專利名稱：制造振動結(jié)構(gòu)陀螺的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造振動結(jié)構(gòu)陀螺的方法，該陀螺具有硅質(zhì)基本上呈平面環(huán)形的振動結(jié)構(gòu)，以及用于向該振動結(jié)構(gòu)傳遞驅(qū)動運動并檢測其運動的電容裝置。這種制造方法尤其適用于通過微細加工來生產(chǎn)振動結(jié)構(gòu)陀螺。
微細加工型振動結(jié)構(gòu)陀螺能夠以較低的單位成本進行大量生產(chǎn)。這為新興商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域開拓了多樣性，例如汽車底盤控制與導航系統(tǒng)以及便攜式攝錄機致穩(wěn)等。
傳統(tǒng)的振動結(jié)構(gòu)陀螺可利用各種諧振器設(shè)計結(jié)構(gòu)來加以構(gòu)造。這些結(jié)構(gòu)包括振動梁、音叉、汽缸、半球形殼及環(huán)。由于微細加工工藝固有的平面特性，并非所有這些結(jié)構(gòu)都適于進行微細制造。晶片加工技術(shù)在晶片平面內(nèi)產(chǎn)生的尺寸誤差和對準精度均很高。對于環(huán)形結(jié)構(gòu)來講，所有諧振運動均發(fā)生在環(huán)形平面內(nèi)，因此正是這些尺寸對于器件性能起著最為關(guān)鍵的作用。因而平面環(huán)形結(jié)構(gòu)尤其適于采用這些方法來生產(chǎn)，并已有若干已知設(shè)計方案。這些方案包括文獻EP-B-0619471，EP-A-0859219，EP-A-0461761中所描述的電感式驅(qū)動與檢測裝置，以及文獻US-A-5547093中另外描述的電容式驅(qū)動與檢測裝置。
在前面提到的電感器件中，諧振器結(jié)構(gòu)是由晶體硅片刻蝕而成的。然而需要對其施加磁場以產(chǎn)生傳感器作用。采用由永久磁鐵和異形磁極片組成的磁路可方便地實現(xiàn)這一目的。這些都必須采用傳統(tǒng)的加工技術(shù)來制造，并且需要與諧振器結(jié)構(gòu)進行后續(xù)組裝并精確對準。這就限制了器件可能達到的小型化程度，并大大增加了單位成本。
文獻EP-B-0619471中描述的器件也是由晶體硅片刻蝕而成的，但其優(yōu)點是采用了晶片加工與組裝技術(shù)來制造驅(qū)動與拾取傳感器結(jié)構(gòu)，而無需操作其它非微細加工元件。于是其設(shè)計與制造方法可以與器件尺寸相兼容，該尺寸比電感器件的尺寸要小得多。該設(shè)計方案采用一疊三層粘合晶片，各晶片必須單獨處理并精確對準。傳感器的增益系數(shù)取決于晶片之間形成諧振腔的深度，因而其器件特性也取決于此。盡管微細制造工藝能夠在晶片平面內(nèi)提供精確的對準及容差，但對該第三條軸線的尺寸控制精確度較低會導致器件特性產(chǎn)生難以估量的變化。這種器件的另一缺點是制造步驟繁多并且需要進行雙面晶片加工。因此，盡管該設(shè)計方案確實可以制成潛在的小型器件，且不需要制造及組裝磁路元件，但制造的復雜性仍會導致單位成本提高。
