高精度小型陀螺儀關(guān)鍵器件加工技術(shù)研究進(jìn)展

陳明君，王廷章，劉赫男，吳春亞，程 健，蘇定寧

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 精密工程研究所, 哈爾濱 150001)

慣性技術(shù)是測量載體位置、速度和運動姿態(tài)的技術(shù)，也是衡量一個國家尖端技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一[1]，并在國防和民用方面起著不可替代的作用[2]. 陀螺儀是慣性技術(shù)的核心敏感器件. 基于經(jīng)典牛頓力學(xué)的微機(jī)械陀螺儀的導(dǎo)航精度和工作壽命是其成為未來具有競爭力微陀螺儀的致命障礙[3]. 對于光學(xué)陀螺儀，光波波長限制了理論靈敏度的進(jìn)一步提高，工作原理及結(jié)構(gòu)限制了小型化和低成本化. 因此不對這兩類陀螺儀進(jìn)行綜述. 基于哥氏振動效應(yīng)的半球諧振陀螺儀具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、測量精度高、可靠性高[4]等特點，已成為執(zhí)行高價值空間任務(wù)的首選. 隨著半球諧振陀螺精度不受尺寸限制的驗證[5]，小型化已成為另一重要發(fā)展趨勢和當(dāng)前研究工作熱點.

得益于量子物理技術(shù)發(fā)展，在量子領(lǐng)域物質(zhì)波也可以干涉，于是兩類基于現(xiàn)代量子力學(xué)的陀螺便應(yīng)運而生，分別是超流體陀螺和原子陀螺. 由于物質(zhì)波的波長遠(yuǎn)小于光波，波速又遠(yuǎn)慢于光速，所以基于物質(zhì)波的陀螺靈敏度比光波干涉陀螺儀高出約10個數(shù)量級[6]. 超流體陀螺是基于超流體的約瑟夫遜效應(yīng)，當(dāng)微加工技術(shù)發(fā)展到幾十nm時，超流體中的約瑟夫遜效應(yīng)研究始于3He，因其愈合長度在可加工尺度[7]. 加州大學(xué)伯克利分校先后研制了3He和4He超流體陀螺儀[8]. 南京航空航天大學(xué)也對該類陀螺進(jìn)行了大量研究[9]. 原子陀螺儀具有精度高、可小型化、穩(wěn)定性高等特點，將成為下一代高精度陀螺儀. 原子陀螺儀主要包括原子自旋陀螺儀(ASG)和原子干涉陀螺儀(AIG)[10]. 原子自旋轉(zhuǎn)陀螺儀具有精度高和可以制造芯片級尺寸的特點，又可分為核磁共振陀螺(NMRG)和無自旋交換弛豫陀螺(SERFG)[11]. 美國最早開始核磁共振陀螺儀的研制，并在芯片化方面做了大量研究[12-13]，其第4代陀螺儀體積10 cm3，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.02(°)/h. 相對于核磁共振陀螺，無自旋交換弛豫陀螺測量精度更高，普林斯頓大學(xué)研發(fā)了SERFG陀螺儀，并搭建了實驗平臺[14]，Honeywell公司也提出了一種芯片級SERFG陀螺儀方案[15]. 原子干涉陀螺的研究始于1991年，2008年斯坦福大學(xué)研制了小型雙干涉原子陀螺，零偏穩(wěn)定性<6.6×10-3(°)/h[16]. 2016年法國天文臺研制出首臺連續(xù)型原子干涉陀螺儀[17]，其精度為當(dāng)前原子陀螺儀的國際最高水平.

高精度、低成本、輕質(zhì)量、小體積和低功耗是未來導(dǎo)航器件的主要發(fā)展方向[18]，原子陀螺、超流體陀螺和微諧振陀螺是發(fā)展方向. 本文闡述這3種陀螺儀關(guān)鍵器件的制備技術(shù)研究現(xiàn)狀，并分析工藝要求和關(guān)鍵器件對陀螺儀工作的影響，以期能夠促進(jìn)微納加工技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)的融合，從而推動慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展.

