莊須葉，王世和，李平華，呂東鋒

（華東光電集成器件研究所，蚌埠233030）

0 引言

半球陀螺是典型的固態(tài)波陀螺，其利用在半球諧振殼體上形成的駐波會隨外界角速度的輸入而發(fā)生位置變化的原理來敏感角度信息。半球陀螺不包含可動部件，具有低噪聲、高性能、無磨損、長壽命、終身免維護等優(yōu)點。石英半球陀螺的零偏穩(wěn)定值已達到0.00008（°）/h， 在衛(wèi)星姿態(tài)控制、宇航器穩(wěn)態(tài)控制、飛行器導航等方面獲得了大量的應用，至今在空間任務應用中已累計無故障運行超過千萬小時［1］。但是，傳統(tǒng)的石英半球陀螺存在著體積大、制造成本高的不足，單只石英半球陀螺的價格高達10萬～100萬美元，一般只適用于航空、航天類高價值任務的應用，被嚴重限制了市場應用范圍和工程化發(fā)展。將半球陀螺體積做小、成本做低，是促進半球陀螺在更廣領域中應用和發(fā)展的一個必要措施。

另一方面，隨著汽車、船舶、無人機、工業(yè)機器人等領域對導航和姿態(tài)控制的性能越來越高的要求，導航系統(tǒng)對高精度、低成本、小型化制導陀螺提出了迫切的需求。利用微細加工技術實現(xiàn)半球陀螺的微型化，在維持半球陀螺性能優(yōu)勢的同時，將其體積做小、成本做低，制備出微型的半球陀螺，既是推進半球陀螺在更廣范圍內應用的有效措施，也是滿足導航領域對小型化、高精度制導陀螺需求的有效辦法。

2005年，美國國防部高級技術研發(fā)局（DARPA）開展了慣性級積分陀螺研究項目（Navigation Grade Integrated Micro Gyroscopes），資助研發(fā)高精度微半球陀螺的研究工作，重點對新型微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）的三維加工工藝開展了研究，致力于加工出微半球陀螺的諧振殼體結構。陀螺的性能研制目標是慣性級，以滿足武器裝備的慣性級導航、定位和制導等的應用需求。2010年，該研究項目整合更名為微型速率積分陀螺（Microscale Rate Integrating Gyroscopes）， 研究工作分別 由 Draper Labs、 Honeywell、 Northrop Grumman、Systron Donner、 UC Irvine、 UC Davis、 UCLA、 Cornell、University of Michigan和Yale University等單位獨立開展。與此同時，國內的多家單位（如華東光電集成器件研究所、國防科技大學、中電16所、西北工業(yè)大學、東南大學和中北大學等）也開展了相關研究。各單位都開發(fā)了各具特色的加工工藝，制備了各種形態(tài)和多種材質的微半球諧振陀螺，包括 多 晶 硅［2-3］、 融 石 英［4-5］、 金 剛 石［6］、 二 氧 化硅［7］、 Pyrex 玻 璃［8］、 TSG 玻 璃［9］、 金 屬 玻 璃［10］、ULE 玻璃［11］、 氧化鋁［12］， 以及 Invar-36 合金［13］等。

1 半球陀螺的微型化歷程

半球陀螺的微型化是在美國DAPAR的大力支持和推動下正式開展起來的，經過十余年的研究，已經取得了顯著的成果。微半球諧振陀螺諧振器的制備工藝可以將半球陀螺的微型化途徑簡單歸納為3大類：1）脫模法。即首先制備出一個三維曲面腔體結構，然后以該腔體結構為模具，在其腔體內沉積一層制備諧振器殼體結構所需的膜層，將模具去掉后即可得到三維薄殼結構的半球諧振器。2）吹泡法。該方法的原理類似于吹肥皂泡。首先將用于制備三維諧振殼體結構的材料固定起來，并保證材料在兩側形成一個合適的氣體壓差，然后在高溫下將結構材料軟化。在氣體壓力和材料自身表面張力的共同作用下，在低壓區(qū)域 “吹”出一個三維薄殼結構的半球諧振器。3）精加工法。該方法利用精細加工工藝，將塊狀材料直接加工成曲面殼體結構的微半球諧振器。

