圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法

李志偉，張衛(wèi)平，谷留濤，劉朝陽(yáng)，朱甲強(qiáng)

(1.微米／納米加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子學(xué)系，上海 200240)

0 引言

陀螺是一種能夠敏感檢測(cè)載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。隨著國(guó)防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于陀螺的要求也向著低成本、小體積、高精度、多軸檢測(cè)、高可靠性、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展。微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)利用微電子技術(shù)在微納加工制造等領(lǐng)域的應(yīng)用使得器件小型化成為可能，在此基礎(chǔ)上，基于Coriolis效應(yīng)的MEMS微陀螺逐漸興起。基于MEMS技術(shù)的微陀螺采用微納制造技術(shù)批量加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且環(huán)境適應(yīng)性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統(tǒng)技術(shù)相比有極大的提高。多環(huán)型MEMS陀螺由于其全對(duì)稱結(jié)構(gòu)而具有諧振頻率匹配好、對(duì)振動(dòng)和加速度抑制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)環(huán)形諧振器沒有大的集中質(zhì)量塊從而具有更好的抗沖擊性能。因此，MEMS多環(huán)諧振陀螺成為慣性器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-4]。

最早的環(huán)形陀螺為單環(huán)陀螺。日本的Silicon Sensing公司所制造的單環(huán)陀螺采用電磁驅(qū)動(dòng)和測(cè)量的原理，諧振器僅為一圈環(huán)。美國(guó)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和波音公司在單環(huán)諧振陀螺的基礎(chǔ)上提出了多環(huán)結(jié)構(gòu)的MEMS碟形陀螺方案，即多環(huán)諧振盤式陀螺。2013年，美國(guó)斯坦福大學(xué)研制出了一種多環(huán)諧振陀螺，該陀螺以中心錨點(diǎn)為支撐，采用多圈同心圓環(huán)作為諧振結(jié)構(gòu)[5]。國(guó)內(nèi)對(duì)多環(huán)陀螺的研究起步較晚。2017年，上海交通大學(xué)制備出直徑為4mm的硅微圓盤多環(huán)諧振陀螺，并對(duì)有關(guān)性能的測(cè)試方法作了介紹[6-7]。2018年，國(guó)防科技大學(xué)研制出一種通過懸掛質(zhì)量塊來降低諧振頻率的多環(huán)陀螺，同年還提出了一種類似于蜂巢狀的多環(huán)新型諧振器[8]。蘇州大學(xué)也于2018年提出了蜘蛛網(wǎng)狀的新結(jié)構(gòu)[9]。

基于以上研究，本文提出了一種圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺，這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過內(nèi)雙梁的柔性降低了多環(huán)諧振子的剛度，可以增加諧振子的靈敏度，保持了環(huán)式陀螺的高對(duì)稱性。同時(shí)，本文也對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝進(jìn)行了研究。

1 圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺的三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要由基底、圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振器以及一組分布在圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振器外圍邊緣的電極構(gòu)成。

圖1 圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺的三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Three-dimensionalstructure diagram of disc multi-ring resonator gyroscope with inner double-beams

其中，諧振器是圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺的核心結(jié)構(gòu)，直徑為4mm的多環(huán)諧振器包含了中央圓柱、8個(gè)雙梁孤立圓環(huán)、10個(gè)同心圓環(huán)以及16組輻條，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示。中央圓柱與基底相連，位于諧振器的中心位置，起到固定支撐的作用；多個(gè)同心圓環(huán)的中心軸均與中央圓柱的中心軸重合，以盡可能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)稱、受力均勻，且多個(gè)同心環(huán)寬度相等，環(huán)與環(huán)之間間隔相等；同心圓環(huán)之間通過多個(gè)輻條相連，同心圓環(huán)間的輻條均勻間隔排列，輻條個(gè)數(shù)為16個(gè)，每組輻條間隔角度為22.5°；8個(gè)雙梁孤立圓環(huán)均勻分布，間隔45°，其兩端均分別與中央圓柱和同心圓環(huán)中最小圓環(huán)內(nèi)側(cè)相連；輻條、雙梁寬度與同心圓環(huán)的寬度相同。

電極將多環(huán)陀螺產(chǎn)生的信號(hào)傳輸?shù)酵獠侩娐?，電極與多環(huán)諧振器的相對(duì)位置如圖2(b)所示。電極分布在圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁孤立圓環(huán)諧振器外圍邊緣，且每個(gè)電極分別與基底相連。電極為8個(gè)扇環(huán)形狀的結(jié)構(gòu)，8個(gè)電極的位置與8個(gè)雙梁孤立圓環(huán)的位置一一對(duì)應(yīng)，且每個(gè)電極的中心軸均與圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁孤立圓環(huán)諧振器的中心軸重合，8個(gè)電極與同心圓環(huán)中最大圓環(huán)之間的間隙距離均相等，電極包含4個(gè)驅(qū)動(dòng)電極和4個(gè)檢測(cè)電極，驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極沿諧振器外圍邊緣均勻間隔排布。

