mems微靜電陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝

微靜電陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝方法1、振動(dòng)式微機(jī)械陀螺儀

振動(dòng)式微機(jī)械陀螺儀利用單晶硅或多晶硅制成的振動(dòng)質(zhì)量，在被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的哥式效應(yīng)感測(cè)角速度。MEMS陀螺儀的分類2、轉(zhuǎn)子式微機(jī)械陀螺儀轉(zhuǎn)子式微機(jī)械陀螺儀分為磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺和靜電轉(zhuǎn)子微陀螺。靜電轉(zhuǎn)子微陀螺采用靜電懸浮，并通過力矩再平衡回路測(cè)出角速度，以及通過靜電力平衡回路測(cè)出線加速度。3、微機(jī)械加速度傳感器陀螺儀

微機(jī)械加速度傳感器陀螺儀是由參數(shù)匹配的兩個(gè)微機(jī)械加速度傳感器做反向高頻抖動(dòng)而構(gòu)成的多功能慣性傳感器。

微機(jī)構(gòu)陀螺按材料和加工方式的分類：微機(jī)械陀螺分類按材料按加工方式硅材料非硅材料單晶硅多晶硅石英其它體硅機(jī)械加工表面微機(jī)械加工LIGA(光刻、電鑄和注塑)MEMS陀螺儀的分類靜電陀螺概述靜電陀螺：一種能實(shí)現(xiàn)高精度多軸慣性測(cè)量的新型MEMS陀螺靜電陀螺優(yōu)點(diǎn)：精度高，真正的自由轉(zhuǎn)子陀螺可靠性高能全姿態(tài)測(cè)角應(yīng)用：航空航天領(lǐng)域、戰(zhàn)略武器、火箭靜電陀螺缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜工藝要求高

角度讀取復(fù)雜

基本結(jié)構(gòu)（1）1)沿轉(zhuǎn)子徑向內(nèi)／外側(cè)的懸浮電極用于約束轉(zhuǎn)子沿徑向(X和Y軸)的兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，采用體硅微加工工藝；2)上／下玻璃電極板的內(nèi)側(cè)軸向懸浮電極，用于約束轉(zhuǎn)子沿z軸方向和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(和)的運(yùn)動(dòng)；3)在徑向和軸向懸浮電極中配置有專門的公共激勵(lì)電極，用于施加實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)的高頻載波信號(hào)；4)上下電極板外側(cè)分布的旋轉(zhuǎn)電極為轉(zhuǎn)子提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子在未加電時(shí)會(huì)在自身重力作用下與軸向或徑向電極接觸，容易發(fā)生“吸附”現(xiàn)象，這將給起支控制帶來難度。因此，在轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向設(shè)計(jì)有止擋，一方面可防止轉(zhuǎn)子與電極直接接觸，另一方面限制了轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)范圍，降低了起支控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。止擋基本結(jié)構(gòu)（2）止擋分布工作原理陀螺作接近于永久轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為陀螺的動(dòng)量矩H始終沿轉(zhuǎn)子主軸方向且大小不變。當(dāng)陀螺殼體有繞陀螺輸入軸如Y軸正向以角速度相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)角時(shí)，由于陀螺儀的定軸性，轉(zhuǎn)子與殼體電極(X軸向布置)之間將出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)角。敏感檢測(cè)電極產(chǎn)生輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)換為控制電壓，并加到繞轉(zhuǎn)子正交軸即X軸給出力矩的懸浮電極(Y軸向布置)上。產(chǎn)生的再平衡力矩使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸繞Y軸進(jìn)動(dòng)。由再平衡力矩可求得輸入角速度：兩輸入軸角速度的獲得：工作原理處于零位小位移工作狀態(tài)的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺，當(dāng)陀螺殼體受到如沿X軸正向的線加速度時(shí)，轉(zhuǎn)子由于慣性仍然靜止，則轉(zhuǎn)子相對(duì)定子有沿X軸負(fù)向的線位移。經(jīng)位移檢測(cè)后，控制電子線路產(chǎn)生控制電壓，并加到X軸向布置的徑向定子電極上，于是產(chǎn)生X軸負(fù)向的靜電平衡力使轉(zhuǎn)子回到殼體零位。根據(jù)靜電平衡力求得輸入的線加速度，m為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量。同理，由靜電平衡力可分別求得其它兩軸輸入的線加速度。三軸線加速度的獲得：工藝方法加工微靜電陀螺儀主要的工藝方法：1、多層多晶硅的面硅工藝。在基片上淀積或生長多晶硅層來制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)。由于轉(zhuǎn)子厚度有限，制約了微慣性器件精度和靈敏度的提高。2、體硅加工工藝。采用高深寬比干法刻蝕工藝在體硅上刻蝕出微機(jī)械結(jié)構(gòu)，在玻璃上濺射金屬形成電極，再通過靜電鍵合形成玻-硅組合片。3、LIGA和準(zhǔn)LIGA工藝。通過電鑄方法加工出大高寬比的可活動(dòng)微結(jié)構(gòu)，機(jī)械性能好，靈敏度高，但工藝難度大，成本高。（1）刻蝕淺槽（2）表面摻雜（3）金屬電極（4）陽極鍵合（5）硅片減?。?）釋放結(jié)構(gòu)體硅深刻蝕釋放工藝體硅深刻蝕釋放工藝由于轉(zhuǎn)子無任何機(jī)械約束，若在電感耦合等離子體ICP刻蝕過程中將轉(zhuǎn)子一次性釋放，則轉(zhuǎn)子容易在膨脹氣體作用下迸出。在工藝設(shè)計(jì)中引入鋁犧牲層對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行約束，犧牲層為薄膜梁結(jié)構(gòu)，鋁犧牲層均勻覆蓋在轉(zhuǎn)子底層內(nèi)外兩側(cè)，厚度為500nm。在結(jié)構(gòu)加工完成后，采用濕法刻蝕將犧牲層去除。犧牲層工藝（a)頂層和底層濺金。采用硼硅酸鹽玻璃，厚度500m。包括三步：1、在玻璃表面涂敷光刻膠，采用掩膜板進(jìn)行曝光；2、玻璃帶膠濺射多層金屬，依次為Cr（80nm）/Pt(100nm)/Au(50nm);3、去膠清洗，剝離多余金屬，形成軸向電極及引線。（b）第一次RIE刻蝕。采用n型高摻雜單晶硅片，標(biāo)準(zhǔn)清洗后硅片正面涂敷光刻膠，采用掩膜板進(jìn)行光刻，刻蝕深度為4m，形成4m深的底部鍵合面。（c）第二次RIE刻蝕。刻蝕深度為2

