振动式微机械隧道陀螺仪的制备工艺

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基于隧道效应振动梁式陀螺仪自检电极设计_图文(精)

2006年第25卷第5期传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies基于隧道效应振动梁式陀螺仪自检电极设计3王凌云,陈义华,孙道恒(厦门大学机电工程系,福建厦门361005摘要:在微机电系统内建立自检系统是提高系统运行可靠性、安全性的重要手段之一。

陀螺仪中的Cori olis力和其他惯性力存在一定的差别,即使在恒定的角速度输入下,Cori olis力也是一种动态变化的力。

通过一对平板电极,其中,一个平板电极的边缘按照一定的函数变化,当陀螺仪的悬臂梁振动时,其平板间的静电力的变化能很好地模拟陀螺仪中的Cori olis力,有限元分析结果也表明:应用该方法完全能实现陀螺的自检和测试。

关键词:遂道效应;可靠性;自检;陀螺仪;平板电极中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1000-9787(200605-0061-03Desi gn of self2test electrode for tunneli n g2based gyroscopewith vi brati n g cantilever3WANG L ing2yun,CHE N Yi2hua,S UN Dao2heng(D epart m en t of M echan i ca l and Electr i c Eng i n eer i n g,X i a m en Un i versity,X i a m en361005,Ch i n aAbstract:One of i m portant way t o i m p r ove the reliability and safety ofME MS is t o use a built2in self2test.There are s ome differences bet w een Cori olis force and other inertial f orce in gyr oscope.The Cori olis f orce is dyna m ic, although the angular rate isconstant.A pair of p late electr odes is used,the boundary of one of the m changes according t o a s pecial functi on.W hen the gyr oscope’s cantilever oscillates,the electr ostatic f orce bet w een the t w o p late electr odes can perfectly si m ulate the Cori olis force in qyr os oope.The result of finite ele ment analysis(FE A als o indicates this design can be used t o realize the ai m of self2testing in the gyr oscope.Key words:tunnel effect;reliability;self2test;gyr oscope;p late electr ode0引言随着微电子技术和微机电技术的快速发展,器件的集成度越来越高,因而,器件的可靠性问题已经引起微系统设计、生产和消费人员越来越多的注意,一种提高微器件可靠性的方法就是在微系统内部建立自检系统[1,2]。

微机械陀螺仪的微结构分析与设计

微机械陀螺仪的微结构分析与设计
微机械陀螺仪的微结构分析与设计
针对基于微米技术的微机械陀螺检测功能微弱的现象,本文建立了振动轮式微机械陀螺仪的机电系统动力学模型.经对某微陀螺结构的仿真计算发现,哥氏阻尼力随激励哥氏力增大而增大,造成电容检测信号极为微弱,无论激励的幅度和频率如何.为此,本文给出了一种新型振动轮式微陀螺结构,可减小哥氏阻尼力,相对增大了激励哥氏力.这种新型结构显著增强了电容检测信号,而且具有双轴微陀螺功能、对耦合线加速度不敏感等特点.
作者：贾建援王志荣冯小平作者单位：贾建援,王志荣(西安电子科技大学机电工程学院)
冯小平(西安电子科技大学电子工程学院)
刊名：仪器仪表学报ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT 年，卷(期)：2001 22(5) 分类号：V24 关键词：微机械陀螺仪微电子机械系统微惯量测量组合机电系统动力学微结构设计。

微机械陀螺仪技术研究

针对原子、分子和电子等的极小化研究，尺度特征为微米、纳米甚至皮米，研究手段以扫描隧道显微镜为代表。

这其中，微型化是近二三十年自然科学和工程技术发展的一个重要趋势，而微纳米技术的研究则推动了这一领域的蓬勃发展。

微电子机械系统(Micro．Electro—Mechanical Systems，简称MEMS)是微纳米技术研究的一个重要方向，是继微电子技术以后在微尺度研究领域中的又一次革命。

MEMS是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成为一体，形成同时具有“传感一计算(控制)—-执行”功能的智能微型装置或系统。

MEMS的加工尺寸在微米量级，系统尺寸在毫米量级。

它的学科交叉程度大，其研究已延伸至机械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等学科，技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域。

