專利名稱：微型半球諧振陀螺及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種微型半球諧振陀螺及其制備方法，屬于微/納加工制造領域。
背景技術：
隨著科學技術的發展和社會的進步，消費電子、汽車產品和制導武器等對微機械陀螺的精度和可靠性等要求進一步提高，推動新結構和新原理的微機械陀螺不斷產生，其中微型半球諧振陀螺具有高精度、高可靠性和長壽命等優點，成為近年開始研究的新型陀螺之一。參閱圖3，現有的微型半球諧振陀螺，包括位于絕緣層8上的硅體1，所述硅體I上有半球諧振子空腔5 ;殼狀的半球諧振子9通過內環支撐體14和外環支撐體15懸置于硅體I上，且所述半球諧振子9與硅體I上的半球諧振子空腔5同心；半球諧振子9與內環支撐體14的材料均為導電性良好的多晶硅，外環支撐體15的材料為二氧化硅，且半球諧振子
9、內環支撐體14、信號加載電極11與硅體I之間通過絕緣層8、外環支撐體15電絕緣；半球諧振子9電信號通過內環支撐體14與置于絕緣層8下方的信號加載電極11連通；娃體I端面沿半球諧振子空腔5的圓周均布有多個驅動電極12和敏感電極13 ;所述外環支撐體15為二氧化硅濕法腐蝕形成的支撐結構；所述驅動電極12和敏感電極13為摻雜形成P/N結而得到的電極。微型半球諧振陀螺制備方法中工藝流程決定著微型半球諧振陀螺器件的加工的難易程度以及器件性能的好壞，因此工藝流程的設計是獲得良好性能的微型半球諧振陀螺的關鍵。微型半球諧振陀螺制備過程中，半球諧振子及其支撐體的加工以及增大驅動電極和敏感電極的工作面積，是 面臨的主要挑戰。美國喬治亞理工學院L.D.Sorenson.等人在其論文"3-D MICROMACHINED HEMISPHERICAL SHELL RESONATORS WITH INTEGRATEDCAPACITIVE TRANSDUCERS"中提出一種微型半球諧振陀螺制備方法:取N型硅片做硅體，然后通過摻雜獲得P/N結，并獲得驅動電極和敏感電極；然后各向異性干法刻蝕形成半球諧振子空腔，進行沉積氮化硅；然后硅體背面進行各向異性濕法刻蝕，并將氮化硅氧化后沉積多晶硅；最后去除二氧化硅得到可動的半球諧振子。這種半球諧振子的支撐面是由外環支撐體的支撐面決定的，而外環支撐面大小是由濕法刻蝕時間、溶液濃度、攪拌速度等決定的，因此加工時支撐面的大小難控制，既可能釋放不充分，使支撐面過大，又可能釋放過度，造成支撐面過小，兩者都嚴重影響器件的工作性能；同時驅動電極和敏感電極的工作面大小與摻雜深度有關，由于摻雜工藝的限制，無法獲得較大的工作面積，也存在驅動力過小和敏感信號檢測困難的缺點。
發明內容
為克服現有加工技術中半球諧振子支撐體的支撐面大小不可控和驅動電極、敏感電極工作面積過小的不足，本發明提出改進支撐體結構和加工方法，并采用沉積導電多晶硅獲得驅動電極和敏感電極制備微型半球諧振陀螺的方法。本發明提出的微型半球諧振陀螺，包括位于絕緣層8上的硅體1，所述硅體I上有半球諧振子空腔5 ;殼狀的半球諧振子9通過支撐體10懸置于硅體I上，且所述半球諧振子9與硅體I上的半球諧振子空腔5同心；半球諧振子9與支撐體10材料均為導電性良好的多晶硅，且支撐體10與硅體I之間通過絕緣層8電絕緣；半球諧振子9電信號通過支撐體10與置于絕緣層8下方的信號加載電極11連通；硅體I端面沿半球諧振子空腔5的圓周均布有多個驅動電極12和敏感電極13。其特征在于:所述支撐體10為沉積多晶硅形成的扇形環結構；所述驅動電極12和敏感電極13為在硅體I表面沉積和電極槽2內沉積填充多晶硅，對多晶硅圖形化后形成具有一定深度的電極。