2 基于 “脫模法”的半球陀螺微型化歷程

模具是利用脫模法制備微半球陀螺的關鍵器件，模具的對稱性、表面質量可直接被反饋給半球陀螺的諧振器，是陀螺性能的關鍵性影響因素。硅的各向同性濕法腐蝕工藝是典型的半球陀螺模具制備工藝。早在20世紀50年代，研究人員就對硅的各向同性腐蝕技術開展了廣泛而深入的研究［14］，如何利用硅的各向同性濕法腐蝕技術制備出完美的半球形深腔結構是半球陀螺微型化研究人員的熱點研究內容。2011年，美國康奈爾大學對硅的晶向、腐蝕工藝與制備的硅深腔模具的形貌特點之間的關系進行了分析，對比發(fā)現(xiàn)利用＜111＞硅加攪拌后可獲得尺寸較大、對稱性較好的半球形硅深腔模具［15］。2014年，美國喬治亞理工大學測試了用不同晶向的硅為基底制備的半球諧振器的頻譜響應曲線，實驗發(fā)現(xiàn)＜100＞晶向硅半球諧振器的四波腹頻差 320Hz（4.9%）遠遠大于＜111＞晶向硅半球諧振器的四波腹頻差21Hz（0.26%）。目前，硅半球陀螺的模具基本都采用了＜111＞硅片［7］。

SF6等離子各向同性干法硅刻蝕工藝是另一種常用的硅半球形深腔結構制備工藝。2012年，美國喬治亞理工大學利用該工藝制備了多晶硅半球諧振器［16］。在諧振器的直徑為1.2mm、平面圓度值為0.44%、厚度為0.6μm時，測得呼吸模式的諧振頻率為412kHz，Q值為8000?；谠摴に嚪椒?，美國喬治亞理工大學又制備了其他材質的微半球諧振陀螺，如二氧化硅、鋼材質（Invar-36）等。其中，二氧化硅材料的微半球陀螺測試的四波腹諧振頻率為19.17kHz，頻差最優(yōu)為21Hz，Q值為19100［7］； 鋼材質（Invar-36）的微半球諧振陀螺［13］的測試諧振頻率為29.08kHz，Q值為7568。

2015年，美國喬治亞理工大學對硅半球制備工藝進行了改進，如圖1所示［2］。首先，在加工有電極的硅基底上利用SF6等離子體刻蝕出硅腔體結構，并將其用作諧振殼體結構的模具。然后，在硅腔體底部刻蝕通孔，在硅基底上生長一層氧化層，之后在氧化層上沉積多晶硅。在沉積多晶硅后的基底上再次生長一層氧化層，并制備出釋放時所用的釋放窗口。利用XeF2的各向同性釋放硅腔體周圍的硅，得到二氧化硅包裹多晶硅結構的殼體結構。最后，腐蝕掉二氧化硅包裹層，得到多晶硅材質的MEMS半球諧振陀螺。圖2為制備的半球陀螺的SEM圖。

圖1 多晶硅微機電半球陀螺制備工藝流程圖Fig.1 Fabrication process steps for the Polysilicon MEMS hemispherical gyroscopes

圖2 多晶硅微機電半球陀螺的SEM圖Fig.2 SEM photograph of a Polysilicon MEMS hemispherical gyroscope

利用該工藝方法加工了如圖3所示的兩種錨點結構的半球陀螺：圖3（a）的短錨點半球陀螺的諧振頻率為10.6kHz， Q 值為9500； 圖3（b）的長錨點半球陀螺的諧振頻率在11.2kHz左右，Q值為40400。測試陀螺樣機的諧振頻率為10.6kHz，Q值為 9500， 標度因子為 0.8mV/［（°）/s］。

圖3 兩種結構的諧振器及其Q值響應曲線Fig.3 Q factors of two resonators with different structures

2012年，美國猶他大學利用脫模法制備了二氧化硅材質的微半球陀螺［16］。半徑為500μm的二氧化硅半球諧振器在50mTorr的真空工作環(huán)境下，諧振頻率為20kHz，Q值為20000，四波腹振動的模態(tài)頻差在調諧后最高可達0.02%。2013年，美國加州大學戴維斯分校和伯克利分校利用脫模法制備了金剛石材質的半球諧振器［17］，其半徑為500μm，厚度為1μm。在真空度為4.3mPa時，四波腹諧振頻率為 18.316kHz， 頻差為 5Hz（0.03%），Q值為6300。

