半球形微陀螺封裝結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的振動(dòng)陀螺儀，具體地，涉及半球形微陀螺封裝結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀是一種能夠檢測(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)于陀螺儀的要求也向低成本、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。因此，MEMS微陀螺的重要性不言而喻。特別地，微型半球諧振陀螺儀作為MEMS微陀螺的一個(gè)重要研宄方向，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的一個(gè)研宄熱點(diǎn)。
[0003]經(jīng)過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)搜索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室J.J.Bernstein.等人在其論文“A MEMS diamond hemispherical resonator”中介紹了一種利用MEMS技術(shù)制作的微陀螺儀，該陀螺儀通過(guò)蒸鍍技術(shù)在微諧振子周?chē)谱髁算t、銅微電極，通過(guò)沉積的方式在半球形凹槽中制作了金剛石微諧振子，通過(guò)濕法腐蝕的手段在半球形凹槽底部制作了二氧化硅支撐柱。然而，該陀螺儀微諧振子和微電極的引線(xiàn)較為困難，直接引線(xiàn)會(huì)影響微陀螺的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，進(jìn)而影響微陀螺的性能指標(biāo)；該陀螺儀的微諧振子及微電極直接暴露在外，易受到微小顆粒的污染，甚至結(jié)構(gòu)被破壞；該陀螺儀沒(méi)有封裝結(jié)構(gòu)，無(wú)法在片上實(shí)現(xiàn)與外界的氣密性隔離。
[0004]基于此，迫切需要提出一種新的陀螺儀結(jié)構(gòu)，解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種半球形微陀螺封裝結(jié)構(gòu)及其制備方法，實(shí)現(xiàn)半球形微陀螺與外界的氣密性隔離，同時(shí)便于對(duì)稱(chēng)引線(xiàn)并保護(hù)微諧振子不被破壞。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種半球形微陀螺的封裝結(jié)構(gòu)，包括:單晶硅基底、均勻分布信號(hào)電極、半球殼式諧振子、圓柱形支撐柱、導(dǎo)通電極、玻璃基底、交叉連接線(xiàn)、引線(xiàn)焊接板、底部引線(xiàn)、單晶硅蓋板、隔離層、種子層、導(dǎo)通層、通孔焊接板、頂部引線(xiàn)；其中:
[0007]所述圓柱形支撐柱的上端與所述半球殼式諧振子相連，下端與所述導(dǎo)通電極相連；所述單晶硅基底上設(shè)有半球形凹槽，所述圓柱形支撐柱和所述半球殼式諧振子位于所述半球形凹槽內(nèi)；所述信號(hào)電極圍繞在所述半球殼式諧振子周?chē)?；所述信?hào)電極和所述導(dǎo)通電極分別位于所述單晶硅基底的頂部和底部；所述交叉連接線(xiàn)的上端與所述單晶硅基底相連，下端與所述玻璃基底相連；所述引線(xiàn)焊接板連接于所述交叉連接線(xiàn)的外沿；所述引線(xiàn)焊接板通過(guò)所述底部引線(xiàn)與外界進(jìn)行電氣連通；所述單晶硅蓋板位于所述單晶硅基底的上端；所述單晶硅蓋板設(shè)有圓柱形通孔，所述隔離層位于所述圓柱形通孔的內(nèi)壁；所述種子層位于所述隔離層的內(nèi)側(cè)，與所述隔離層相連接；所述導(dǎo)通層位于所述種子層的內(nèi)壁；所述通孔焊接板位于所述圓柱形通孔的正上方；所述圓柱形通孔、所述隔離層、所述種子層以及所述導(dǎo)通層的上端與所述通孔焊接板相連、下端與所述信號(hào)電極相連；所述通孔焊接板通過(guò)所述頂部引線(xiàn)與外界進(jìn)行電氣連通；所述單晶硅基底、所述半球殼式諧振子、所述圓柱形支撐柱、所述導(dǎo)通電極、所述玻璃基底、所述交叉連接線(xiàn)以及所述單晶硅蓋板的中心對(duì)稱(chēng)軸重合。
[0008]本發(fā)明通過(guò)將所述單晶硅基底和所述單晶硅蓋板在真空下進(jìn)行鍵合，可以實(shí)現(xiàn)所述半球殼式諧振子與外界的氣密性隔離，同時(shí)所述單晶硅蓋板可以保護(hù)所述半球殼式諧振子及所述信號(hào)電極不被破壞；通過(guò)將所述信號(hào)電極與所述導(dǎo)通層進(jìn)行電氣連接，可以實(shí)現(xiàn)微陀螺的對(duì)稱(chēng)引線(xiàn)。
