微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于微機械加工技術領域，特別涉及一種用腐蝕的方法制備和加工微半球陀螺諧振子，具體是一種微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法。
【背景技術】
[0002]人類對半球諧振陀螺的研究已持續了超過50年了。半球諧振陀螺作為一種新型的慣性姿態測量單位的器件，具有很高的測量精度，超強的穩定性和可靠性，常用于空間飛行器、衛星、戰略武器等裝備中。世界上最早研制半球諧振陀螺的事美國Delco公司(后并A Northrop Grumman公司)，自1996年以來，它首次將半球諧振陀螺儀用于空間中之后，半球諧振陀螺(HRG)成為高價值任務的“優選傳感器”。俄羅斯的HRG在陀螺儀的設計、信號處理及系統設計上，其理論都是相當領先的。HRG俄羅斯拉明斯克儀器制造設計局早期研制直徑為0 90mm的半球諧振陀螺，又開發了直徑為0 50mm的半球諧振陀螺。俄羅斯SIE Medicon研究直徑為0 30mm的半球諧振陀螺。半球諧振陀螺儀技術從長遠來看，未來的陀螺技術將以HRG和微機電系統(MEMS)為主向微型化方向發展，并作為航天任務和制導系統的首選陀螺。
[0003]近年來，隨著微加工技術的不斷發展，人類利用MEMS技術也生產出了體積更小，質量更輕，成本更低，易于批量生產的半球諧振陀螺。法國現在研發的諧振子20mm的半球諧振陀螺，美國Northrop Grumman公司于2012年推出了微型半球諧振陀螺儀，并開始了超微型半球諧振陀螺儀的研究。MEMS技術制造的半球諧振陀螺儀正在飛速發展，而半球諧振陀螺儀的核心是半球陀螺諧振子，如何在保證陀螺儀品質的情況下，用MEMS技術制備出結構更合理的諧振子成為現在面臨的問題。為此，美國加州大學歐文分校的A.M.Shkel等在文章 “ΤΙΤΑΝΙΑ SILICATE/FUSED QUARTZ GLASSBLOWING FOR 3-D FABRICAT1N OF LOWINTERNAL LOSS WINEGLASS MICRO-STRUCTURES”中給出了一種以石英為材料，利用高溫下石英在熔融狀態易被吹起的特性，制作出半球陀螺諧振子，并給出了利用Laser cut的方法將半球陀螺諧振子和硅表面分離。此制備方法的優點是正通過高溫下熔融石英在壓力差的作用下能被均勻的吹起，并且表面粗糙程度非常優秀，但不足之處在于首先利用Laser cut需要先將激光器與半球陀螺諧振子邊緣進行對準，這就對對準的精度要求非常高，如果沒有對準切割，半球陀螺的對稱性就沒有保證，這樣會直接影響到半球諧振陀螺的測量精度和壽命；其次，利用Laser cut切割出來的模型邊緣不規則，這也會導致半球諧振子的對稱性。
[0004]另外，微型半球諧振陀螺的諧振子制備完成后，還需要制備檢測電極和激勵電極，如何讓每個檢測電極、激勵電極同諧振子的距離都相等，并且盡可能同諧振子平行成為下一個需要解決的問題。為此，Sergei A.Zotov, Alexander A.Trusov 和 Andrei M.Shkel在文章 “Three-Dimens1nal Spherical Shell Resonator Gyroscope Fabricated Usingffafer-Scale Glassblowing”中給出了一種球形結構的諧振子制備方法，文章中提出了將激勵電極和檢測電極同諧振子同時吹起的制備方法。由于在相同條件下制備諧振子和電極，所以它們的形狀大小都應該是相同的。這種方法大大增加了諧振子和電極的對稱性，但它也有不足之處，首先由于吹出的諧振子接近空球殼，而傘型、Y型的諧振子相對其他形狀的諧振子擁有更高的品質因數Q ;其次，由于激勵電極和檢測電極都為近似球體，它們與諧振子之間的距離是不均勻的。這兩個問題對陀螺儀的精度是有影響的。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了克服上述現有技術中存在的問題，而提供一種微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法。此方法制備出來的半球陀螺諧振子，綜合了諧振子的“傘型”、“Y型”結構的高精度、激勵電極和檢測電極與諧振子接近平行的特點，有望在超微型半球陀螺諧振子制備技術中開創新的方向。
[0006]本發明是通過如下技術方案實現的:
一種傘型微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法，包括如下步驟:
1)選擇圓形硅片作為襯底并清洗硅襯底，并在硅襯底上表面上旋涂光刻膠，光刻形成后續深硅刻蝕工藝所用的第一掩膜；
2)采用深硅刻蝕工藝并通過第一掩膜在硅襯底上表面刻蝕形成環形凹槽結構、圓形凹槽結構和中心柱體結構，然后去除剩余的光刻膠即可:其中，環形凹槽結構緊鄰圓形硅片的周緣開設，圓形凹槽結構開設于環形凹槽結構之內，中心圓柱體結構位于圓形凹槽結構的中心處，環形凹槽、圓形凹槽和中心柱體位于同一軸線上，環形凹槽的槽深、圓形凹槽的槽深以及中心柱體的尚度相等；