文獻US5547093中描述的器件也具有驅(qū)動與拾取傳感器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是采用晶片加工技術(shù)生產(chǎn)的并且能夠進行小尺寸制造。該設(shè)計另外的優(yōu)點是關(guān)鍵性的傳感器間隙都處于硅片平面內(nèi)，因而可精確加以控制。然而，與前述器件不同，此時諧振器是由電成形金屬構(gòu)造而成的。對于由晶體硅刻蝕成的器件，制造諧振器所用材料的機械性能不受制造工藝的影響。任何振動結(jié)構(gòu)陀螺的性能主要取決于諧振器機械性能的本來特性和穩(wěn)定性。晶體硅片能夠支持具有諧振特性的高Q值振蕩，該特性對于溫度是穩(wěn)定的，因而晶體硅片是一種理想的諧振器材料。電成形金屬難以與晶體硅之近似最佳彈性與均勻性相配。為了使沉積工藝的均勻性達到最優(yōu)化，必須保持恒定的特征尺寸。這就要求振動結(jié)構(gòu)中環(huán)和支架的寬度相等，且嚴格限制了諧振器尺寸設(shè)計的靈活性。所構(gòu)成結(jié)構(gòu)的模態(tài)特征受諧振器支架所支配，且產(chǎn)生潛在的安裝靈敏度問題并使模態(tài)平衡過程復雜化。制造這種結(jié)構(gòu)是一個復雜過程，包含許多加工步驟，這又反過來會影響器件晶片的產(chǎn)量及制造成本。
GB專利申請第9817347.9號描述了一種電容式驅(qū)動與檢測的環(huán)形振動結(jié)構(gòu)即諧振器，它可由大塊晶體硅制成。該結(jié)構(gòu)的平面圖示于

圖1中。
需要有一種方法來制造這種陀螺以達到更高精度，同時確保所構(gòu)成的振動結(jié)構(gòu)能夠保持硅的機械特性。
本發(fā)明的一個方面是提供一種制造振動結(jié)構(gòu)陀螺的方法，該陀螺具有硅質(zhì)基本上呈平面環(huán)形的振動結(jié)構(gòu)，用于向該振動結(jié)構(gòu)傳遞驅(qū)動運動并檢測其運動的電容裝置，以及電容裝置周圍的屏蔽層，該方法包括以下步驟在平板狀玻璃或硅基片的表面之一上沉積第一層光刻膠，對第一層光刻膠進行硬化、圖形制備及顯影，以暴露出基片的選定區(qū)域，對基片的所述暴露區(qū)域進行刻蝕以形成凹槽，將形成凹槽的基片上剩余的第一層光刻膠剝離，在基片形成所述凹槽的表面上粘附一層硅，在硅層最遠離其與基片相粘附表面的另一表面上沉積一層鋁，在鋁層相對于硅層的最外表面上沉積第二層光刻膠，對第二層光刻膠進行硬化、圖形制備及顯影，以暴露出鋁層的選定區(qū)域，對鋁層的所述選定區(qū)域進行刻蝕，在硅層部分區(qū)域留下鋁從而形成用于使屏蔽層接地的壓焊區(qū)、用于形成電容式驅(qū)動與檢測裝置接點的壓焊區(qū)、以及用于與硅質(zhì)基本上呈平面環(huán)形的振動結(jié)構(gòu)接電的壓焊區(qū)，從鋁層剝離剩余的第二層光刻膠，在硅層上沉積第三層光刻膠，覆蓋住剩余的沉積有鋁層的區(qū)域，對第三層光刻膠進行硬化、圖形制備及顯影，以暴露出硅層的選定區(qū)域，對硅層上暴露的選定區(qū)域進行反應(yīng)性離子深刻蝕，以使硅層構(gòu)成電容式驅(qū)動與檢測裝置、周圍屏蔽層，以及靠軸心固定在基片凹槽上方的平面環(huán)形振動結(jié)構(gòu)，使該環(huán)形結(jié)構(gòu)能夠自由振蕩，并且使電容式驅(qū)動與檢測裝置、屏蔽層以及環(huán)形振動結(jié)構(gòu)彼此之間電絕緣。
光刻膠最好是通過旋轉(zhuǎn)涂布法(甩膠)來沉積并通過烘焙加以硬化。
利用各向同性濕法刻蝕工藝可便利地對基片選定區(qū)域加以刻蝕，該區(qū)域是通過對第一層光刻膠顯影而暴露出來的。
