王風(fēng)嬌，李新坤，吳浩越，劉福民，徐宇新，王學(xué)鋒

(北京航天控制儀器研究所·北京·100039)

0 引 言

微機(jī)械陀螺是一種重要的慣性敏感器件，是導(dǎo)航、制導(dǎo)和穩(wěn)瞄穩(wěn)像等系統(tǒng)的核心部件，廣泛應(yīng)用于航天器、飛行器、汽車(chē)安全和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域[1-3]。近些年，英國(guó)宇航局、密歇根大學(xué)、波音公司等機(jī)構(gòu)相繼提出了環(huán)形微機(jī)械陀螺的設(shè)計(jì)，在環(huán)形振動(dòng)陀螺的研究上取得了不小進(jìn)展，原理樣機(jī)已經(jīng)達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)精度[4-5]。與其他類(lèi)型的振動(dòng)微機(jī)械陀螺相比，環(huán)形振動(dòng)微機(jī)械陀螺繼承了高精度半球陀螺的特性[6-7]，具有高的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，因此其角速度檢測(cè)建立在兩相同形式模態(tài)能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，模態(tài)頻率特性隨溫度變化一致，具有精度高、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)[8]。

在陀螺諧振子的材料選擇上，玻璃基敏感結(jié)構(gòu)相對(duì)于硅基材料、壓電陶瓷材料等具有絕緣性好、溫度穩(wěn)定性好、機(jī)械性能良好、品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)[9]，有著廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)玻璃基微機(jī)械陀螺的研究始于上世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)了近30年的研究在該領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步。然而，在玻璃基微機(jī)械陀螺的精密加工方面和國(guó)外產(chǎn)品相比仍然存在一定差距。玻璃直接加工技術(shù)如機(jī)械加工、激光加工的加工尺寸和精度有限，不適合準(zhǔn)三維微結(jié)構(gòu)的精密制造。目前，玻璃微細(xì)加工所采用的光刻和刻蝕玻璃相結(jié)合的方法仍然存在如精度低、刻蝕結(jié)構(gòu)粗糙度大等問(wèn)題[10]。本文提出了一種玻璃基環(huán)形振動(dòng)微陀螺諧振子的設(shè)計(jì)與制造方案，該方案通過(guò)環(huán)形諧振子的設(shè)計(jì)以及一種新型的借助MEMS工藝的玻璃基準(zhǔn)三維微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)玻璃基環(huán)形諧振子的高精度批量加工。

1 諧振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的玻璃基環(huán)形振動(dòng)微陀螺的諧振子結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由一個(gè)振動(dòng)環(huán)，8對(duì)支撐彎折梁及中心錨點(diǎn)部分構(gòu)成。支撐梁將環(huán)形諧振子與錨點(diǎn)部分連接在一起，起懸浮支撐作用。

(a)俯視圖

(b)三維視圖圖1 MEMS環(huán)形諧振微陀螺諧振子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of the MEMS oscillator of a Ring Vibration Gyroscope

利用有限元軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可得固有頻率和振型。該環(huán)形諧振子結(jié)構(gòu)的第11階和第12階振動(dòng)模態(tài)為XY平面內(nèi)兩個(gè)相同的橢圓撓性基礎(chǔ)模態(tài)。諧振子的第一基礎(chǔ)模態(tài)(11階)可作為驅(qū)動(dòng)模態(tài)如圖2(a)所示，當(dāng)Z軸方向有角速度輸入時(shí)，在科里奧利效應(yīng)的作用下諧振子的振型發(fā)生進(jìn)動(dòng)，產(chǎn)生如圖2(b)所示模態(tài)，諧振子在45°夾角方向上做四波腹振動(dòng)，即第二基礎(chǔ)模態(tài)(12階)可作為陀螺的敏感模態(tài)。

(a)第一基礎(chǔ)模態(tài)

(b)第二基礎(chǔ)模態(tài)圖2 環(huán)形諧振微陀螺諧振子的模態(tài)云圖Fig.2 The mode of the oscillator of a Ring Vibration Gyroscope

表1 第10、11、12、13階振動(dòng)頻率 Tab. 1 Resonant frequency of the 10, 11, 12, 13th mode of the resonator