3)清洗玻璃片和光刻后的硅襯底，將玻璃片置于硅襯底上表面上并進行硅-玻璃鍵合，環形凹槽和圓形凹槽與玻璃片之間分別形成密封的腔體；
4)將鍵合好的玻璃片進行玻璃面的減薄、研磨和拋光，減薄至80-90μπι ;
5 )在減薄的玻璃片表面依次濺射鉻層、銅層和金層(鉻層、銅層和金層共同形成玻璃片上的金屬層)，同時對對準標記進行保護；其中，鉻層厚度為50納米、銅層厚度為600納米、金層厚度為400納米；
6)在金屬層的表面上旋涂光刻膠，光刻形成后續離子束刻蝕工藝所用的第二掩膜；
7)采用離子束刻蝕工藝并通過第二掩膜在金屬層上刻蝕形成圓形金屬層片以及若干電極金屬層片，然后去除剩余光刻膠即可；其中，圓形金屬層片位于玻璃片的中部且完全覆蓋在硅襯底的圓形凹槽上，若干電極金屬層片均布于玻璃片的周緣緣邊且每個電極金屬層片橫跨其對應部位的環形凹槽的槽口；
8)將試樣放入快速退火爐中進行高溫處理，將溫度升至玻璃的軟化點，硅襯底上的環形凹槽腔體和圓形凹槽腔體內的氣體在內外壓力差的作用下會膨脹，從而將圓形凹槽上覆蓋的玻璃片及圓形金屬層片吹成近似空圓球形狀，將環形凹槽上覆蓋的玻璃片及若干電極金屬層片吹成近似拱門的形狀；
9)對所得的試樣用HF緩沖液腐蝕，將沒有被金屬層覆蓋的玻璃片腐蝕掉，最終得到傘型微半球陀螺諧振子及其檢測電極和激勵電極。
[0007]一種Υ型微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法，包括如下步驟:
1)選擇圓形硅片作為襯底并清洗硅襯底，并在硅襯底上表面上旋涂光刻膠，光刻形成后續深硅刻蝕工藝所用的第三掩膜； 2)采用深硅刻蝕工藝并通過第三掩膜在硅襯底上表面刻蝕形成環形凹槽結構和圓形凹槽結構，然后去除剩余的光刻膠即可:其中，環形凹槽結構緊鄰圓形硅片的周緣開設，圓形凹槽結構開設于環形凹槽結構之內，環形凹槽和圓形凹槽位于同一軸線上，環形凹槽和圓形凹槽的槽深相等；
3)清洗玻璃片和光刻后的硅襯底，將玻璃片置于硅襯底上表面上并進行硅-玻璃鍵合，環形凹槽和圓形凹槽與玻璃片之間分別形成密封的腔體；
4)將鍵合好的玻璃片進行玻璃面的減薄、研磨和拋光，減薄至80-90μπι ;
5)在減薄的玻璃片表面依次濺射鉻層、銅層和金層，同時對對準標記進行保護；其中，鉻層厚度為50納米、銅層厚度為600納米、金層厚度為400納米；
6)在金屬層的表面上旋涂光刻膠，光刻形成后續離子束刻蝕工藝所用的第四掩膜；
7)采用離子束刻蝕工藝并通過第四掩膜在金屬層上刻蝕形成圓環形金屬層片以及若干電極金屬層片，然后去除剩余光刻膠即可；其中，圓環形金屬層片位于玻璃片的中部且完全覆蓋在硅襯底的圓形凹槽上、即圓環形金屬層片的外徑大于環形凹槽的內徑，若干電極金屬層片均布于玻璃片的周緣緣邊且每個電極金屬層片橫跨其對應部位的環形凹槽的槽Ρ ;
8)將試樣放入快速退火爐中進行高溫處理，將溫度升至玻璃的軟化點，硅襯底上的環形凹槽腔體和圓形凹槽腔體內的氣體在內外壓力差的作用下會膨脹，從而將圓形凹槽上覆蓋的玻璃片及圓形金屬層片吹成近似空圓球形狀，將環形凹槽上覆蓋的玻璃片及若干電極金屬層片吹成近似拱門的形狀；
9)對所得的試樣用HF緩沖液腐蝕，將沒有被金屬層覆蓋的玻璃片腐蝕掉，最終得到傘型微半球陀螺諧振子及其檢測電極和激勵電極。
[0008]本發明是在玻璃薄片上利用濺射金屬的方法，形成所需要制備的圖形和導線，利用高溫下玻璃在熔融狀態易被吹起的特性，使其形成空球殼和空環形殼體，通過腐蝕玻璃的方法，使沒有濺射上金屬的空殼部分被腐蝕掉，最終形成類“傘型”、“Υ型”半球陀螺諧振子和與其近似平行的檢測電極和激勵電極。
[0009]本發明提供了一種半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法，利用熔融玻璃上圖形化的金屬薄膜的延展性，在吹起的玻璃上形成對電極，把金屬薄膜當成掩膜來腐蝕沒有被金屬覆蓋的區域，同時制備出諧振子、激勵電極和檢測電極。與現有技術相比，具有以下幾個優點:1)采用壓力差制備諧振子，諧振子的表面光滑并且完全對稱；2)利用玻璃上的金屬做掩膜，省去了激光切割技術，降低了成本同時提高了精度；3)形成的類“傘型”、“Υ型”半球陀螺諧振子的諧振頻率、品質因數等參數更優秀；4)同時制備出的激勵電極和檢測電極能夠更完美的平行于諧振子，而且減少了工藝步驟。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明所述傘型微半球陀螺諧振子的結構示意圖。
[0011]圖2為本發明所述傘型微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法的工藝步驟圖。
[0012]圖3為本發明所述Υ型微半球陀螺諧振子的結構示意圖。
[0013]圖4為本發明所述Υ型微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法的工藝步驟圖。
[0014]圖中:1-硅襯底、2-環形凹槽、3-圓形凹槽、4-中心柱體、5-玻璃片、6-金屬層、7-圓形金屬層片、8-電極金屬層片、9-圓環形金屬層片。
【具體實施方式】
[0015]以下結合附圖對本發明作進一步的描述:
一種傘型微半球陀螺諧振子的自對準技術制備方法，包括如下步驟:
1)選擇圓形硅片作為襯底并清洗