基底起到承載整個(gè)器件的固定支撐作用，其結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。基底上設(shè)有凸出的部分，凸出的部分包括中央圓柱和8個(gè)外圍邊緣離散的扇環(huán)部分。其中，中央圓柱和8個(gè)外圍邊緣離散的扇環(huán)部分的高均相等，8個(gè)外圍邊緣離散的扇環(huán)部分等間距分布且每個(gè)扇環(huán)部分的寬均相等。基底上最外圍邊緣為8個(gè)等間距分布的電極片，電極片與外圍邊緣離散的扇環(huán)部分的位置一一對(duì)應(yīng)，電極片分別與外圍邊緣離散的扇環(huán)部分用導(dǎo)線相連，且電極片與外圍邊緣離散的扇環(huán)部分之間的距離均相等，每個(gè)電極片的寬度、厚度均相等?；咨系闹醒雸A柱上將引出一條引線，用于接地或接零電勢(shì)。

圖2 圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Internalstructure diagram of disc multi-ring resonator gyroscope with inner double-beams

2 圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺的模態(tài)分析

MEMS多環(huán)陀螺在工作時(shí)，同心圓環(huán)諧振子的振動(dòng)形態(tài)比較復(fù)雜。因此，本文利用有限元軟件對(duì)圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺的振型以及每個(gè)模態(tài)的特征頻率進(jìn)行分析。首先，利用Comsol有限元軟件建立內(nèi)雙梁及同心圓環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的機(jī)械模型，并進(jìn)行網(wǎng)格化分，如圖3所示。

圖3 圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺模型及網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Model and meshing diagram of disc multi-ring resonator gyroscope with inner double-beams

之后，對(duì)陀螺進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)仿真分析。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，諧振頻率為36938Hz和36975Hz的振動(dòng)模態(tài)正好對(duì)應(yīng)于波數(shù)n＝2的面內(nèi)“圓-橢圓-圓”四波腹振動(dòng)模態(tài)，其振型如圖4所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)使陀螺諧振子共振時(shí)，可激勵(lì)出諧振子在驅(qū)動(dòng)軸方向的振動(dòng)，稱為驅(qū)動(dòng)模態(tài)，如圖4(a)所示。當(dāng)敏感軸有輸入角速度Ωz時(shí)，由于科氏力的作用，可激勵(lì)出諧振子在檢測(cè)軸方向的振動(dòng)，稱為檢測(cè)模態(tài)，如圖4(b)所示。對(duì)于完全對(duì)稱的環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)，這兩種模態(tài)的振動(dòng)波腹與波節(jié)是嚴(yán)格正交的，而且這兩種振動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)主軸(波腹軸)之間的夾角是45°。本文所設(shè)計(jì)的圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁結(jié)構(gòu)工作模態(tài)與干擾模態(tài)最小頻差為2772Hz，驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)頻差為37Hz，既可以遠(yuǎn)離環(huán)境振動(dòng)的干擾，也能在較高靈敏度的基礎(chǔ)上保證帶寬。

圖4 諧振陀螺四波腹振動(dòng)模態(tài)示意圖Fig.4 Schematic diagram of resonant gyroscope four-antinodes vibration modal

3 圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺的實(shí)施工藝設(shè)計(jì)

通過MEMS工藝最終制備出來的圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺主要有三個(gè)部分：1)基底層；2)連接于基底上的錨點(diǎn)層；3)連接于錨點(diǎn)上的器件層。器件層的制備都是基于成熟的硅微工藝，因此對(duì)于整個(gè)工藝流程而言，關(guān)鍵在于中間錨點(diǎn)層的制備和其與另外兩層的連接問題。針對(duì)這一問題，本文提出了兩種解決方案。

3.1 基于SOI片的工藝設(shè)計(jì)

第一種方案利用SOI片的三層結(jié)構(gòu)，device layer作為器件層，oxide layer作為錨點(diǎn)層，handle layer作為基底層。然后，直接在device layer上制作出器件層，暴露出oxide layer。最后，通過各向同性濕法腐蝕，控制好時(shí)間，使得器件層懸浮結(jié)構(gòu)下的二氧化硅被完全腐蝕掉的同時(shí)，非懸浮結(jié)構(gòu)下的二氧化硅還有保留，這些保留的二氧化硅就是錨點(diǎn)層。具體的工藝流程如圖5所示。

步驟1：如圖5(a)所示，對(duì)SOI片進(jìn)行預(yù)處理。SOI片表面可能存在熱氧化層，采用稀釋的氫氟酸浸泡30min，然后用去離子水清洗并甩干，完成SOI片的清潔。

