電容式MEMS環(huán)形振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工

李建華，徐立新，付 博，王鳳芹

（1. 北京理工大學(xué) 機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司 MEMS中心，長治 046012）

電容式MEMS環(huán)形振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工

李建華1，徐立新1，付 博2，王鳳芹2

（1. 北京理工大學(xué) 機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司 MEMS中心，長治 046012）

微機(jī)械環(huán)形振動(dòng)陀螺儀采用四波腹工作原理，具有精度高、抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)。通常情況下為了提高電容值和信噪比，環(huán)形結(jié)構(gòu)會(huì)采用高深寬比方案，因此帶來的footing效應(yīng)直接影響了結(jié)構(gòu)加工的成品率。本文在設(shè)計(jì)環(huán)形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種在硅下表面濺射一層Al金屬層的方法，能夠避免footing效應(yīng)的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有效提高了結(jié)構(gòu)加工精度。同時(shí)，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的正確性，對加工出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃頻測試，結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率與設(shè)計(jì)值相差僅0.13%，并在此基礎(chǔ)上搭建了測控系統(tǒng)，進(jìn)一步進(jìn)行了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其零偏穩(wěn)定性指標(biāo)為101 (°)/h證明了設(shè)計(jì)和加工的可行性。

硅微環(huán)形振動(dòng)結(jié)構(gòu)；footing效應(yīng)；加工工藝；性能測試；零偏穩(wěn)定性

微機(jī)電陀螺具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)等方面的優(yōu)勢，在常規(guī)彈藥制導(dǎo)化的應(yīng)用中有著迫切的需求[1-2]。與眾多其它類型的微機(jī)械陀螺相比，振動(dòng)環(huán)式陀螺具有許多優(yōu)點(diǎn)[3]，例如，極佳的分辨率和較高的靈敏度，良好的溫度穩(wěn)定性，同時(shí)其具有抗過載沖擊能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，很適合在發(fā)射過載很高的常規(guī)彈藥上使用[4-5]。因此，研制振動(dòng)環(huán)陀螺具有重要意義。

電容式振動(dòng)環(huán)陀螺采用靜電力驅(qū)動(dòng)、電容檢測，具有體積小、響應(yīng)速度快、靈敏度高等特點(diǎn)，而且可以通過后期調(diào)整的方法來改善陀螺性能[6]。國內(nèi)外學(xué)者提出了多種電容式振動(dòng)環(huán)陀螺的制造方法，F(xiàn)arrokh Ayazi和Khalil Najafi采用多晶硅沉積方法制作了電容式振動(dòng)環(huán)陀螺[7]，其采用多晶硅制作諧振子，電容間隙僅為1.4 μm，深寬比達(dá)到40。該方法制作的振動(dòng)環(huán)陀螺性能優(yōu)異，但制作工藝非常復(fù)雜，國內(nèi)的工藝水平難以達(dá)到。由于多晶硅工藝制作難度大，Khalil Najafi和國內(nèi)的陳德勇等提出了基于硅-玻璃鍵合硅深刻蝕釋放的單晶硅振動(dòng)環(huán)陀螺的制作工藝[8]：先在單晶硅上刻蝕出諧振子和驅(qū)動(dòng)/檢測電極，接著將其翻轉(zhuǎn)與腐蝕出臺(tái)階的硼硅玻璃鍵合，隨后背面用RIE刻蝕釋放得到最后的器件。該工藝方法看似簡單，但由于硅深刻蝕過程中footing效應(yīng)的存在，工藝精度很難保證。針對以上問題，王軍波等提出采用氧化層的辦法克服 Footing效應(yīng)，具體做法是在鍵合前將硅片進(jìn)行一次氧化，制作厚度為0.1 μm的氧化保護(hù)層，這樣由于有氧化硅的保護(hù)，當(dāng)?shù)入x子體進(jìn)入空腔之后不會(huì)和硅結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)。但該方法的缺點(diǎn)是氧化硅的存在使陽極鍵合的難度增大，成品率降低。