表1給出了第10階到第13階模態(tài)的振動(dòng)頻率。該環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)的第11階和第12階振動(dòng)模態(tài)為兩個(gè)相同的面內(nèi)橢圓撓性模態(tài)，兩者諧振頻率的差僅為0.23Hz，工作模態(tài)的頻率匹配性好。與工作模態(tài)相鄰的其他振動(dòng)模態(tài)均為面外振動(dòng)，且最小頻差為111Hz，因而該設(shè)計(jì)可有效抵抗模態(tài)之間的相互干擾。

2 制造工藝研究

本文設(shè)計(jì)了一種新型的玻璃基準(zhǔn)三維微結(jié)構(gòu)制造工藝，基于MEMS工藝中成熟的深硅刻蝕、陽(yáng)極鍵合、化學(xué)機(jī)械拋光等通用加工技術(shù)，融合玻璃熔融工藝，解決了玻璃基準(zhǔn)三維微結(jié)構(gòu)的制造工藝難題，同時(shí)可保證高的加工精度和效率。首先利用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝在硅晶圓上加工玻璃環(huán)形振動(dòng)微結(jié)構(gòu)的反向刻蝕槽，然后再利用陽(yáng)極鍵合和高溫熔融的方式將玻璃材料填滿(mǎn)刻蝕槽結(jié)構(gòu)，在玻璃材料均勻填充后將結(jié)構(gòu)外的多余物去除，即可獲得目標(biāo)尺寸的玻璃環(huán)形諧振子微結(jié)構(gòu)。具體的工藝流程如圖3所示，主要工序包含光刻、刻蝕、陽(yáng)極鍵合、玻璃填充、雙面化學(xué)機(jī)械減薄拋光和結(jié)構(gòu)釋放六部分，下面詳細(xì)介紹完整的工藝流程。

圖3 玻璃基環(huán)形諧振子制備工藝流程示意圖Fig.3 The process of the oscillator fabrication of a Ring Vibration Gyroscope

將硅(1 0 0)晶圓進(jìn)行清洗處理后，利用勻膠機(jī)在硅晶圓表面均勻涂覆一層光刻膠，通過(guò)光刻顯影技術(shù)將刻蝕槽對(duì)應(yīng)的二維圖案轉(zhuǎn)移到硅晶圓表面，如圖3(a)所示。光刻顯影后的掩膜厚度需可耐受后續(xù)干法刻蝕工藝對(duì)光刻膠的損耗。

對(duì)光刻顯影后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行干法刻蝕來(lái)制作環(huán)形振動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的反向刻蝕槽，如圖3(b)所示。由于環(huán)形諧振子微結(jié)構(gòu)的不同位置對(duì)應(yīng)不同的線(xiàn)寬，由干法刻蝕的原理決定了在寬槽中的刻蝕活性離子濃度更大，所以刻蝕速率更快。圖4示意性地給出了干法刻蝕的工藝過(guò)程。本文中環(huán)形諧振子微結(jié)構(gòu)的最大線(xiàn)寬為200μm，最小線(xiàn)寬為35μm，由于線(xiàn)寬差距的存在，不同線(xiàn)寬的刻蝕槽在相同刻蝕條件下對(duì)應(yīng)的刻蝕深度會(huì)有差別，寬線(xiàn)條的結(jié)構(gòu)刻蝕深度會(huì)偏大一些，這樣會(huì)導(dǎo)致諧振子不同位置玻璃填充物的厚度差，為達(dá)到結(jié)構(gòu)目標(biāo)厚度，在后續(xù)的工序中我們將通過(guò)雙面化學(xué)機(jī)械減薄拋光的方式將多余的填充物去除，使整個(gè)結(jié)構(gòu)厚度保持一致。

圖4 刻蝕工藝示意圖Fig.4 Deep silicon etching process

刻蝕完成后，將半導(dǎo)體硅晶圓表面的光刻膠去除并進(jìn)行清潔處理。然后采用BF33玻璃晶圓片和完成刻蝕槽加工的硅晶圓片進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，如工序圖3(c)所示。這一工序的鍵合強(qiáng)度高，氣密性好，可使刻蝕槽內(nèi)部保持負(fù)壓狀態(tài)，有利于后續(xù)熔融玻璃的填充。

