[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

说明书

本发明公开一种平面化圆片级熔融石英MEMS陀螺仪的制作方法，目的是提高MEMS陀螺仪的精度。技术方案是确定加工环境；搭建飞秒激光改性的装置；制作甲片和乙片石英片，对乙片采用飞秒激光改性的装置进行飞秒激光改性、清洗、退火；将乙片和甲片清洗后进行键合，得到丙片；采用湿法将丙片腐蚀出陀螺仪谐振结构；将刻蚀后的丙片烘干后采用飞秒激光划成独立的MEMS谐振器件，筛选掉残次件，对剩下的谐振器件分别进行引线和高真空封装后得到平面化圆片级熔融石英MEMS陀螺仪。本发明将激光改性辅助湿法刻蚀的技术运用到熔融石英平面式MEMS陀螺的批量制作中，实现了品质因数的跨越式提升，极大简化了加工的流程，提高了整体的效率。

技术领域

本发明涉及一种平面化圆片级熔融石英MEMS陀螺仪的制作方法，具体涉及一种基于飞秒激光改性辅助湿法刻蚀工艺的平面化圆片级熔融石英MEMS陀螺仪的制作方法。

背景技术

陀螺仪是一种惯性传感器，用于测量运动载体相对于惯性空间转动的角速度或角位移，可以实现运动载体姿态的测量和对其运动轨迹的控制，广泛应用于无人平台、导航系统中。因此，陀螺仪的性能是决定惯导系统性能的关键因素之一。

MEMS振动陀螺仪广泛应用于导航、无人机、卫星等领域，由于未来应用场合的多样化和复杂化，对MEMS陀螺仪的综合性能也提出了更高的要求。目前，大部分MEMS陀螺仪都是利用科里奥利效应的振动陀螺仪，通常根据结构形式分为音叉式，振动环式和微半球式。国外报道的高性能MEMS陀螺主要有微半球谐振陀螺和嵌套环式MEMS振动陀螺等。其中，微半球谐振陀螺采用三维微加工制造技术，工艺难度大，而以嵌套环式MEMS振动陀螺为代表的一批平面化陀螺结构对称，沿用成熟的平面微加工技术，在可制造性和成本方面更具优势。

由于结构的对称性，平面化的陀螺仪通常具有相似的驱动和检测频率匹配的驱动模态和检测模态，并且对加工环境的鲁棒性高，受周围环境的干扰较小，例如随机振动和温度变化等，这使得平面化的陀螺有很高的性能潜质。目前，各国报道的高性能的平面MEMS陀螺仪的材料主要是单晶硅。单晶硅的平面微加工工艺比较成熟，可以制造出高深宽比的陀螺结构和亚微米级的电极间隙，但是单晶硅材料存在各向异性、易含杂质缺陷、热弹性阻尼大等制约因素，限制了其品质因数的提升，从而限制了其性能上限，难以满足MEMS陀螺未来发展的要求。而相比而言，石英材料具有良好的机械性能，极低的热膨胀系数、热导率和极小热弹性阻尼，是制造高性能振动式陀螺仪理想的选择之一，基于熔融石英材料的微半球陀螺研究成果验证了新材料对于提升陀螺精度的显著效果，但微半球结构的加工工艺与传统平面化MEMS工艺不能兼容，难以像现有MEMS陀螺产品一样实现圆片级制造和单片集成。与此同时新型的飞秒激光改性辅助湿法刻蚀技术使高品质因数的圆片级平面式石英谐振结构成为可能，能够将平面结构和石英材料的优势充分结合，大幅提高谐振子品质因数，进而提升MEMS陀螺仪的性能潜力。原来针对于单晶硅平面式MEMS陀螺仪的相关工艺对于熔融石英材料不能完全兼容，因此对于平面化圆片级石英MEMS陀螺的制作工艺亟需提出。平面化圆片级石英MEMS陀螺的研究很少，国际上以波音公司提出的干法刻蚀工艺为主，但是干法刻蚀对于设备的要求高，并且效率较低，制作的环节比较复杂，并且国外对我国实施该技术的封锁，因此平面化圆片级熔融石英MEMS陀螺整套制作工艺问题亟待解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对目前对高精度圆片级石英平面式MEMS陀螺仪的迫切需求，提供一种基于飞秒激光改性辅助湿法刻蚀工艺的平面化圆片级熔融石英MEMS陀螺仪的制作方法。本发明选用机械性能良好，热膨胀系数极低、热弹性阻尼极小的熔融石英材料替代传统单晶硅材料，平面结构和石英材料的优势充分结合，能够大幅提高谐振子品质因数，进而提升MEMS陀螺仪的性能潜力。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

第一步，确定加工环境，整套工艺的加工环境对温度和湿度以及空气的洁净度有严格的要求。具体要求为：

1.1)符合恒温恒湿实验室ISO、GB的相关标准。温度为25±0.1℃～±1℃，相对湿度为60±(1～2)％RH，风速0.25m/s。