針對硅-玻璃鍵合硅深刻蝕釋放工藝中的 foothing效應(yīng)，為解決這一問題，本文選擇了在硅的背面濺射一層Al金屬來作為刻蝕終止層材料，通過在被刻蝕硅結(jié)構(gòu)的下表面濺射一層金屬，使得熱傳遞的路徑被顯著擴(kuò)展，傳熱效率大為提高，避免了刻蝕離子電荷在介質(zhì)層上的積累，消除了內(nèi)建電場的產(chǎn)生，有效抑制了footing效應(yīng)。該工藝與王軍波等提出的工藝相比，工藝方法簡單，而且加工成品率高。

1 環(huán)形振動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)環(huán)式陀螺儀如圖1所示，它主要由振動(dòng)環(huán)諧振子、支撐彈簧，以及驅(qū)動(dòng)、檢測和控制電極等三部分組成。振動(dòng)環(huán)諧振子是陀螺的核心部分，它用于敏感角度和角速度的變化。

圖1 環(huán)形振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of MEMS VRG structure

支撐彈簧將振動(dòng)環(huán)和分布于環(huán)周圍的固定錨點(diǎn)連接在一起，起懸浮支撐振動(dòng)環(huán)的作用。提高驅(qū)動(dòng)力有益于提高陀螺的檢測靈敏度。同時(shí)，電容檢測原理要求檢測電容的極板間距盡可能小且極板正對面積盡可能大，這樣有益于增大檢測信號。所以在設(shè)計(jì)振動(dòng)環(huán)陀螺時(shí)，電極和振動(dòng)環(huán)之間的間距很小，一般小于5 μm，本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)環(huán)陀螺間距為4 μm。另外，振動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)的厚度要大，以提供足夠大的檢測電容正對面積，本文設(shè)計(jì)為100 μm。由上述分析可知，為提高陀螺性能，要求陀螺具有高深寬比和高對稱性結(jié)構(gòu)。由于采用單晶硅作為諧振子材料，在釋放懸浮結(jié)構(gòu)時(shí)。需要采用陽極鍵合方法將可動(dòng)部件采用懸臂支撐的方式固定在玻璃襯底上。

用有限元軟件Ansys對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，求得固有頻率和振型。模態(tài)分析一般用于確定所設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，通過模態(tài)分析可以確定器件結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，包括固有頻率、振型等。在頻率100～20 000 Hz內(nèi)做諧響應(yīng)分析，模態(tài)分析結(jié)果顯示，在100～20 000 Hz頻率范圍內(nèi)共有10階模態(tài)，其中第8階和第9階模態(tài)在XY平面內(nèi)振動(dòng)，頻率分別為14 255 Hz和14 258 Hz。據(jù)振動(dòng)環(huán)陀螺的工作原理，這兩階振動(dòng)模態(tài)分別用作驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測模態(tài)，如圖2所示。

圖2 MEMS VRG結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)模態(tài)（左圖，諧振頻率14 255 Hz）和檢測模態(tài)（右圖，諧振頻率14 258 Hz）Fig.2 Drive mode (left figure, resonant frequency 14 255 Hz) and sense mode (right figure, resonant frequency 14 258 Hz) of MEMS VRG structure

2 基于單晶硅材料的環(huán)形振動(dòng)結(jié)構(gòu)加工

已有研究發(fā)現(xiàn)，在加工工藝的刻蝕環(huán)節(jié)中，F(xiàn)ooting效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的刻蝕效果影響很大，而且footing效應(yīng)的形成跟電荷的積累有關(guān)：由于刻蝕過程中 lag效應(yīng)的存在，大面積刻蝕的區(qū)域先被刻蝕穿通，小面積刻蝕的區(qū)域被刻蝕地較慢。當(dāng)小面積刻蝕區(qū)域還沒有刻蝕通而大面積區(qū)域被刻蝕通后，小面積區(qū)域需要繼續(xù)刻蝕，而此時(shí)大面積刻蝕區(qū)域受到過刻蝕。帶電的刻蝕基團(tuán)、離子穿過刻蝕通的區(qū)域后濺射到襯底上，如果襯底是玻璃或者二氧化硅等介質(zhì)層，刻蝕基團(tuán)離子所帶的電荷就會(huì)被捕獲，形成電場，后來的刻蝕離子受到電場力的排斥改變原來豎直向下的運(yùn)動(dòng)軌跡，對硅結(jié)構(gòu)側(cè)壁、底部進(jìn)行刻蝕，引起footing效應(yīng)，原理如圖3所示。針對footing效應(yīng)產(chǎn)生的影響，本文提出了將金屬Al濺射到硅結(jié)構(gòu)的下表面的方法：將金屬濺射在整個(gè)硅結(jié)構(gòu)的下表面，提高了接觸面積，減小了接觸電阻，繼而提高了電荷的轉(zhuǎn)移效率，大大減小了footing效應(yīng)的影響。