1 超流體陀螺儀關(guān)鍵器件制備工藝

1.1 關(guān)鍵器件及其加工質(zhì)量要求

弱連接是超流體陀螺儀的核心部分，通過在薄膜上制備與超流體愈合長度同數(shù)量級的納米尺寸孔實現(xiàn). 因為通過單孔的質(zhì)量流太小而不能用現(xiàn)有的方法檢測，所以采用狹縫狀孔或孔陣列的方式增加質(zhì)量流[19]. 多數(shù)學(xué)者采用孔陣列，薄膜主流厚度為50 nm或60 nm，個別學(xué)者采用70 nm. 孔徑主要取決于實驗要求，典型范圍30～100 nm，用于3He的孔徑要普遍大于用于4He的，例如100 nm孔徑則主要用于3He. 孔陣列以方形陣列為主，普遍采用65×65方陣，其次是75×75方陣. 避免相鄰孔間物質(zhì)波相互干擾的孔間距主要為3 μm或2 μm，最小為1 μm[20-22]，孔陣列的顯微圖像如圖1所示.

在弱連接制備過程中，首先，應(yīng)關(guān)注膜的完整性，弱連接薄膜通常采用SiN，具有薄且脆的特點，在薄膜的制備和孔陣列的加工過程中應(yīng)避免薄膜起皺和松弛；其次，應(yīng)注重孔的通透性，通透性與加工程度有關(guān)，加工不夠會導(dǎo)致孔沒有加工透，加工過量則會帶來孔徑擴(kuò)大的問題；最后應(yīng)該關(guān)注工藝過程的清潔性，避免沉積物堵塞加工孔[23].

圖1 掃描電子顯微鏡下弱連接孔陣列薄膜[21]

Fig.1 Scanning electron microscopy of weak link array[21]

1.2 弱連接結(jié)構(gòu)制備工藝

弱連接的特征尺寸為幾十nm，因此其加工方式經(jīng)歷了離子束加工、電子束加工和光刻加工. 目前，主流的加工方式為電子束光刻加工技術(shù). 對于狹縫狀的弱連接，Avenel等[24]在早期實驗中采用強聚焦離子束在200 nm厚的鎳箔上面加工寬300 nm、長5 μm的狹長槽. 繼而2001年Sukhatme等[25]采用電子束光刻技術(shù)在150 nm厚的薄膜上加工24條寬170 nm、長3 μm、間距為10 μm的狹長孔. 該類弱連接的特征尺寸明顯大于孔陣列的特征尺寸，加工難度相對較低，但超流體實驗效果相對較差，并逐漸被微孔陣列弱連接取代.

目前，電子束光刻技術(shù)(EBL)是弱連接孔陣列的主要加工方式. Joshi實驗室[23]采用電子束光刻法在70 nm厚SiN薄膜上加工出70 nm孔徑的陣列. 首先，通過刻蝕法制備70 nm厚SiN薄膜，過程見圖2. 雖然干法蝕刻更清潔徹底，但濕法蝕刻往往更溫和，更適合薄且脆的薄膜. 采用低壓化學(xué)氣相沉積法在雙面拋光的硅晶圓上沉積70 nm厚SiN層，然后依次去除抗蝕層、刻蝕氮化物、各向異性刻蝕硅，獲得70 nm厚SiN薄膜. 進(jìn)一步在薄膜上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯作為硬掩模進(jìn)行電子束光刻制備孔陣列. 該方法雖然可以相對完整的制備弱連接結(jié)構(gòu)，但是依然存在無法進(jìn)一步縮小孔的特征尺寸，無法解決掩模清除過程中堵塞已制備孔的問題.