所述微型半球諧振子的制備方法，包括如下步驟:第一步，參閱圖1 (a)，對高阻硅片進行清洗、涂膠、光刻、顯影，ICP刻蝕、去膠得到具有深度為20 μ m-50 μ m電極槽2的硅體I ;第二步，參閱圖1 (b)，沉積可導電的多晶硅；然后涂膠、光刻、顯影、刻蝕多晶硅、去膠得到初期電極3 ；第三步，參閱圖1 (C)，在硅體I正面沉積二氧化硅；然后對二氧化硅圖形化，形成二氧化硅掩膜4 ；以二氧化硅掩膜4作為掩膜，進行各向同性干法刻蝕、去膠，得到半球諧振子空腔5和電極6,所述電極6包括驅動電極12和敏感電極13。第四步，參閱圖1 (d)，去除二氧化硅掩膜4，在硅體I背面進行涂膠、光刻、顯影、ICP刻蝕得到支撐體空腔7。第五步，參閱圖1(e)，對硅體I正反兩面沉積二氧化硅，得到厚度為500nm-2000nm
的二氧化硅絕緣層8。第六步，參閱圖1(f)，對硅體I正反兩面沉積可導電厚度為500nm-2000nm的多晶硅，得到半球諧振子9、支撐體10和信號加載電極11。第七步，參閱圖1 (g)，對硅體I正面進行減薄拋光，去除多余多晶硅，然后氣態HF刻蝕二氧化硅，得到可動的半球諧振子9，形成微型半球諧振陀螺器件。本發明的有益效果是:加工支撐體空腔，并沉積二氧化硅和可導電的多晶硅，易于控制支撐體的支撐面的大小；利用加工電極槽沉積填充可導電的多晶硅，克服了驅動電極和敏感電極工作面積過小的缺點。
圖1是實施例中微型半球諧振陀螺的制備方法示意圖。圖2是實施例中制備出的微型半球諧振陀螺剖視圖。圖3是現有技術中微型半球諧振陀螺剖視圖。圖中，1-硅體，2-電極槽，3-初期電極，4-二氧化硅掩膜，5-半球諧振子空腔，6-電極，7-支撐體空腔，8-絕緣層，9-半球諧振子，10-支撐體，11-信號加載電極，12-驅動電極，13-敏感電極，14-內環支撐體，15-外環支撐體。
具體實施例方式本實施例中給出了一種如圖2所示的微型半球諧振陀螺，該陀螺包括位于絕緣層8上的硅體1，所述硅體I上有半球諧振子空腔5 ;殼狀的半球諧振子9通過支撐體10懸置于硅體I上，且所述半球諧振子9與硅體I上的半球諧振子空腔5同心；半球諧振子9與支撐體10材料均為導電性良好的多晶硅，且支撐體10與硅體I之間通過絕緣層8電絕緣；半球諧振子9電信號通過支撐體10與置于絕緣層8下方的信號加載電極11連通；硅體I端面沿半球諧振子空腔5的圓周均布有四組驅動電極12和四組敏感電極13。其特征在于:所述支撐體10為沉積多晶硅形成的扇形環結構；所述驅動電極12和敏感電極13為在硅體I表面沉積和電極槽2內沉積填充多晶硅，并圖形化后形成具有一定深度的電極，本實施例中的電極厚度為2 μ m。所述微型半球諧振子的制備方法，包括如下步驟:第一步，參閱圖1 (a)，對高阻硅片進行清洗、涂膠、光刻、顯影，ICP刻蝕、去膠得到具有深度為20 μ m電極槽2的硅體I ;第二步，參閱圖1 (b)，沉積可導電厚度為2μπι的多晶硅；然后涂膠、光刻、顯影、刻蝕多晶硅、去膠得到初期電極3 ；第三步，參閱圖1 (C)，在硅體I正面沉積二氧化硅；然后涂膠、光刻顯影，并腐蝕二氧化硅、去膠，得到具有圓形窗口的二氧化硅，形成二氧化硅掩膜4 ；以二氧化硅掩膜4作為掩膜，進行各向同性干法刻蝕、去膠，得到半球諧振子空腔5和電極6，所述電極6包括驅動電極12和敏感電極13。第四步，參閱圖1 (d)，去除二氧化硅掩膜4，在硅體I背面進行涂膠、光刻、顯影、ICP刻蝕得到支撐體空腔7。第五步，參閱圖1 (e)，對硅體I正反兩面沉積二氧化硅，得到厚度為IOOOnm的二