有利地，基片可由玻璃制成，硅層通過陽極耦合附著在其上。
或者，基片也可由硅制成，其受熱氧化產(chǎn)生表面氧化層，硅層通過熔接附著在其上。
通過濺射可便利地將鋁層附著在硅層上。
最好采用磷酸基處理工藝對鋁層上的暴露區(qū)域進行刻蝕。
為了更好地理解本發(fā)明并展示如何實現(xiàn)本發(fā)明，下面將通過示例并參照附圖加以說明，附圖中圖1是從電容式驅(qū)動與檢測環(huán)形振動結(jié)構(gòu)即諧振器陀螺上方所見的示意圖，該結(jié)構(gòu)并非根據(jù)本發(fā)明而是如GB專利申請第9817347.9號所描述及要求保護的結(jié)構(gòu)；圖2是對應(yīng)于圖1中A-A線的橫截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明制造如圖1所示陀螺之方法中的第一階段；圖3是與圖2相似的視圖，示出了本發(fā)明之方法中的另一階段；圖4是與圖2和3相似的視圖，示出了本發(fā)明之方法中的又一階段，以及圖5是沿圖1中A-A線所做的橫截面圖，示出了本發(fā)明之方法中的另一階段。
根據(jù)本發(fā)明的制造振動結(jié)構(gòu)陀螺的方法適用于制造如圖1所示的陀螺，該陀螺具有硅質(zhì)基本上呈平面環(huán)形的振動結(jié)構(gòu)1，它由基本呈平面環(huán)形的硅質(zhì)諧振器2構(gòu)成，并通過硅質(zhì)支架3來支承，該支架從環(huán)形諧振器2向內(nèi)伸到中央硅質(zhì)軸心4。圖1所示陀螺具有用于向環(huán)形諧振器2傳遞驅(qū)動運動的電容式驅(qū)動裝置5，以及用于檢測并拾取環(huán)形諧振器2之運動的電容式檢測裝置6。陀螺裝置包含由玻璃制成的基片，如圖2至5所示，其熱膨脹系數(shù)與硅層8的熱膨脹系數(shù)相匹配，以使熱致應(yīng)力達到最小?？蛇x地，基片7也可由硅制成，使得其熱膨脹系數(shù)與硅層8的熱膨脹系數(shù)精確相等。
用于制造如圖1所示類型振動結(jié)構(gòu)陀螺的本發(fā)明方法包括以下步驟在平板狀玻璃或硅基片7的表面之一沉積第一層光刻膠9，如附圖2所示。所用光刻膠最好為工業(yè)標準的“正性光刻膠”，例如ShipleyS1818SP16。第一層光刻膠9最好是通過旋轉(zhuǎn)涂布沉積在基片7上。然后通過烘焙等對第一層光刻膠9進行硬化、利用曝光掩模形成圖形并顯影，將基片7上的選定區(qū)域暴露出來以進行后續(xù)刻蝕。然后對基片7的暴露區(qū)域進行刻蝕，例如可采用各向同性濕法刻蝕工藝，從而在基片7中形成如圖2所示的凹槽10。凹槽10的加工形狀使后續(xù)將成形的陀螺的支架3及環(huán)形諧振器2能夠自由振蕩。凹槽深度一般為20到30微米，也可在基片7內(nèi)刻蝕出圖中未示出的對準鍵，以使后續(xù)掩模能夠與凹槽10精確對準。然后將剩余的第一層光刻膠9從形成凹槽的基片7上剝離。
當基片7由玻璃制成時，硅器件層晶片8通過陽極耦合附著在基片7的凹槽表面，如附圖3所示。晶片層8可在耦合前減薄到理想厚度或在耦合后減薄。陽極耦合工藝就是將基片7和晶片層8形成緊密接觸、加熱到大約攝氏400度并在玻璃基片7與硅層8之間施加約1000伏電壓。
可選地，當基片7由硅制成時，是通過加熱氧化產(chǎn)生約1微米厚的表面氧化層，于是層8的氧化表面通過熔接附著在硅基片7的凹槽表面。之后的處理工藝包括使層8與基片7的表面緊密接觸并加熱到大約攝氏600度。這一工藝要求層8和基片7的表面非常平并且不能有表面玷污。