2015年，查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室制備了多晶金剛石材質的半球諧振器，其結構［6］如圖4所示。諧振器周邊被加設了可調節(jié)對稱性的質量區(qū)域，如圖5所示。通過用激光燒蝕該區(qū)域金的質量，可對諧振器的對稱性進行調諧。

圖4 金剛石半球陀螺的SEM圖Fig.4 SEM photograph of diamond hemispherical gyroscope

圖5 激光燒結金的質量進行對稱性調節(jié)Fig.5 Laser trim tabs after laser ablation of the Au layer

利用激光調節(jié)，可將諧振器的四波腹頻差由35Hz（0.21%）調至 0.35Hz（0.0021%）。 當真空度小于10-5Pa時，四波腹頻率為18.399kHz，最大測量Q值為143000。

2014年，美國科羅拉多大學利用原子力沉積工藝制備了三氧化二鋁材質的半球諧振器［12］，其厚度為52nm，半徑為48μm。在室溫及壓強為0.01mTorr的條件下進行測試，測試結果表明：在錨點為3μm時，測得的諧振器的四波腹諧振頻率為58.54kHz，Q值為1270；在錨點為7μm時，測得的四波腹諧振頻率為68.71kHz，Q值為230。

2016年，美國加州大學伯克利分校利用脫模法制備了金剛石材質的圓柱形殼體諧振器［18］。諧振器的直徑為 1.5mm， 厚度范圍為 2.6μm ～5.3μm， 如圖6所示。 其中， 圖6（a）是單個諧振器的SEM圖，圖6（b）是多個諧振器的SEM圖。直徑為1.5mm、厚度為3.4μm 的諧振器在 700℃下退火330min，在20μTorr的壓強條件下，諧振頻率為18.96kHz， Q 值為 0.528×106。

圖6 金剛石材質的圓筒狀諧振器的SEM圖Fig.6 SEM photographs of cylindrical diamond resonator

在國內，華東光電集成器件研究所利用脫模法制備了多晶硅微半球陀螺［19］，如圖7所示。其中， 圖7（a）是微機電半球陀螺芯片， 圖 7（b）是管殼封裝后的陀螺。測試陀螺的四波腹諧振頻率為14.1kHz，Q值最高為102000，初步開環(huán)測試零偏穩(wěn)定性為 80（°）/h， 標度因子為 1.15mV/［（°）/s］。

圖7 多晶硅半球陀螺裸芯片及其被封裝后的照片F(xiàn)ig.7 Photographs of a Polysilicon hemispherical gyroscope bare chip and its packaged product

3 吹泡法

利用吹泡法制備微半球陀螺諧振器能夠獲得較高的表面質量，有利于減小諧振器的表面損耗，提高Q值。此外，傳統(tǒng)的半球陀螺的制備材料——融石英（高Q值材料，熱彈性，阻尼低）與該工藝方法的兼容性出眾。利用吹泡法可制備出高Q值、高性能的微半球陀螺，國內外多家單位均對其開展了研究。

美國耶魯大學自2007年開始對由吹泡法制備金屬玻璃球形諧振器的制備工藝進行了研究［20］，并在2010年成功制備出了直徑為500μm的球形薄殼結構［21］。2014年，耶魯大學、加州大學和唐納公司一起研制了直徑為3mm的金屬玻璃材質的半球諧振器［10］。測試諧振器的四波腹諧振頻率分別為 9.461kHz 和 9.483kHz， 頻差為 22Hz（0.23%），Q值分別為5400和5300。

2014年，美國加州大學歐文分校對制備工藝進行了優(yōu)化，并加工出了融石英材質的蘑菇形半球諧振器［22］，如圖8所示。在壓強為20μTorr時，利用激光測振儀測試直徑為7mm的諧振器的四波腹諧振頻率為 105kHz， 頻差為 14Hz（0.013%）， Q值最高可達 1.14×106。