圖2 70 nm厚SiN薄膜制備方法示意[23]

在弱連接制備中，研究的焦點主要集中于孔陣列的單孔尺寸和陣列間距上. 在超流體流動速度很快的情況下，孔的表面結(jié)構(gòu)必然會影響臨近速度. 因此需要關(guān)注加工后孔壁表面微結(jié)構(gòu)變化情況，單孔形狀及尺寸偏差，陣列間距一致性等更為細(xì)致的問題，以提高超流體陀螺儀的精度. 同時改進(jìn)或?qū)ふ抑苽涓】讖胶透嗫椎目钻嚵衃26]新方法，以提高超流體陀螺的靈敏度.

2 原子陀螺儀關(guān)鍵器件制備工藝

2.1 關(guān)鍵器件及其加工質(zhì)量要求

汽室是原子陀螺的心臟，汽室的制造和填充將決定系統(tǒng)的性能. 針對不同的應(yīng)用需求，汽室的形狀主要包括金字塔形空腔、立方體、球形和平面形[27-29]，如圖3所示. 汽室壁的表面粗糙度、光學(xué)透明度和平面度對陀螺儀性能至關(guān)重要. 弛豫時間是陀螺儀的主要技術(shù)指標(biāo)，影響原子核弛豫時間的主要因素包括：汽室壁的碰撞、汽室壁材料、磁場的均勻性. 汽室壁的材料各向異性將會產(chǎn)生強電場梯度，進(jìn)而影響弛豫時間. 汽室形狀通過影響汽室中原子產(chǎn)生的磁場均勻性影響原子的自磁化. 而汽室尺寸在很大程度上決定了陀螺儀的體積.

圖3 典型原子汽室形狀[27-29]

2.2 小型汽室的制備工藝

小型汽室的制備工藝主要是硅微加工技術(shù)、薄膜沉積、陽極鍵合技術(shù)和吹塑技術(shù)的集成. 硅微加工技術(shù)主要包括各向異性濕法刻蝕和深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE). DIRE技術(shù)能夠制備最小尺寸為2 μm的大深寬比微結(jié)構(gòu)，表面粗糙度為50～400 nm，主要用于制備球形汽室的吹塑模具以及平面汽室腔體. 陽極鍵合是在熱和強電場作用下使硅和玻璃接觸界面處形成氧化物從而實現(xiàn)氣密密封，應(yīng)用于汽室的封裝和球形汽室吹塑前的準(zhǔn)備過程中.

金字塔形汽室的主要制備工藝為各向異性濕法刻蝕. Perez等[30]在實驗室采用該方法在1 mm厚的雙面拋光硅晶片上制備底部尺寸為1.8 mm×1.8 mm的倒金字塔型腔. 填充氣體后采用Pyrex7740玻璃板通過陽極鍵合密封型腔制成汽室，如圖4所示. 該類汽室對表面粗糙度和面間夾角精度要求較高. 各向異性濕法刻蝕是利用不同晶向刻蝕速率不同的特點制備微結(jié)構(gòu)，由于不存在完美的各向異性刻蝕，制備高精度面間夾角便成為該類器件加工的核心問題. 未涂覆的硅表面對光的反射特性較差，因此采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法鍍膜型腔壁，膜的不均勻性會導(dǎo)致波長的光學(xué)偏移. 制備該類汽室會受較多因素影響，在幾類汽室中制造難度最大.

圖4 金字塔形汽室制備過程[30]

微玻璃吹塑工藝是基于高溫下玻璃黏度降低的特點，用密閉腔內(nèi)截留的氣體或提前放入的發(fā)泡劑將玻璃吹塑成形. 吹塑過程中密閉腔體主要通過DIRE刻蝕硅基體及陽極鍵合Pyrex玻璃與硅晶片形成. Shkel實驗室[31-33]對該汽室制備工藝進(jìn)行了大量研究，并于2007年通過理論分析和實驗研究證明了晶圓級玻璃吹塑工藝制備球形汽室的可行性，制備的小型汽室如圖5所示[34].