鍍金屬與刻蝕步驟要求這些步驟所用掩模與凹槽10精確對準。當采用玻璃基片7時，透過粘合的硅層與基片層的底側(cè)可看到對準鍵。利用雙面對準器可使鍍金屬掩模與刻蝕掩模與這些鍵精確對準。當采用硅基片7時，不可能看到粘合表面的特征。在此情況下，必須在基片7的底面構(gòu)造對準鍵。這就要求使用另一附加的掩模，使這些鍵通過一個雙面對準器與凹槽表面各鍵對準。
如果基片7上的對準鍵穿過層8露出，則有可能不需要使用雙面對準裝置。這就要求對硅層8上對準鍵周圍區(qū)域進行刻蝕。在采用各向同性干法刻蝕工藝時，需要另一刻蝕掩模以便利地除去硅。暴露區(qū)域應(yīng)足夠大以保證對準鍵完全露出，而無需與基片晶片(例如4毫米×4毫米的孔)精確對準。當對準鍵露出粘合的基片表面之上時，后續(xù)掩?？墒褂脝蚊鎸恃b置。
本發(fā)明的下一步驟是在硅層8的表面上沉積一層鋁(未示出)，該表面是指與基片7相粘合表面相距最遠的表面。優(yōu)選的是通過濺射來沉積鋁。然后最好通過旋轉(zhuǎn)涂布法將第二層光刻膠(未示出)沉積到鋁層上相對硅層8的最外側(cè)表面上，最好通過烘焙加以硬化，并進行圖形制備及顯影，以暴露出鋁層的選定區(qū)域。然后最好采用磷酸基處理工藝對鋁層的暴露區(qū)域進行刻蝕，在硅層8的部分區(qū)域留下鋁，以形成如附圖4所示的壓焊區(qū)。
以上述方式設(shè)置有用于使屏蔽層接地的壓焊區(qū)11、以及用于使驅(qū)動與拾取(檢測)結(jié)點分別與外部電路(未示出)相連的其它壓焊區(qū)12和13。還設(shè)有壓焊區(qū)14，用于使環(huán)形諧振器2接電。
然后將剩余的第二層光刻膠從鋁層亦即從壓焊區(qū)11、12、13和14上剝離，再將第三層光刻膠最好通過旋轉(zhuǎn)涂布法沉積到硅層8的暴露表面，覆蓋住沉積有鋁的壓焊區(qū)11、12、13和14。然后最好通過烘焙對第三層光刻膠加以硬化，并進行圖形制備及顯影，以暴露出硅層8的選定區(qū)域。在對第三層光刻膠曝光和顯影前，將刻蝕掩模對準基片7上的凹槽對準鍵。對硅層8上暴露的選定區(qū)域進行反應(yīng)性離子深刻蝕，從而形成基本呈平面環(huán)形的振動結(jié)構(gòu)，亦即位于基片凹槽10上方裝在軸心4上的支架3和環(huán)形諧振器2、電容式驅(qū)動與檢測裝置5和6、以及諧振器2和驅(qū)動與檢測裝置5、6周圍的屏蔽層15，如附圖1和5所示。這些結(jié)構(gòu)安裝在絕緣的基片7表面上，使各個結(jié)構(gòu)之間彼此絕緣。采用專利技術(shù)“反應(yīng)性離子深刻蝕(DRIE)工藝進行刻蝕，該工藝能夠在硅中形成具有近乎直壁的深窄溝槽14，其深寬比最高可達約40∶1?？涛g工藝包括利用氟基等離子體將自然產(chǎn)生化學腐蝕的硅去除，并通過氟聚合物鈍化步驟對所刻蝕部件的側(cè)壁進行鈍化。通過在計算機控制下調(diào)整各步驟，可在硅中生成具有高精度及高質(zhì)量的直壁部件。
硅的刻蝕率比玻璃要高得多，因而玻璃基片7將起到阻止刻蝕的作用。這將使驅(qū)動焊區(qū)12和拾取焊區(qū)13通過硅層8粘附在基片7上，并且與周圍的屏蔽層15形成電絕緣。然后將剩余的第三層光刻膠從鋁層上剝離。