圖8 融石英半球諧振器的結構示意圖及其實物圖Fig.8 Structural diagram of fused Silica hemispherical resonator and its product

2013年，美國密歇根大學利用吹泡法制備了鳥浴盆式的半球諧振陀螺，材料為融石英［23］。在室溫壓強小于1mTorr的測試條件下，測試得到的四波腹諧振頻率分別為10.465kHz和10.479kHz，頻差為14Hz（0.13%）。經電學調諧后，諧振頻差可被調整至 0.26Hz（0.0024%）， Q 值為 0.245 ×106， 標度因子為 27.9mV/［（°）/s］， 陀螺的零偏穩(wěn)定性為 1（°）/h。

2015年，美國密歇根大學又利用吹泡法制備了直徑為5mm、高度為3.35mm的融石英材質的諧振器［4］，其工藝過程如圖9所示。首先，將融石英板和融石英柱固定到模具上，然后進行高溫加熱，融石英軟化后在氣體壓強和表面張力的作用下發(fā)生形變；如圖10（a）所示，將形變后的融石英從模具上取下并放置在夾具內，研磨掉多余的融石英材質，即得到了獨立的諧振器結構，圖10（b）則是裝配好的陀螺。當真空度小于10μTorr時，諧振器的四波腹諧振頻率分別為 22.6328kHz和 22.496kHz， 頻差為136.8Hz（0.61%）， Q 值為 2.55×106。

圖9 融石英半球諧振器制備的流程示意圖Fig.9 Fabrication process for fused Silica hemispherical resonator

圖10 融石英半球諧振器芯片和封裝后的陀螺圖Fig.10 Photographs of a fused Silica hemispherical resonator chip and its packaged product

2017年，美國密歇根大學對陀螺樣機進行了測試［5］， 其 Q 值為 0.42×106， 零偏穩(wěn)定性為0.0391［（°）/h］， Q 值最高可達4.45×106。 2018 年，基于該工藝方法，美國密歇根大學制備出了衰減時間最長達 495s［23］、 Q 值最高達 9.81×106的石英半球諧振器，其是可見報道中品質因數(shù)最高的微半球諧振器（光石英諧振器測試，無導電膜）。

國防科技大學利用吹泡法制備了帶T形調整質量塊的融石英微機電半球陀螺［24］，利用T形質量塊可以改善諧振器的頻差。圖11（a）是其制備的石英半球諧振器，圖11（b）是組裝后的陀螺。測試得到的四波腹諧振頻率為6.9kHz，頻差為12.1Hz（0.175%）， Q 值最高為 36900。

圖11 由T形調整質量塊制備的融石英半球諧振器及其組裝后的陀螺圖Fig.11 Photographs of a fused Silica hemispherical resonator with T-shape masses and its packaged product

4 精加工法

2014年，美國密歇根大學開發(fā)了一種制備3D曲面殼體結構的新工藝［25］，該工藝方法將微超聲加工工藝、研磨工藝和微電火花加工工藝集成于一體而使用。首先，將原材料小球固定于基底上，研磨掉其頂部；然后，利用微超聲工藝對固定的小球進行超聲加工，根據所要加工的殼體的不同形狀而選擇形狀不同的加工工具，即可加工出所需要的3D曲面殼體結構。該工藝特別適合加工由易碎材料和超硬材料等材質制備的3D曲面殼體。圖12為利用該工藝制備的微半球諧振器。其中，圖12（a）右側圖為玻璃材質的殼體結構，圖12（b）右側圖為紅寶石材料的殼體結構。測試N-BK7玻璃材質的蘑菇形諧振器的諧振頻率為1.379MHz，在大氣壓下Q值為345。該加工方法的操作難度大，對其進行研究的單位相對較少。

圖12 密歇根大學制備的兩種諧振器的SEM圖Fig.12 SEM photographs of the two kinds of resonators prepared by University of Michigan