m，從而形成6m深的鍵合臺(tái)面和14個(gè)2m高的止擋。（d）鋁犧牲層工藝。濺射鋁膜500nm。去膠剝離多余鋁，形成鋁質(zhì)薄膜犧牲層。（e）第一次玻-硅鍵合。將硅片正面與制備了電極的底層玻璃進(jìn)行靜電鍵合。（f）硅片減薄。采用濕法刻蝕將硅片厚度減至約80m，再用拋光液在聚氨酯盤上進(jìn)行拋光。工藝流程加工工藝流程（1）（g）第3次RIE刻蝕。刻蝕深度為4m，形成4m高的頂部鍵合臺(tái)面。（h）第4次RIE刻蝕?？涛g深度為2m，形成6m深的鍵合臺(tái)面和2m高的止擋。（i）ICP釋放結(jié)構(gòu)。采用刻蝕機(jī)將硅結(jié)構(gòu)層刻透，形成徑向電極、導(dǎo)通硅和轉(zhuǎn)子。（j）第2次玻-硅鍵合。將硅背面與頂層玻璃進(jìn)行靜電鍵合。（k）劃槽和裂片。按照玻璃片上已有的劃片標(biāo)記對(duì)組合片進(jìn)行手工劃片，裂片得到單個(gè)管芯。(l)濕法去除鋁犧牲層。裂片后，將管芯浸泡在配置好的鋁刻蝕劑中，在超聲波環(huán)境中將其去除，最后清洗、烘干，得到轉(zhuǎn)子可動(dòng)的微結(jié)構(gòu)。工藝流程加工工藝流程（2）工藝難點(diǎn)1、二次鍵合過程中的轉(zhuǎn)子吸附問題由于靜電鍵合時(shí)，玻硅間直流電壓在800V以上，腔體溫度在400攝氏度以上，玻璃電極和以低阻硅為材料的轉(zhuǎn)子之間出現(xiàn)很強(qiáng)的靜電力，鋁犧牲層在高溫下延展變形會(huì)造成轉(zhuǎn)子貼近玻璃，部分軸向止擋和玻璃接觸鍵合，造成轉(zhuǎn)子不可動(dòng)。2、結(jié)構(gòu)底層易污染體硅與底層玻璃的間隙內(nèi)留存有較多黑色殘?jiān)?、金屬焊盤受損在靜電鍵合中硅片加正壓，玻璃加負(fù)壓，而玻璃上的金屬電極和硅體接觸，部分附著在玻璃上，交叉分布，因此相鄰的電極間有較大的電壓差，在鍵合過