在操作中，借助施加在電容驅(qū)動結(jié)點5的振蕩電壓激勵并控制陀螺以諧振頻率運動。通過拾取電容器間隙之間的電流來檢測環(huán)所產(chǎn)生的運動。若驅(qū)動信號與拾取信號容性偶合引發(fā)亂真信號，則會導致陀螺性能出現(xiàn)誤差。可借助屏蔽層15使這種偶合降到最小程度，該屏蔽層在層8平面內(nèi)包圍住每個電容結(jié)點的所有側(cè)面，只有面對環(huán)形諧振器2的一面除外。屏蔽層15通過位于上表面的導線焊區(qū)11外接地電勢。
在基片7為硅的情況下，由于層8材料的有限導電性，還存在另外一條電容偶合路徑。驅(qū)動信號可能偶合到基片7中，基片7僅通過層8與層7之間的薄(~1微米)氧化層與驅(qū)動電容器的底表面相隔。繼而有可能再偶合回到拾取電容器結(jié)點內(nèi)。通過將基片7接地有可能排除這種偶合。如果組件2安裝在金屬外殼(未示出)中，則可通過將基片底表面與外殼表面直接接觸而方便地實現(xiàn)這一目的，例如，可采用導電的環(huán)氧樹脂。然后可通過外部電路使外殼接地。當不方便這樣做時，通過改進加工工藝，可以方便地通過焊接線與上表面相連。這就要求在基片7的角落處在屏蔽層15中刻蝕另外的進入孔，可通過改變刻蝕掩模實現(xiàn)這一點。借助氧化物選擇性干法刻蝕工藝將這些孔底部暴露的氧化物除去，于是可將導電的基片表面露出。為了便于與基片7接電，需要有另外的金屬化工藝步驟。于是可利用簡單的障板技術(shù)將鋁等金屬沉積在孔的表面。然后可借助金屬的孔表面與屏蔽層壓焊區(qū)11之間的焊接線實現(xiàn)接地。
在一塊玻璃或硅基片上可以制成若干個陀螺器件，并在加工后切割成小塊來分開。或者也可在基片7上鋸出溝槽，其深度足以允許隨后沿鋸斷線切分成單個器件。在層8與基片7粘合后可以方便地立刻做到這一點。這樣做的優(yōu)點在于在鋸開過程中所產(chǎn)生的碎屑出現(xiàn)在刻蝕狹窄溝槽14之前。切分工藝將不產(chǎn)生碎屑，于是降低了阻塞溝槽14并因此阻止環(huán)形諧振器2自由振蕩的風險。
本發(fā)明之制造方法所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可保持硅層8的機械特性。諧振器的關(guān)鍵性尺寸誤差和驅(qū)動與拾取傳感器間隙14均限定在層8平面內(nèi)。利用標準掩模與反應(yīng)性離子深刻蝕技術(shù)可以高精度地制造這些結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)與制造小尺寸陀螺器件的技術(shù)完全兼容，而且還可以用于制造更寬尺寸范圍的器件而無需進行明顯變動。該方法還對單面加工工藝提供了以最少工藝步驟進行高產(chǎn)量、低成本制造的方法。
權(quán)利要求
1.一種制造振動結(jié)構(gòu)陀螺的方法，該陀螺具有硅質(zhì)基本上呈平面環(huán)形的振動結(jié)構(gòu)、用于向該驅(qū)動振動結(jié)構(gòu)傳遞驅(qū)動運動并檢測其運動的電容裝置、以及電容裝置周圍的屏蔽層，該方法包括以下步驟在平板狀玻璃或硅基片的表面之一上沉積第一層光刻膠，對第一層光刻膠進行硬化、圖形制備及顯影，以暴露出基片的選定區(qū)域，對基片的所述暴露區(qū)域進行刻蝕以形成凹槽，將形成凹槽的基片上剩余的第一層光刻膠剝離，在基片形成所述凹槽的表面上粘附一層硅，在硅層最遠離其與基片相粘附表面的另一表面上沉積一層鋁，在鋁層相對于硅層的最外表面上沉積第二層光刻膠，對第二層光刻膠進行硬化、圖形制備及顯影，以暴露出鋁層的選定區(qū)域，對鋁層的所