氧化硅絕緣層8。第六步，參閱圖1 (f)，對硅體I正反兩面沉積可導電厚度為IOOOnm的多晶硅，得到半球諧振子9、支撐體10和信號加載電極11。第七步，參閱圖1 (g)，對硅體I正面進行減薄拋光，去除多余多晶硅，然后氣態HF刻蝕二氧化硅，得到可動的半球諧振子9，形成微型半球諧振陀螺器件。
權利要求
1.微型半球諧振陀螺，包括位于絕緣層(8)上的硅體(I)，所述硅體(I)上有半球諧振子空腔(5);殼狀的半球諧振子(9)通過支撐體(10)懸置于硅體(I)上，且所述半球諧振子(9)與硅體(I)上的半球諧振子空腔(5)同心；半球諧振子(9)與支撐體(10)材料均為導電性良好的多晶硅，且支撐體(10)與硅體(I)之間通過絕緣層(8)電絕緣；半球諧振子(9)電信號通過支撐體(10)與置于絕緣層(8)下方的信號加載電極(11)連通；硅體(I)端面沿半球諧振子空腔(5)的圓周均布有多個驅動電極(12)和敏感電極(13)，其特征在于:所述支撐體(10)為沉積多晶硅形成的扇形環結構；所述驅動電極(12)和敏感電極(13)為在硅體(I)表面沉積和電極槽(2)內沉積填充多晶硅，對多晶硅圖形化后形成具有一定深度的電極。
2.如權力要求I所述微型半球諧振子的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: 第一步，對高阻硅片進行清洗、涂膠、光刻、顯影，ICP刻蝕、去膠得到具有深度為20 μ m-50 μ m電極槽(2)的娃體(I)； 第二步，沉積可導電的多晶硅；然后涂膠、光刻、顯影、刻蝕多晶硅、去膠得到初期電極(3)； 第三步，在硅體(I)正面沉積二氧化硅；然后對二氧化硅圖形化，形成二氧化硅掩膜(4);以二氧化硅掩膜(4)作為掩膜，進行各向同性干法刻蝕、去膠，得到半球諧振子空腔(5)和電極(6)，所述電極(6)包括驅動電極(12)和敏感電極(13); 第四步，去除二氧化硅掩膜(4)，在硅體(I)背面進行涂膠、光刻、顯影、ICP刻蝕得到支撐體空腔(7)； 第五步，對硅體(I)正反兩面沉積二氧化硅，得到厚度為500nm-2000nm的二氧化硅絕緣層(8); 第六步，對硅體(I)正反兩面沉積可導電厚度為500nm-2000nm的多晶硅，得到半球諧振子(9 )、支撐體(10 )和信號加載電極(11); 第七步，對硅體(I)正面進行減薄拋光，去除多余多晶硅，然后氣態HF刻蝕二氧化硅，得到可動的半球諧振子(9)，形成微型半球諧振陀螺器件。
全文摘要
本發明公開了一種微型半球諧振陀螺及其制備方法，屬于微/納加工制造領域。制備時，首先ICP刻蝕高阻硅片得到硅體1；沉積多晶硅并刻蝕得到初期電極3；正面沉積二氧化硅，圖形化形成二氧化硅掩膜4；刻蝕得到半球諧振子空腔5和電極6；去除二氧化硅掩膜4，背面ICP刻蝕得到支撐體空腔7；正反兩面沉積二氧化硅絕緣層8；正反兩面沉積多晶硅，得到半球諧振子9、支撐體10和信號加載電極11；正面減薄拋光，去除多余多晶硅，刻蝕二氧化硅，得到可動的半球諧振子9。本發明的有益效果加工支撐體空腔，并沉積二氧化硅和多晶硅，易于控制支撐體的支撐面的大小；利用加工電極槽沉積填充可導電的多晶硅，克服了驅動電極和敏感電極工作面積過小的缺點。
文檔編號G01C25/00GK103115616SQ20131002214
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月21日 優先權日2013年1月21日
發明者謝建兵, 郝永存, 常洪龍, 申強, 苑偉政 申請人:西北工業大學