圖5 球形微小型汽室[34]

2008年Eklund等[35]制備的微小型汽室的過程見圖6，汽室直徑0.9 mm，表面粗糙度(12±5)nm，重疊峰值相隔6.8 GHz. 2017年Noor等[33]采用微玻璃吹塑法制備了直徑為1 mm的汽室，并應(yīng)用在核磁共振陀螺儀中，獲得0.1(°)/h1/2的角度隨機(jī)游走.

在制備過程中氣壓控制是關(guān)鍵，壓力過大會造成氣室破裂，過小則產(chǎn)生非球形汽室. 汽室成型后應(yīng)快速從爐中取出，避免玻璃殼在凝固前下垂，導(dǎo)致非球形. 相對其他方法，微玻璃吹塑工藝可以獲得光滑的型腔表面，內(nèi)表面粗糙度低至2 nm，外表面粗糙度為9 nm(外表面直接暴露于周圍的氮氣中). 球形微汽室具有三維對稱性，可以減小原子的自磁化，也使汽室允許幾乎所有方向的光學(xué)通道，使其應(yīng)用更為廣泛.

圖6 球形微小型汽室制備過程[35]

在幾種汽室中，平面汽室是制備工藝最簡單的一種. 基體材料主要是單晶硅，通過刻蝕或激光打孔制造通孔型腔，也有采用機(jī)械加工玻璃形成型腔[36]. 在型腔中放入高溫分解為混合工作氣體的化學(xué)物質(zhì)，采用陽極鍵合技術(shù)將兩塊玻璃板與腔體鍵合，形成密封汽室. 平面汽室從結(jié)構(gòu)上可以分為單腔和雙腔汽室，但其基本制備過程是一致的，典型的制備過程如圖7所示[37].

圖7 典型平面汽室的制備過程[37]

Knappe等[38]用濕法刻蝕制備了邊長1.45 mm的方形單腔汽室. Straessle等[39]嘗試使用低溫銦氣密粘接技術(shù)制備單腔汽室，并證明了該方法清潔性和氣密性良好，拓展了汽室的密封方法. 相對于單腔汽室，雙腔汽室將工作化學(xué)物質(zhì)與工作腔分離，便于激光照射分解，因此應(yīng)用更為廣泛. 最初雙腔汽室的連接通道較寬，2007年Douahi等[29]采用DIRE技術(shù)制備了該類汽室，汽室體積為1 mm3，吸收峰相隔9.2 GHz. 2011年，Hasegawa等[37]優(yōu)化汽室連接通道，將其設(shè)計為微通道，采用DIRE制備微通道及汽室整體結(jié)構(gòu)，其工作壽命可達(dá)3年，如圖8所示. 平面汽室的結(jié)構(gòu)相對簡單，制備工序少，影響工作性能的因素也較少，汽室壁的表面光潔度是主要影響因素之一. 簡單的結(jié)構(gòu)限制了其光學(xué)通道方向，從而限制了其應(yīng)用的廣泛性.

(a)汽室微通道 (b)微汽室

Northrop Grumman公司開發(fā)的微核磁共振陀螺儀[40]及Pétremand等[36]在實驗中均采用了立方體汽室，但該汽室的制備工藝未見具體報道.

3 微諧振陀螺儀關(guān)鍵器件制備工藝

3.1 關(guān)鍵器件及其加工質(zhì)量要求

微諧振器是微諧振陀螺的核心器件，其結(jié)構(gòu)為半球或近似半球形薄殼，其結(jié)構(gòu)分為帶中心桿和不帶中心桿(圖9)，直徑為0.5～7.0 mm，受工藝限制.