述選定區(qū)域進行刻蝕，在硅層部分區(qū)域留下鋁從而形成用于使屏蔽層接地的壓焊區(qū)、用于形成電容式驅(qū)動與檢測裝置接點的壓焊區(qū)、以及用于與硅質(zhì)基本上呈平面環(huán)形的振動結(jié)構(gòu)接電的壓焊區(qū)，從鋁層剝離剩余的第二層光刻膠，在硅層上沉積第三層光刻膠，覆蓋住剩余的沉積有鋁層的區(qū)域，對第三層光刻膠進行硬化、圖形制備及顯影，以暴露出硅層的選定區(qū)域，對硅層上暴露的選定區(qū)域進行反應(yīng)性離子深刻蝕，以使硅層構(gòu)成電容式驅(qū)動與檢測裝置、周圍屏蔽層，以及靠軸心固定在基片凹槽上方的平面環(huán)形振動結(jié)構(gòu)，使該環(huán)形結(jié)構(gòu)能夠自由振蕩，并且使電容式驅(qū)動與檢測裝置、屏蔽層以及環(huán)形振動結(jié)構(gòu)彼此之間電絕緣。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于光刻膠是通過旋轉(zhuǎn)涂布法來沉積并通過烘焙加以硬化。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于利用各向同性濕法刻蝕工藝對基片選定區(qū)域進行刻蝕，該選定區(qū)域是通過對第一層光刻膠顯影而暴露出來的。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于基片由玻璃制成，硅層通過陽極耦合附著在其上。
5.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于基片由硅制成，其受熱氧化產(chǎn)生表面氧化層，硅層通過熔接附著在其上。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于通過濺射將鋁層附著在硅層上。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于采用磷酸基處理工藝對鋁層上的暴露區(qū)域進行刻蝕。
8.一種制造振動結(jié)構(gòu)陀螺的方法，該陀螺基本如前所述并如附圖2至5中的圖解說明。
全文摘要
一種振動結(jié)構(gòu)陀螺,其制造方法如下:在玻璃或硅基片(7)上沉積光刻膠(9),對光刻膠(9)進行硬化、圖形制備及顯影,以暴露出基片(7)的某些區(qū)域,對這些暴露區(qū)域進行刻蝕以形成凹槽(10),剝離剩余的光刻膠(9),在形成凹槽的基片(7)上粘附硅層(8)并在硅層(8)上沉積一層鋁,在鋁層上沉積光刻膠,對光刻膠進行硬化、圖形制備及顯影,以暴露出鋁層的某些區(qū)域,對鋁層的暴露區(qū)域進行刻蝕,在硅層部分區(qū)域留下鋁從而形成壓焊區(qū)(11,12,13和14),在結(jié)構(gòu)上形成一層以上的圖形化的光刻膠層,對硅層(8)上的暴露區(qū)域進行反應(yīng)性離子深刻蝕,從而構(gòu)成靠軸心(4)固定在凹槽(10)上方的平面環(huán)形振動結(jié)構(gòu)(1)。
文檔編號G01P9/04GK1334914SQ9981491
公開日2002年2月6日 申請日期1999年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月24日
發(fā)明者克里斯托弗·P·費爾, 凱文·湯森, 伊恩·斯特蘭 申請人:Bae系統(tǒng)公共有限公司