[发明专利]微型半球谐振陀螺及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型半球谐振陀螺及其制备方法，属于微/纳加工制造领域。

背景技术

随着科学技术的发展和社会的进步，消费电子、汽车产品和制导武器等对微机械陀螺的精度和可靠性等要求进一步提高，推动新结构和新原理的微机械陀螺不断产生，其中微型半球谐振陀螺具有高精度、高可靠性和长寿命等优点，成为近年开始研究的新型陀螺之一。

参阅图3，现有的微型半球谐振陀螺，包括位于绝缘层8上的硅体1，所述硅体1上有半球谐振子空腔5；壳状的半球谐振子9通过内环支撑体14和外环支撑体15悬置于硅体1上，且所述半球谐振子9与硅体1上的半球谐振子空腔5同心；半球谐振子9与内环支撑体14的材料均为导电性良好的多晶硅，外环支撑体15的材料为二氧化硅，且半球谐振子9、内环支撑体14、信号加载电极11与硅体1之间通过绝缘层8、外环支撑体15电绝缘；半球谐振子9电信号通过内环支撑体14与置于绝缘层8下方的信号加载电极11连通；硅体1端面沿半球谐振子空腔5的圆周均布有多个驱动电极12和敏感电极13；所述外环支撑体15为二氧化硅湿法腐蚀形成的支撑结构；所述驱动电极12和敏感电极13为掺杂形成P/N结而得到的电极。

微型半球谐振陀螺制备方法中工艺流程决定着微型半球谐振陀螺器件的加工的难易程度以及器件性能的好坏，因此工艺流程的设计是获得良好性能的微型半球谐振陀螺的关键。

微型半球谐振陀螺制备过程中，半球谐振子及其支撑体的加工以及增大驱动电极和敏感电极的工作面积，是面临的主要挑战。美国乔治亚理工学院L.D.Sorenson.等人在其论文″3-D MICROMACHINED HEMISPHERICAL SHELL RESONATORS WITH INTEGRATED CAPACITIVE TRANSDUCERS中提出一种微型半球谐振陀螺制备方法：取N型硅片做硅体，然后通过掺杂获得P/N结，并获得驱动电极和敏感电极；然后各向异性干法刻蚀形成半球谐振子空腔，进行沉积氮化硅；然后硅体背面进行各向异性湿法刻蚀，并将氮化硅氧化后沉积多晶硅；最后去除二氧化硅得到可动的半球谐振子。这种半球谐振子的支撑面是由外环支撑体的支撑面决定的，而外环支撑面大小是由湿法刻蚀时间、溶液浓度、搅拌速度等决定的，因此加工时支撑面的大小难控制，既可能释放不充分，使支撑面过大，又可能释放过度，造成支撑面过小，两者都严重影响器件的工作性能；同时驱动电极和敏感电极的工作面大小与掺杂深度有关，由于掺杂工艺的限制，无法获得较大的工作面积，也存在驱动力过小和敏感信号检测困难的缺点。

发明内容

为克服现有加工技术中半球谐振子支撑体的支撑面大小不可控和驱动电极、敏感电极工作面积过小的不足，本发明提出改进支撑体结构和加工方法，并采用沉积导电多晶硅获得驱动电极和敏感电极制备微型半球谐振陀螺的方法。

本发明提出的微型半球谐振陀螺，包括位于绝缘层8上的硅体1，所述硅体1上有半球谐振子空腔5；壳状的半球谐振子9通过支撑体10悬置于硅体1上，且所述半球谐振子9与硅体1上的半球谐振子空腔5同心；半球谐振子9与支撑体10材料均为导电性良好的多晶硅，且支撑体10与硅体1之间通过绝缘层8电绝缘；半球谐振子9电信号通过支撑体10与置于绝缘层8下方的信号加载电极11连通；硅体1端面沿半球谐振子空腔5的圆周均布有多个驱动电极12和敏感电极13。其特征在于：所述支撑体10为沉积多晶硅形成的扇形环结构；所述驱动电极12和敏感电极13为在硅体1表面沉积和电极槽2内沉积填充多晶硅，对多晶硅图形化后形成具有一定深度的电极。

所述微型半球谐振子的制备方法，包括如下步骤：

第一步，参阅图1（a），对高阻硅片进行清洗、涂胶、光刻、显影，ICP刻蚀、去胶得到具有深度为20μm-50μm电极槽2的硅体1；

第二步，参阅图1（b），沉积可导电的多晶硅；然后涂胶、光刻、显影、刻蚀多晶硅、去胶得到初期电极3；

第三步，参阅图1（c），在硅体1正面沉积二氧化硅；然后对二氧化硅图形化，形成二氧化硅掩膜4；以二氧化硅掩膜4作为掩膜，进行各向同性干法刻蚀、去胶，得到半球谐振子空腔5和电极6，所述电极6包括驱动电极12和敏感电极13。

第四步，参阅图1（d），去除二氧化硅掩膜4，在硅体1背面进行涂胶、光刻、显影、ICP刻蚀得到支撑体空腔7。

第五步，参阅图1（e），对硅体1正反两面沉积二氧化硅，得到厚度为500nm-2000nm的二氧化硅绝缘层8。