(a)不帶中心桿 (b)帶中心桿

品質(zhì)因數(shù)和頻率裂解是評估諧振陀螺儀性能的技術(shù)指標(biāo). 品質(zhì)因數(shù)與制備相關(guān)的影響因素是錨固損耗和表面損耗[42]. 錨固損耗可采用自對準(zhǔn)中心桿降低；表面損耗主要由表面粗糙度和金屬化損耗引起[43]. 頻率裂解主要受諧振器的對稱性偏差、缺陷和材料各向異性影響. 因此，需要制備高對稱性、高表面粗糙度和理想幾何形狀的諧振器. 諧振器材料是影響品質(zhì)因素和頻率裂解的又一重要因素，高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和各向同性材料是首選. 目前使用的材料有：多晶硅、聚晶金剛石[44]、熔融石英、金屬玻璃、Pyrex玻璃等. 其中熔融石英是一種無定形材料，無晶界影響，熱膨脹系數(shù)低，各向同性，是目前制備微諧振器的理想材料[45].

3.2 微諧振器的制備工藝

三維微諧振器的高質(zhì)量制備是諧振陀螺儀小型化所面臨的挑戰(zhàn)，也是限制微諧振陀螺儀發(fā)展的重要因素. 隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展以及對微諧振陀螺儀的深入研究，目前已研發(fā)多種工藝方法，按其核心工藝類型劃分為：薄膜沉積法、玻璃吹塑法、微吹炬成型法、微超聲加工和微細(xì)電火花加工、‘水煮蛋’微成型法(PEM)等.

3.2.1 薄膜沉積法在微諧振器加工中的應(yīng)用

薄膜沉積法主要用于制備多晶硅和多晶金剛石微諧振器，或用于制備SiO2諧振器. 低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)是從改進(jìn)化學(xué)氣相沉積而來，提高了膜厚均勻性和生產(chǎn)效率，主要用于制備多晶硅微諧振器. Sorenson等[46]采用LPCVD技術(shù)在刻蝕的球形型腔表面沉積多晶硅球殼，該球殼厚660 nm，直徑1.2 mm，品質(zhì)因數(shù)為8 000. 2015年Shao等[47]采用LPCVD技術(shù)在硅球型腔中制備多晶硅球殼，并在球殼周圍加工具有自對準(zhǔn)電極以實現(xiàn)自組裝，其Q值為11 100，頻率裂解為5 Hz(如圖10).

(a)微半球模型 (b)微半球SEM圖

Fig.10 Polysilicon micro hemisphere prepared by LPCVD[47]

熱絲化學(xué)氣相沉積法(HFCVD)是氣相沉積金剛石薄膜的主要方法之一，具有工藝成熟、成本低等優(yōu)點，缺點是薄膜質(zhì)量易受工藝穩(wěn)定性影響. Heidari等[48]采用HFCVD技術(shù)在硅襯底上制備金剛石諧振器，直徑為1 mm，壁厚1 μm，品質(zhì)因數(shù)6300，頻率裂解為17 Hz. 2015年Bernstein等[49]也采用HFCVD法制備金剛石諧振器，但采用康寧玻璃作為模具材料，以濕法同向刻蝕制備球形腔，品質(zhì)因數(shù)顯著提升至143 000，頻率裂解降低至2 Hz，如圖11(a)所示. 濺射沉積法制備SiO2膜時，厚度可控性高、均勻性好，是薄膜沉積法制備SiO2微諧振器的主要方法. Pai等[50]采用濺射沉積法制備了直徑500 μm，壁厚1 μm的SiO2諧振器，表面粗糙度為5 nm，非球度<1%，品質(zhì)因數(shù)>20 000，頻率裂解4 Hz (圖11(b)).

綜上所述，薄膜沉積法多用于制備小尺寸微諧振器(直徑<1.5 mm，甚至低至0.5 mm)，并可在硅基上制備工作電極實現(xiàn)微諧振陀螺儀自組裝以提高裝配精度，更適應(yīng)于微諧振陀螺芯片化的發(fā)展趨勢. 但薄膜沉積法制備的微諧振器普遍品質(zhì)因數(shù)較低(低于20萬)，頻率裂解偏大. 究其原因，除了結(jié)構(gòu)、尺寸以及材料的固有影響外，制備過程的影響不容忽視. 模具是微諧振器制備的核心，模具的粗糙度和不對稱性將會復(fù)印到諧振器上，因此模具的制造技術(shù)將會制約薄膜沉積法的發(fā)展.