基于上述抑制footing效應(yīng)的方法，本文設(shè)計(jì)了基于單晶硅材料的加工工藝，分為以下8個(gè)步驟：

① 在單晶硅上制作臺(tái)階錨點(diǎn)：在雙拋的（111）晶向的單晶硅表面甩膠2μm，光刻，利用光刻膠做掩膜，用SPTS公司的ICP 系統(tǒng)刻蝕高度為20μm的臺(tái)階，這些臺(tái)階用作與玻璃鍵合時(shí)的錨點(diǎn)，如圖4(a)。

② 磁控濺射Al金屬層：不去除光刻膠，接著用磁控濺射機(jī)在其表面沉積一層 Al，厚度 100nm，如圖4(b)，該層Al金屬用作深刻蝕的自停止層。

③ 剝離光刻膠：采用lift-off工藝，在丙酮中剝離，去除光刻膠及上面附著的Al，得到圖4(c)的結(jié)構(gòu)。

④ 硅/玻璃陽極鍵合：把硅翻轉(zhuǎn)，與 Pyrex玻璃在鍵合機(jī)中進(jìn)行雙面對準(zhǔn)和鍵合，見圖4(d)。溫度350℃，極板壓力1000 N，電壓1000 V，真空度為3×10-3mbar，時(shí)間10min。

⑤ 對硅厚度進(jìn)行減?。烘I合完成后，利用研磨機(jī)（Logitech PM5）對硅片進(jìn)行減薄，加上臺(tái)階高度余厚為120μm，即硅結(jié)構(gòu)厚度為100μm，如圖4(e)。

⑥ 制作Al電極：在減薄后的硅片表面濺射2μm厚的Al，并光刻、腐蝕出Al電極，如圖4(f)所示。

⑦ 利用ICP DRIE進(jìn)行結(jié)構(gòu)釋放：在硅的表面涂膠、光刻，進(jìn)行DRIE刻蝕，釋放結(jié)構(gòu)，如圖4(g)。

⑧ 去除光刻膠和Al后的最終結(jié)構(gòu)：去除光刻膠和Al金屬層，得到最后的陀螺結(jié)構(gòu)，如圖4.1(h)。

圖3 Footing效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理Fig.3 Generation mechanism of Footing effect

圖4 MEMS VRG結(jié)構(gòu)的加工工藝Fig.4 Fabrication process of MEMS VRG

經(jīng)過上述加工工藝，得到了尺寸為6mm×6mm的VRG結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

在劃片后對單個(gè)陀螺在顯微鏡下進(jìn)行了觀察，4 μm的電容間隙線寬損失小于0.2 μm，而且線條刻蝕整齊，側(cè)壁垂直。從器件背面觀察，由于采用了Al金屬刻蝕自停止層，在刻蝕結(jié)構(gòu)的下方?jīng)]有發(fā)生footing效應(yīng)，這樣就保證了驅(qū)動(dòng)和檢測梁的線寬基本沒有損失，使加工誤差做到了最小，驗(yàn)證了上述工藝的正確性。

圖5 MEMS VRG實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Photo of MEMS VRG

3 實(shí) 驗(yàn)