圖5 基于SOI的工藝流程圖Fig.5 Process flowchart based on SOI

步驟2：如圖5(b)所示，制作電極并圖形化。在SOI片的器件層表面濺射Au電極材料，并利用光刻得到電極圖形，然后采用離子束刻蝕的方式對(duì)Au進(jìn)行刻蝕，得到電極圖案，刻蝕完成后用丙酮去除光刻膠。

步驟3：如圖5(c)所示，對(duì)器件進(jìn)行刻蝕。首先利用光刻在器件層表面得到諧振器的同心圓環(huán)、輻條、雙梁結(jié)構(gòu)等圖形，之后利用深反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)對(duì)SOI片的器件層硅進(jìn)行刻蝕，得到多環(huán)結(jié)構(gòu)。這一步是得到結(jié)構(gòu)圖形的關(guān)鍵步驟，要注意光刻的精準(zhǔn)度，這直接決定了最終結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

步驟4：如圖5(d)所示，懸空結(jié)構(gòu)的釋放，這一步是得到懸空諧振結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。采用濕法各向同性的腐蝕方式對(duì)懸空結(jié)構(gòu)下方的氧化硅進(jìn)行釋放，這一步需要進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究。腐蝕時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致過度釋放，將需要保留的氧化硅也釋放掉；而腐蝕時(shí)間過短則無法將懸空結(jié)構(gòu)完全釋放，導(dǎo)致器件無法工作。

這種方法很簡(jiǎn)便，工藝實(shí)施比較容易，但是也有明顯的缺陷。這種方法只適用于錨點(diǎn)面積明顯大于懸空結(jié)構(gòu)面積的器件，因?yàn)獒尫诺倪^程是很難準(zhǔn)確控制的。對(duì)于小面積的錨點(diǎn)，極有可能在釋放過程中也被腐蝕掉，從而破壞結(jié)構(gòu)。即便是比較大的錨點(diǎn)，也必然會(huì)發(fā)生一定的腐蝕，即使不至于破壞結(jié)構(gòu)，但是器件的對(duì)稱性、結(jié)構(gòu)完整性也會(huì)受到損傷。因此，本文提出了另一種更加可靠的工藝方案。

3.2 基于陽(yáng)極鍵合的工藝設(shè)計(jì)

這種方案的總體思路是器件層與基底層采用分立的材料來進(jìn)行制作，之后通過陽(yáng)極鍵合的方式把二者結(jié)合起來。通過先進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)加工再鍵合的方式直接得到懸空的結(jié)構(gòu)，從根本上避免了濕法釋放的環(huán)節(jié)，因而對(duì)過度釋放或者釋放不足的缺陷進(jìn)行了克服，具體的工藝流程如圖6所示。

圖6 基于陽(yáng)極鍵合的工藝流程圖Fig.6 Process flow flowchart based on anodic bonding

步驟1：如圖6(a)所示，對(duì)玻璃基片進(jìn)行清洗。先用配比好的溶液(H2O2∶H2SO4＝1∶3)浸泡20min，然后用去離子水清洗并甩干，最后在180℃烘箱中烘30min。

步驟2：如圖6(b)所示，對(duì)錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕。這一步可以采用濕法腐蝕或者干法刻蝕的方式對(duì)玻璃基底進(jìn)行刻蝕，以得到錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)，同時(shí)獲得器件懸空的空間。

步驟3：如圖6(c)所示，對(duì)刻蝕完成的基底去除光刻膠和刻蝕掩模并進(jìn)行清洗，同時(shí)對(duì)待鍵合的硅片也進(jìn)行清洗。

步驟4：如圖6(d)所示，將清洗后的玻璃基底和單晶硅片通過陽(yáng)極鍵合工藝鍵合在一起。其中，鍵合溫度為350℃，直流電壓為800V，壓強(qiáng)為0.25MPa。

步驟5：如圖6(e)所示，制作電極并圖形化。在SOI片的器件層表面濺射Au電極材料，并利用光刻得到電極圖形，然后采用離子束刻蝕的方式對(duì)Au進(jìn)行刻蝕，得到電極圖案，刻蝕完成后用丙酮去除光刻膠。

步驟6：如圖6(f)所示，對(duì)器件進(jìn)行刻蝕。利用光刻在器件層表面得到諧振器的同心圓環(huán)、輻條、雙梁結(jié)構(gòu)等圖形，之后利用DRIE對(duì)SOI片的器件層硅進(jìn)行刻蝕，直接得到懸空的多環(huán)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁孤立圓環(huán)諧振陀螺，并對(duì)其基底、電極、諧振器三部分主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)多環(huán)諧振器的振動(dòng)原理進(jìn)行了模態(tài)分析，并提出了基于SOI片和基于陽(yáng)極鍵合的兩種不同的MEMS加工工藝，本文的研究為今后進(jìn)一步研究、制備、測(cè)試圓盤多環(huán)內(nèi)雙梁諧振陀螺奠定了一定基礎(chǔ)。