3.2.2 玻璃吹塑法在微諧振器制備中的應(yīng)用

玻璃吹塑法可實現(xiàn)低表面粗糙度(低至0.23 nm)、高對稱結(jié)構(gòu)，需將玻璃晶片氣密地粘合到基板上，此方法主要用于制備金屬玻璃和Pyrex7740玻璃微諧振器. Sarac等[51]基于吹塑法制備了非球形金屬玻璃諧振器，直徑為500 μm(吹塑法制備的最小諧振器)，高400 μm，表面粗糙度≤2 nm，壁厚非均勻(在7～15 μm間變化). 2012年，Zotov等[52]采用吹塑法制備了主諧振器和8個衛(wèi)星球(電極)，實現(xiàn)微諧振陀螺的自組裝，如圖12，該諧振器的直徑1 mm，工作頻率945 kHz，頻率裂解Δf/f=0.7%.

2014年,Shkel實驗室[53]采用DRIE加工硅基形成型腔，加熱密閉型腔內(nèi)截留氣體制備非球形微諧振器，其直徑為4.2 mm、厚度50 μm、品質(zhì)因數(shù)40 000，頻率裂解23 Hz. 2015年,Luo等[54]利用發(fā)泡劑TiH2增加腔內(nèi)氣壓制備了直徑為7 mm，表面粗糙度低至0.332 nm的微諧振器. 2015年,Shkel實驗室[55]在吹塑法制備微諧振器方面取得了突破性進(jìn)展，制備的7 mm諧振器具有114萬的品質(zhì)因數(shù)和14 Hz的頻率裂解，如圖13.

(a)微陀螺儀概念圖 (b)微陀螺儀

玻璃微吹塑法可獲得非常低的表面粗糙度，但模具和玻璃晶圓之間的鍵合溫度限制了吹塑溫度的提升，一般只能用于制備金屬玻璃和Pyrex7740玻璃諧振器，導(dǎo)致諧振器品質(zhì)因數(shù)普遍不高. 而Senkal實驗室[55]采用吹塑法制備出114萬高品質(zhì)因數(shù)的諧振器，原因是采用熔石英作模具制備出熔融石英諧振器. 同時發(fā)現(xiàn)所有吹塑的微諧振器的裂解頻率都較高，在很大程度上說明吹塑法存在嚴(yán)重的精度問題.

3.2.3 微吹炬成型在微諧振器制備中的應(yīng)用

由于微吹塑不適用于加工熔融石英等耐高溫材料，微吹炬成型便應(yīng)運而生. 微吹炬成型中，可回流材料薄板夾持在模具之間，下模具具有通孔以控制腔內(nèi)壓力，采用噴燈可控地將被模塑材料加熱至其軟化溫度以上，在受控壓力梯度作用下使材料局部區(qū)域回流到微模具中，其基本原理如圖14[56].

圖14 微吹炬成型工藝基本原理[56]

Cho等[57]對微吹炬成型制備微諧振器進(jìn)行了大量研究工作，于2013年制備了‘鳥巢’型微諧振器，外徑尺寸為2.5 mm，高1.55 mm，壁厚70 μm，品質(zhì)因數(shù)為24.9萬，隨機(jī)游走為0.106(°)/h1/2(圖15(a))；同年，研究了微半球諧振器的制備工藝，表面粗糙度為0.53 nm，獲得21萬左右的品質(zhì)因數(shù)[56]；2015年，基于微吹炬制備的諧振器，研究了表面粗糙度及鍍膜對品質(zhì)因數(shù)的影響[58]；同年，結(jié)合微吹炬和微焊工藝制備了帶有中心桿的微半球諧振器，半徑為2.8 mm，中心桿半徑為0.5 mm，模具為球形，最終品質(zhì)因數(shù)為255萬，是目前微諧振器的最高品質(zhì)因數(shù)[59]，如圖15(b)所示.