通過網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器搭建的掃頻測試平臺(tái)，將加工出的VRG結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃頻：在驅(qū)動(dòng)電極加驅(qū)動(dòng)掃頻信號，首先通過驅(qū)動(dòng)電路濾波穩(wěn)壓，經(jīng)反相放大器反相，正相、反相兩路信號分別疊加+10 V直流偏置分量，作為差動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號分別加到陀螺芯片的驅(qū)動(dòng)模態(tài)。載波發(fā)生電路產(chǎn)生高頻載波，接到陀螺芯片內(nèi)環(huán)的公共極板，保證陀螺輸出信號的信噪比和穩(wěn)定性。檢測端輸出的電容變化信號由 C/V變換將電容信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后，經(jīng)過放大和解調(diào)最終讀出陀螺的幅頻曲線。經(jīng)掃頻測試，四波腹模態(tài)的諧振頻率為14 273 Hz，品質(zhì)因數(shù)（Q值）為51，該測試結(jié)果（如圖6所示）與仿真結(jié)果（設(shè)計(jì)值為14 255 Hz）非常接近，僅相差18 Hz。諧振頻率的測試結(jié)果表明采用帶有刻蝕自停止層的體硅加工工藝制備的振動(dòng)環(huán)陀螺具有很高的加工精度，能有效避免由于footing效應(yīng)存在引起的加工誤差，是制備高精度振動(dòng)環(huán)陀螺的先進(jìn)工藝。

在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了真空封裝，采用檢測全閉環(huán)的工作方式搭建了VRG測控系統(tǒng)[9-11]，測試電路板照片如圖 7所示，其中驅(qū)動(dòng)模態(tài)采用了 AGC自激閉環(huán)控制方式。利用轉(zhuǎn)臺(tái)對 VRG陀螺樣機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定，得到其標(biāo)度因數(shù)為4.2 mV/(°/s)。進(jìn)一步的，在靜態(tài)狀況下對其輸出信號進(jìn)行采集，采樣率為1 Hz，陀螺輸出曲線如圖8所示，對其進(jìn)行Allan方差分析的曲線如圖9所示，通過計(jì)算得到其零偏穩(wěn)定性為101 (°)/h，初步驗(yàn)證了VRG樣機(jī)的性能。

圖6 VRG驅(qū)動(dòng)模態(tài)掃頻曲線Fig.6 Frequency scanning curve of VRG structure drive mode

圖7 VRG測控電路板照片F(xiàn)ig.7 VRG system photo

圖8 VRG靜態(tài)測試曲線Fig.8 VRG static testing curve

圖9 VRG Allan方差曲線Fig.9 VRG Allan variance curve

4 結(jié) 論

硅微環(huán)形諧振陀螺采用四波腹工作原理，由于結(jié)構(gòu)深度大，因此帶來的footing效應(yīng)影響了結(jié)構(gòu)加工的成品率。本文在設(shè)計(jì)環(huán)形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究了基于Al金屬層的刻蝕自停止工藝步驟有效抑制了 footing效應(yīng)，從而大大提高了結(jié)構(gòu)成品率。同時(shí)，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的正確性，本文對加工出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃頻測試，并在此基礎(chǔ)上搭建了測控系統(tǒng)，進(jìn)一步進(jìn)行了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其零偏穩(wěn)定性指標(biāo)為 101 (°)/h，證明了設(shè)計(jì)和加工的可行性。

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Structure design and processing of capacitive MEMS vibrating ring gyroscope

LI Jian-hua1, XU Li-xin1, FU Bo2, WANG Feng-qin2
(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. MEMS Center, Huaihai Industries Group Co. Ltd, Changzhi 046012, Shanxi, China)

The MEMS vibrating ring gyroscope, which is based on four-antinode working principle, usually adopts high depth-to-width ratio structure to improve the capacitive value and SNR, which brings the Footing effect and makes the fabrication process more difficult. To solve this problem, a novel method is proposed which utilizes the Al metal layer attached under the silicon surface to restrain the footing effect. The fabrication results show that this method can effectively increase the processing precision of the structure. To verify the correctness of the designed structure, the frequency-sweeping testing on the structure manufactured is carried out, and based on this, the measurement and monitoring system is established. The static test is carried out, and the results show that the bias stability index of VRG sample is 101 (°)/h, which prove the feasibility of the design and the fabrication process.

silicon micro vibrating ring structure; footing effect; processing technique; performance test; bias stability

U666.1

A

1005-6734(2017)02-0240-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.02.019

2017-01-11；

2017-03-25

國家自然科學(xué)基金NSAF基金（U1630119）；北京理工大學(xué)學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃基金

李建華（1976—），男，博士，講師，從事微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)研究。Email: jhli@bit.edu.cn