將鍵合后的圓片放入馬弗爐中加熱至所用玻璃材料的軟化點(diǎn)以上，熔融的玻璃材料將先后在大氣壓力和重力的作用下逐漸填充到刻蝕槽中。本文完成熔融玻璃填充工藝的鍵合圓片結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖5(a)所示。

(a)

(b)圖5 熔融玻璃填充工藝完成后的4英寸圓片(a)和完成雙面化學(xué)機(jī)械拋光的圓片(b)Fig.5 Wafer after glass melting process (a) and chemical mechanical polishing process (b)

為降低玻璃的黏滯度，在保證填充質(zhì)量的前提下提高填充速率，本文熔融玻璃填充溫度選取了玻璃軟化點(diǎn)以上，接近玻璃工作點(diǎn)的1000 ℃進(jìn)行。對(duì)于線(xiàn)寬35μm，深度160μm的刻蝕槽結(jié)構(gòu)在30min的填充時(shí)間條件下可實(shí)現(xiàn)50%的填充率，延長(zhǎng)填充時(shí)間至60min 可實(shí)現(xiàn)刻蝕槽的完整填充，填充效果如圖6(b)、6(c)所示。圖中所示為沿單晶硅的自然解理面剖開(kāi)后的斷裂面實(shí)物效果，其中亮色是單晶硅材料，暗色是玻璃材料，可以看出圖6(b)中玻璃材料已經(jīng)將深寬比為4.6的硅基刻蝕槽結(jié)構(gòu)完全填充。在完成熔融玻璃填充以后，對(duì)圓片進(jìn)行退火處理以消除玻璃內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

將填充好玻璃材料的硅-玻璃圓片進(jìn)行雙面化學(xué)機(jī)械減薄拋光，去除多余的玻璃材料和硅材料。本文中一個(gè)圓片上均勻分布了120個(gè)諧振子單元，對(duì)于4英寸圓片整片TTV優(yōu)于3μm，雙面減薄拋光后可以獲得均勻的諧振子結(jié)構(gòu)厚度。圖5(b)是完成雙面化學(xué)機(jī)械拋光的圓片結(jié)構(gòu)實(shí)物圖。最后經(jīng)過(guò)光刻和干法刻蝕工藝，將刻蝕槽結(jié)構(gòu)材料單晶硅去除，得到目標(biāo)設(shè)計(jì)的玻璃環(huán)形諧振子微結(jié)構(gòu)，如圖6(a)所示。至此，玻璃基環(huán)形振動(dòng)微機(jī)械陀螺諧振子的制備工藝完成。

圖6 玻璃基環(huán)形振動(dòng)微機(jī)械陀螺諧振子結(jié)構(gòu)(a)和熔融玻璃填充剖面效果(b)(c)Fig.6 Structure of the oscillator of Ring Vibration Gyroscope based on glass (a) and the effect of glass melting(b)(c)

3 結(jié) 論

本文提出了一種玻璃基環(huán)形振動(dòng)微陀螺諧振子的設(shè)計(jì)及加工方案。通過(guò)有限元軟件仿真分析，證實(shí)了該陀螺諧振子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性及合理性。在諧振子制造方面，針對(duì)目前玻璃精密加工在玻璃準(zhǔn)三維微結(jié)構(gòu)方面存在加工尺寸受限、加工精度不高等特點(diǎn)，本文提出了一種新型玻璃基準(zhǔn)三維微結(jié)構(gòu)制造方案。相對(duì)于目前主流單晶硅、石英晶體的各向異性，該方案所涉及的熔融玻璃體微結(jié)構(gòu)可以克服其材料屬性引起的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)性。并且可借助MEMS的通用工藝和熔融玻璃工藝實(shí)現(xiàn)玻璃微結(jié)構(gòu)的間接加工，具有加工精度高、加工效率高的優(yōu)點(diǎn)，解決了玻璃基準(zhǔn)三維微結(jié)構(gòu)的制造工藝難題，可實(shí)現(xiàn)玻璃基環(huán)形振動(dòng)微陀螺諧振子的高精度批量制造。