[0009]優(yōu)選地，所述半球殼式諧振子和所述圓柱形支撐柱的材料為摻雜多晶硅或摻雜金剛石；所述半球殼式諧振子通過(guò)所述圓柱形支撐柱固定在所述導(dǎo)通電極上。
[0010]優(yōu)選地，所述信號(hào)電極和所述導(dǎo)通電極的材料為摻雜硅，所述信號(hào)電極和所述導(dǎo)通電極分別鑲嵌在所述單晶硅基底的頂部和底部；所述信號(hào)電極均勻分布在所述半球殼式諧振子的周?chē)煌盘?hào)電極的形狀和大小相同，與所述半球殼式諧振子的距離也相同；所述導(dǎo)通電極呈圓柱形結(jié)構(gòu)，其上下兩端分別連接所述圓柱形支撐柱和所述交叉連接線(xiàn)，為所述半球殼式諧振子和所述引線(xiàn)焊接板提供電氣連通。
[0011]優(yōu)選地，所述玻璃基底上設(shè)有一圓環(huán)形凹槽，該凹槽的內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁分別向內(nèi)傾斜和向外傾斜，傾斜角度相同。
[0012]優(yōu)選地，所述交叉連接線(xiàn)的材料為鈦、銅，位于所述玻璃基底的上表面；所述交叉連接線(xiàn)的中心為一圓環(huán)，與所述導(dǎo)通電極直接電氣連接，所述交叉連接線(xiàn)通過(guò)四個(gè)矩形連接線(xiàn)由圓環(huán)向外延伸至所述玻璃基底的四個(gè)角上，矩形連接線(xiàn)的外沿與所述引線(xiàn)焊接板相連，每個(gè)引線(xiàn)焊接板均有相應(yīng)的底部引線(xiàn)與之相連；底部信號(hào)依次通過(guò)所述底部引線(xiàn)、所述引線(xiàn)焊接板、所述交叉連接線(xiàn)、所述導(dǎo)通電極、所述圓柱形支撐柱電氣連接至所述半球殼式諧振子。
[0013]優(yōu)選地，所述單晶硅蓋板位于所述單晶硅基底的正上方，所述單晶硅蓋板的底部設(shè)有一圓形凹槽，圓形凹槽位于所述半球殼式諧振子的正上方，圓形凹槽的外側(cè)壁位于所述半球殼式諧振子的外側(cè)；所述單晶硅蓋板設(shè)有八個(gè)圓柱形通孔，所述圓柱形通孔由所述單晶硅蓋板的頂部貫穿至底部，位于所述信號(hào)電極的上方，所述圓柱形通孔的內(nèi)側(cè)與所述信號(hào)電極的外側(cè)相接。
[0014]優(yōu)選地，所述單晶硅蓋板的圓柱形通孔被所述隔離層、所述種子層、所述導(dǎo)通層填滿(mǎn)，由外向里依次為所述隔離層、所述種子層、所述導(dǎo)通層，且這三層的下端均與所述信號(hào)電極相接；所述隔離層的材料為二氧化硅，所述種子層的材料為鈦、銅，所述導(dǎo)通層的材料為銅。
[0015]優(yōu)選地，所述通孔焊接板為圓形，分為上下兩層，下層與所述單晶硅蓋板相接，上層位于下層的上方；所述通孔焊接板位于所述單晶硅蓋板的圓柱形通孔的正上方，每個(gè)通孔對(duì)應(yīng)一個(gè)所述通孔焊接板，每個(gè)通孔焊接板對(duì)應(yīng)一個(gè)所述頂部引線(xiàn)；頂部信號(hào)依次通過(guò)所述頂部引線(xiàn)、所述通孔焊接板、所述導(dǎo)通層電氣連接至所述信號(hào)電極。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供半球形微陀螺儀封裝結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟:
[0017]第一步、清洗所述單晶硅基底，在單晶硅基底正面生長(zhǎng)二氧化硅層并進(jìn)行圖形化，通過(guò)硼離子注入工藝制備摻雜電極；生長(zhǎng)氮化硅層并進(jìn)行圖形化，通過(guò)HNA刻蝕、熱磷酸腐蝕在所述單晶硅基底上制備半球形凹槽；
[0018]第二步、在第一步的基礎(chǔ)上于單晶硅基底正面生長(zhǎng)二氧化硅層，在二氧化硅層底部開(kāi)圓形口，形成帶缺口的犧牲層；生長(zhǎng)摻雜多晶硅薄膜或摻雜金剛石薄膜，圖形化后去除半球形凹槽以外的薄膜材料并暴露出二氧化硅層，形成所述半球殼式諧振子及所述圓柱形支撐柱；
[0019]第三步、在第二步的基礎(chǔ)上對(duì)所述單晶硅基底背面進(jìn)行圖形化處理，通過(guò)硼離子摻雜工藝在所述圓柱形支撐柱下方位置制備所述導(dǎo)通電極；
[0020]第四步、在第三步的基礎(chǔ)上利用BHF溶液對(duì)二氧化硅層結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕，從所述單晶硅基底上釋放所述半球殼式諧振子，形成所述半球形微陀螺；
[0021]第五步、準(zhǔn)備玻璃基底并進(jìn)行圖形化，通過(guò)濕法腐蝕在所述玻璃基底上表面制作環(huán)形凹槽；
[0022]第六步、在第五步的基礎(chǔ)上于玻璃基底上表面對(duì)所述玻璃基底進(jìn)行圖形化，通過(guò)濺射鈦、銅薄膜制作所述交叉連接線(xiàn)以及