来的光路上，与Z轴平行且使得光路恰好能通过扫描振镜(15)，用于控制聚焦到待改性石英片(17)上的激光光斑扫描的待改性路径；场镜(16)安装在扫描振镜(15)和放置待改性石英片(17)之间的光路上，且要求与光路对齐，用于使从扫描振镜(15)传来的激光束在整个加工的平面内形成均匀大小的聚焦光斑，将聚焦光斑聚焦在待改性石英片(17)上；

第三步，制作甲片石英片；方法是：

3.1取一片石英片，将其命名为甲片；将甲片在丙酮溶液中用兆声波清洗，随后在去离子水中清洗后烘干；

3.2在甲片的一面用磁控溅射的方式镀上金属镍作为掩膜，掩膜表面用匀胶设备涂敷光刻胶，使用光刻机在光刻胶表面做出电极的凸台图形，随后整片用氢氟酸溶液进行湿法腐蚀，使得掩膜表面出现电极的带凸台结构，并将出现电极的凸台结构的这一面命名为甲片的正面；

3.3在甲片的正面用磁控溅射的方法镀上一层金膜，正面光刻套刻出电极层的图案，湿法腐蚀，得到带电极的石英片；在甲片上没有电极的4个边缘位置刻上标记(1)，用于甲片和乙片的键合时候的对准，要求4个标记的位置左边2个和右边两个对称，上面两个和下面两个对称；

第四步，制作乙片石英片，方法是：

4.1取另一片和甲片同样厚度的石英片，将其命名为乙片；将乙片在丙酮溶液中用兆声波清洗，随后在去离子水中清洗后烘干；

4.2将乙片放在飞秒激光改性的装置飞秒改性平台的工作台上，使用第一步搭建的飞秒激光改性的装置沿着N个平面式陀螺样机的形状轨迹对乙片朝上的一面进行飞秒激光改性，并且将这一面称为乙片的正面，N＞1，方法是：

4.2.1激光器(7)对待改性的乙片发射激光；

4.2.2衰减片(8)调节激光器(7)发出的激光的能量大小；

4.2.3扩束镜(9)改变从衰减片(8)接收的激光的光束直径和发散角；

4.2.4分束镜(10)将从扩束镜(9)接收的激光分成两路，一路发送给功率计(11)，另一路发送给光束整形器(13)；功率计(11)和计算机(12)按步骤4.2.5对一路光进行处理；同时光束整形器(13)、反射镜(14)、扫描振镜(15)、场镜(16)按步骤4.2.6～4.2.9对另一路光进行处理；

4.2.5功率计(11)测试从分束镜(10)传来的脉冲激光在某一段时间的平均功率，将平均功率发送给计算机(12)；计算机(12)内的数据采集卡采集功率计(11)测试的功率结果，计算机(12)中的闭环调节程序，将采集到的功率结果换算为激光能量密度，计算机(12)的闭环调节程序发送控制信号给激光器(7)，控制激光器(7)发出的激光能量密度ρ的大小，若换算得到的激光能量密度与ρ的偏差大于等于ρ的0.1％，闭环调节程序对激光器(7)发送控制信号，调节激光器(7)的输出功率，直到计算机(12)采集到的功率换算后的能量密度与初始的偏差小于0.1％；所述ρ满足8J/cm²≤ρ≤12J/cm²；

4.2.6光束整形器(13)对从分束镜(10)收到的另一路光的进行调制，将能量分布由中间高两边低的高斯型分布整形成全部一致的平顶型分布；

4.2.7反射镜(14)对从光束整形器(13)传来的调制完的激光进行光路内部折叠光路并将光路传输到扫描振镜(15)方向上；

4.2.8扫描振镜(15)在X-Y平面控制从反射镜(14)反射过来的激光束的偏转，并控制聚焦到乙片上的激光光斑扫描的待改性路径，扫描振镜(15)一方面控制聚焦的激光光斑在X-Y平面内的移动，另一方面控制聚焦的激光光斑在Z轴方向上从乙片正面表面开始将激光的焦点在加工中一层一层的下移，每3微米为一层，从而完成对乙片表面释放路径的改性，得到改性后乙片；

4.2.9场镜(16)使从扫描振镜(15)传来的激光束在整个加工的平面内形成均匀大小的聚焦光斑，将聚焦光斑聚焦在乙片上，得到经过飞秒激光改性的乙片；

4.3将经过飞秒激光改性的乙片进行深度清洗，方法是：

4.3.1将乙片放入离子水的循环清洗机台操作位，经流水清洗后取出；

4.3.2将乙片投入丙酮溶液中，在兆声清洗设备中兆声清洗后取出；

4.3.3将乙片泡入双氧水与浓硫酸的清洗溶液中，并加热至150℃，清洗后取出；

4.3.4重新在去离子水的循环清洗机台中清洗后用氮气吹淋枪吹干水滴，并在烘箱中烘干；

4.3.5在超景深光学显微镜下检查乙片表面是否还有未洗干净的微小颗粒，筛选出表面存在划痕的位置，通过划片的方式做上标记以表示是残次件；如果有未洗干净的部分则转4.3.1，否则转4.4；

4.4将清洗干净的乙片放在石英的坩埚中，做退火处理；

4.5在乙片的反面做上的金属电极结构，方法是：

4.5.1取乙片在丙酮溶液中用兆声波清洗，随后在去离子水中清洗后烘干；

4.5.2在乙片的反面用磁控溅射的方式镀上金属镍作为掩膜，掩膜表面用匀胶设备涂敷光刻胶，使用光刻机在光刻胶表面做出电极的凸台图形，随后整片用质量分数为10％的氢氟酸溶液进行湿法腐蚀，使得掩膜表面出现电极的带凸台结构；

4.5.3在乙片的反面用磁控溅射的方法镀上一层金膜，用光刻机套刻出电极层的图案，湿法腐蚀，得到带电极的乙石英片，并做上用于与甲片键合对准的4个标记(1)；

第五步，将乙片和甲片再进行一次深度清洗，将清洗后的乙片和甲片置于键合机内，根据乙片反面和甲片的正面对准标记(1)确定上下方位，随后进行键合；将键合后的甲乙石英片命名为丙片；

第六步，采用湿法将丙片腐蚀出陀螺仪谐振结构；方法是：

6.1取一片和甲片厚度相同，同样材料的石英片，采用飞秒激光在该石英片表面按步骤4.2方法进行改性处理，将改性处理后的石英片放置于刻蚀液中；每隔15分钟取出用超景深显微镜观察刻蚀的深度，从而标定刻蚀的速率，得到刻蚀整个石英片所需要的时间t；

6.2将丙片置于刻蚀液中，刻蚀时间长度为t，待平面式谐振结构以外的石英材料脱落后取出，将刻蚀后的丙片置于丙酮的溶液中封存，刻蚀后的丙片即为带电极的陀螺仪谐振结构；

第七步，整体后处理；将刻蚀后的丙片保持浸泡在丙酮溶液中的状态，连着容器放入超临界干燥仪，整体烘干后取出；采用飞秒激光将丙片划成一个个独立的MEMS谐振器件，筛选掉步骤4.3.5中做了标记的残次件；对剩下的谐振器件分别进行引线和高真空封装后得到一个个独立的平面化圆片级熔融石英MEMS陀螺仪。