(a) 鳥巢諧振器 (b)半球諧振器

為便于降低裂解頻率，2017年LU等[60]采用微吹炬成型工藝制備了具有8個T形質(zhì)量塊的諧振器，見圖16，將裂解頻率降至12.1 Hz，品質(zhì)因數(shù)3.7萬.

微吹炬成型關(guān)鍵參數(shù)易于控制；火焰溫度高達(dá)2 500 ℃，高于許多高Q值材料的熔點；加工耗時短，成本低，可擴(kuò)展至晶圓級批處理；控制壓差可以調(diào)整模塑方向；可制造具有超光滑表面的3D結(jié)構(gòu)[56]. 但是，目前微吹炬成型制備的諧振器特征尺寸大，頻率裂解大，所以應(yīng)縮小特征尺寸并提高加工精度才能用于芯片級諧振陀螺. 微吹塑法和微吹炬成型法制備的諧振器壁厚存在不均勻現(xiàn)象.

(a)諧振器示意圖 (b)諧振器實物

3.2.4 其他制備工藝方法研究

Visvanathan等[61]采用微超聲加工和微電火花加工技術(shù)制備了微諧振器，微電火花用于制備加工工具，其直徑為0.8 mm，真球度0.625 μm；基于微超聲加工技術(shù)在高精度和高光潔度的玻璃球上制備直徑1 mm的微諧振器，型腔深350 μm，見圖17. 控制結(jié)構(gòu)對稱性的關(guān)鍵是精確控制刀具與玻璃球球心處于同一直線. 由于該法在精度和球殼壁厚均勻性的控制方面難度很大，因此未見后續(xù)報道.

(a)帶中心桿諧振器(b)不帶中心桿諧振器

‘水煮蛋’微成型法(PEM)是薄膜沉積法的發(fā)展技術(shù)，在微球表面沉積薄膜制備微諧振器. 2012年Xie等[62]首次在高精度藍(lán)寶石球透鏡上制備犧牲層和玻璃層，通過刻蝕獲得半球形諧振器(見圖18)，其直徑為1 mm，厚度為1.2 μm，真球度為±0.125 μm，品質(zhì)因數(shù)為20 000.

圖18 PEM法制備諧振器[62]

2014年，Xie等[63]進(jìn)一步發(fā)展該技術(shù)，在高精度滾珠軸承上濺射玻璃薄膜制備微諧振器，實現(xiàn)電極間的自對準(zhǔn). PEM法和薄膜沉積法都需要緊密地結(jié)合MEMS技術(shù)，微諧振器的精度和表面質(zhì)量對模具具有很強的依賴性. 不同點是PEM法使用的凸模不是MEMS技術(shù)制備的，模具的精度相對更容易控制，但很難實現(xiàn)批量生產(chǎn).

3.2.5 制備工藝中模具的加工技術(shù)

對于薄膜沉積法，模具的精度和表面粗糙度會復(fù)印到微諧振器上. 模具材料主要是硅，少數(shù)為玻璃，通過濕法刻蝕或SF6等離子體刻蝕型腔，SF6等離子體刻蝕的模具對稱性和表面光潔度良好[45]；微細(xì)電火花技術(shù)也用于模具加工，但表面粗糙度較差，需要拋光處理[48]. 微吹塑法加工諧振器時，模具結(jié)構(gòu)簡單，一般為圓形通孔或圓環(huán)形盲孔. 模具的表面粗糙度不會對微諧振器產(chǎn)生影響，但孔的對稱性會影響諧振器的對稱性. DRIE技術(shù)和激光打孔技術(shù)主要用于硅材料模具孔的制備；濕法刻蝕用于玻璃材料模具.