5 結論

目前，國際上制備微機電半球陀螺的主流方法主要是吹泡法和脫模法。這兩種方法各有特色，各有長短。

由吹泡法制備的諧振器的殼體結構的表面粗糙度小、對稱性好，但該工藝方法加工的諧振殼體結構的深寬比因表面張力的約束不能過大，殼體厚度較大，且在不同緯度處的厚度不一致。該工藝過程要經過接近1000℃甚至更高的高溫處理過程，工藝條件控制困難，可供選擇的材料數(shù)量也有限。在加工出獨立的諧振器后，需要進行裝備組裝，才能形成器件完整的陀螺器件。

由脫模法制備的諧振器的殼體結構的表面粗糙度、對稱性主要取決于模具表面的粗糙度和對稱性的質量。由于凹形腔體結構的立體形貌與表面粗糙度很難控制且不易檢測，制備出的腔體模具的對稱性和粗糙度一般較吹泡法差，且在沉積諧振器殼體材料時，還容易在材料內部形成缺陷，進一步影響器件的對稱性。

脫模法的優(yōu)勢是可以制備出厚度可控（從納米量級到微米量級）且在不同緯度處厚度都均勻分布的諧振器殼體結構，其可選擇的成形材料種類多，能夠制備出多種材質的半球諧振殼體結構?？蓪崿F(xiàn)很大的殼體結構深寬比，且可以利用不同形貌的模具制備出各種形貌結構的諧振器，如半球形、盆形、碗形、圓筒形等。此外，脫模法的加工工藝流程不包括火焰高溫步驟，工藝條件的可控性更強。其與傳統(tǒng)集成電路（Integrated Circuit，IC）工藝的兼容性好，且可以將諧振器與電極結構集成在同一條工藝線上制備，直接成型結構完整的陀螺，更合適于向批量化、產業(yè)化的方向發(fā)展。

目前，微半球陀螺諧振器的常用材料為石英、硅和多晶金剛石。石英是最為傳統(tǒng)的半球陀螺制備材料，品質因數(shù)（Q值）高，是制備高性能微半球陀螺的最佳選材之一。但是，由于石英材料不導電，需要在石英半球諧振器表面制備一層導電膜，才能實現(xiàn)諧振器的驅動和檢測，而導電膜會造成陀螺諧振器Q值的大幅下降。此外，基于石英材料的半球諧振器，需在與電極裝配后才能形成一個完整的陀螺。其對制備工藝要求高，成本較高，批量化生產能力相對較弱。硅半球諧振器的Q值相對較低，一般較石英半球低1～2個數(shù)量級。由于硅材料的優(yōu)質因數(shù)（f×Q）與石英相差無幾，硅半球諧振器可以在較高的諧振頻率下工作，抗過載能力相對較強。硅半球陀螺的最大優(yōu)勢是其制備工藝與半導體的兼容性好，可以一次直接成型結構完整的半球陀螺，特別有利于批量化生產，在戰(zhàn)術級和低精度導航級應用領域中具有很廣闊的市場空間。金剛石材料的優(yōu)質因數(shù)是硅和石英的10倍以上，且其表面經氫化后具有導電能力，金剛石材質的微半球諧振器有望兼?zhèn)涓呔取⒏攮h(huán)境適應性和較強的抗高過載能力［26］。目前，金剛石半球陀螺采用多晶金剛石完成制備，而人造單晶金剛石材料的突破性進展，為單晶金剛石半球陀螺的制備提供了條件。＜111＞晶向的單晶金剛石微半球陀螺有望被完成制備，并推動微半球陀螺取得突破性進展。

微半球陀螺的國內外發(fā)展現(xiàn)狀如表1所示。經過近20年的發(fā)展，無論是在Q值還是零偏穩(wěn)定性方面，微型化半球陀螺的性能指標都取得了大幅度的提升，特別是融石英材質的微半球諧振器的Q值已經和大型半球陀螺基本處于同一量級（千萬級別）。微半球陀螺是最有潛力達到慣導級精度的微陀螺之一，對我國的國民經濟和國防安全具有重要的意義。此外，微型化半球陀螺的研制還涉及到新興的微納曲面結構的加工工藝和材料科學，可有力地促進微納制備工藝和材料科學技術的發(fā)展，具有重要的學術價值。

表1 微半球陀螺的國內外發(fā)展現(xiàn)狀Table 1 Development status of microscale hemispherical gyroscope at home and abroad