微吹炬成型法制備非球形諧振器時，模具結(jié)構(gòu)主要為圓環(huán)形盲孔，對諧振器的影響與吹塑法相同. 制備球形諧振器時，模具為半球形，其粗糙度和精度會影響諧振器的制備質(zhì)量. 材料主要為耐高溫石墨，采用微銑削加工. 因此，為了提高品質(zhì)因數(shù)，降低裂解頻率，需要改善現(xiàn)有模具加工方法，探尋新的加工技術(shù)以制備更高精度的模具.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)是國內(nèi)開展半球諧振子超精密加工技術(shù)研究最早的院校之一. 圍繞諧振子超精密加工，開展了諧振子超精密磨拋機(jī)床研制、砂輪在位修整、諧振子超精密磨削和磁流變拋光等相關(guān)工作[64-67]，研制的諧振子超精密磨拋機(jī)床如圖19.

圖19 諧振子超精密磨拋數(shù)控機(jī)床

Fig.19 Resonator ultra-precision grinding and polishing CNC machine tool

超精密磨拋后諧振子的粗糙度低于5 nm(如圖20)，已用于尖端裝備. 實驗室未來工作重點是進(jìn)一步優(yōu)化諧振子超精密加工工藝，重點關(guān)注加工效率，探索多能場復(fù)合磨拋工藝；開展高精度微小型陀螺儀關(guān)鍵器件的研制工作，輔助先進(jìn)陀螺儀的研發(fā).

圖 20 諧振子超精密磨拋前后對比

Fig.20 Comparison of resonators before and after ultra-precision grinding and polishing

4 總結(jié)與展望

本文對超流體陀螺儀、原子陀螺儀和微諧振陀螺儀的關(guān)鍵器件的制備工藝研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述. 由于這些關(guān)鍵器件加工要求高,加工難度大，雖然研究多種制備工藝，但依然存在很多不足，難以滿足實際工程需求.

弱連接的研究工作聚焦在單孔尺寸和孔陣列間距上，應(yīng)進(jìn)一步探索極限孔徑的加工技術(shù)和更多孔數(shù)量陣列的加工工藝，深入研究極限尺寸下孔結(jié)構(gòu)特征的表征方法，探究孔壁微觀結(jié)構(gòu)對超流體的影響規(guī)律. 對于微汽室，金字塔型汽室制備難度大,影響因素多，應(yīng)探索替代的結(jié)構(gòu)形式；微球形汽室多采用吹塑法制備，應(yīng)進(jìn)一步控制結(jié)構(gòu)的對稱性，探索晶圓級、批量化生產(chǎn)工藝. 制備微諧振器時，薄膜沉積法可以制備更小尺寸的諧振器，實現(xiàn)自組裝，但存在品質(zhì)因素低、頻率裂解大的問題，未來應(yīng)重點關(guān)注薄膜沉積厚度的均勻性和高精度、高表面質(zhì)量模具的加工工藝；吹塑法的優(yōu)點是可以制備高表面質(zhì)量的諧振器，但只能用于低軟化溫度材料，品質(zhì)因素低，頻率裂解高，因此應(yīng)探索耐高溫材料的吹塑工藝和吹塑精度的控制方法；微吹炬成型具有諸多優(yōu)點，制備的諧振器品質(zhì)因素較高，但尺寸相對較大，應(yīng)探索更小尺寸諧振器的制備工藝；目前微諧振器普遍存在結(jié)構(gòu)對稱性差的問題，應(yīng)優(yōu)化模具制備方法，考慮融入微機(jī)械加工如微銑削以提高模具的加工精度.

綜上所述，為了促進(jìn)高精度微小型陀螺儀的研究，需要將微納加工技術(shù)與陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)緊密結(jié)合，積極開展微納加工工藝的深入研究，加工質(zhì)量表征方法的研究，加工裝備的研制工作. 以便推動慣性導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展.