MEMS的发展源于集成电路，但又有所区别：MEMS能够感知物理世界中的各种信息，并由计算单元对信息进行处理，再通过执行器对环境实施作用与控制。

微型化是MEMS的一个重要特点，但不是唯一特点。

首先，MEMS不仅体积小、重量轻，同时具有谐振率和品质因子高、能量损失小等特点。

其次，可批量加工特点大大降低了MEMS产品成本：若借助于MEMS器件库，MEMS的设计将更加灵活，重用率更高。

最后，强大的计算能力是MEMS系统实现信息采集、处理、控制的关键，充分利用集成电路的计算优势将会拓展MEMS在智能控制等领域的应用。

随着微电子技术和微机械加工技术的发展及振动陀螺仪的出现，使人们制造出微小型惯性元器件的梦想成为了现实。

在微观尺寸生产领域制造技术革命性的发展，使得小型元器件的尺寸突破了一个又一个极限。

如扫描隧道显微镜，可以实现原子分辨率；电子束、离子束、X 射线束制造技术，可以使器件的特征线宽做到100．250埃：分子工程也与常规的平面工艺密切地结合起来。

由于这些技术及相关技术的不断发展，使微小型制造业推进到了微米／纳米的水平。

微机械MEMS陀螺仪原理和几大公司的基本工艺流程

微机械MEMS陀螺仪原理和几大公司的基本工艺流程微机械MEMS陀螺仪是一种利用微纳技术制造的陀螺仪。

其基本原理是利用陀螺效应来检测和测量振动、旋转以及角速度等物理量。

微机械MEMS陀螺仪的工艺流程一般包括硅的制备、微影技术、湿法腐蚀、金属薄膜的制备以及封装等。

微机械MEMS陀螺仪的原理和工作方式基于陀螺效应，其核心部分通常是一个微小的旋转结构。

当这个旋转结构受到外部力矩的作用时，将产生一个旋转角速度。

通过检测和测量这个旋转角速度，就可以得知外部施加力矩的大小和方向。

1.硅的制备：首先，通过高纯度多晶硅或单晶硅材料，使用工艺将硅片制备成所需形状和尺寸的基片。

2.微影技术：利用光刻和蚀刻技术，在硅片上生长一层光阻，然后使用掩膜模板的光刻技术，将光刻胶上的图形进行曝光。

3.湿法腐蚀：在曝光后，使用湿法腐蚀技术，通过将硅片置于腐蚀液中，蚀刻出所需形状和尺寸的结构。

4.金属薄膜的制备：通过物理蒸镀或化学气相沉积技术，制备出金属薄膜，这些薄膜将用于连接和测量。

5.封装：将微机械MEMS陀螺仪芯片封装在一个保护壳中，以保护其免受外部环境的影响。

几大公司在微机械MEMS陀螺仪的工艺流程上可能会有一些差异，但总体上都遵循以上的基本工艺流程。

以下是几大公司在微机械MEMS陀螺仪制造方面的一些特点和工艺流程：1.爱普生公司：爱普生公司是微机械MEMS陀螺仪的领先制造商之一、其工艺流程中使用了多晶硅的刻蚀技术，可以实现高度的几何精度和结构控制。

2. 微想公司：微想公司的工艺流程中使用了表面微机电系统（Surface Micro-machining）技术，可以制备出非常小的结构，具有高精度和高稳定性。

3.STM公司：STM公司通过使用特殊的材料和非常精密的加工工艺，使得其微机械MEMS陀螺仪具有极高的精度和快速响应性能。

总结起来，微机械MEMS陀螺仪的原理是利用陀螺效应来测量角速度和旋转的物理量，其工艺流程包括硅的制备、微影技术、湿法腐蚀、金属薄膜的制备和封装等步骤。

微机械MEMS陀螺仪原理和几大公司的基本工艺流程

微机械MEMS陀螺仪原理和几大公司的基本工艺流程微机械MEMS陀螺仪原理：目前，MEMS陀螺仪主要以振动式为主，振动式陀螺仪主要由支撑框架、谐振质量块，以及激励和检测单元几个部分构成。

驱动与检测方式以静电驱动、电容检测最为常见。

检测原理是利用柯氏效应（Coriolis）把各轴的角速率转换成谐振质量块的位移，从而引起检测电容的变化，通过电容变化量可以换算出角速率或者角加速度。

以一个单轴MEMS陀螺仪为例，探讨最简单的工作原理（图4）。

两个正在运动的质量块向相反方向做连续运动，如蓝色箭头所示。

只要施加一个平行于纸平面的角速率，如红色箭头所示，就会产生一个与质量块运动方向垂直的柯里奥利力，如黄色箭头所示。

产生的柯里奥利力使质量块发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。

这个位移将会在质量块的梳齿电极和固定电极之间引起电容变化，因此，在MEMS陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电参量。

图4MEMS振动式陀螺仪原理分析和评价陀螺的性能，需要制定一系列的衡量准则，为其应用提供一定的参考依据。

总体而言，表征陀螺性能的主要指标有:标度因数稳定性、漂移稳定性、随机游走、量程和成本等等。

三、主流MEMS陀螺仪厂商工艺：3.1ADI iMEMS制造工艺：美国ADI公司的MEMS惯性传感器性能达到军用战术级别，其著名的iMEMS工艺是MEMS 和标准IC工艺实现单片混合集成的成功典范，制造有ADXL系列加速度计、ADXRS系列陀螺仪等产品。

如图5所示，是ADI的ADXRS150陀螺仪。

图5ADXRS150陀螺仪ADI iMEMS是一种Interleaved-CMOS工艺，如图6所示,其特点是在CMOS制造流程过程中插入MEMS器件的制作工艺，这些MEMS工艺不会影响到CMOS电路的性能。

iMEMS制造工艺的基本步骤是：1、首先是从CMOS工艺起始，制作前段工艺的MOS晶体管，包括N阱、MOS管的源极、漏极和发射极，并且制作与MEMS 微结构连接的n+区域；2、沉积氮化硅和BPSG保护电路制作区域，但这些薄膜要从MEMS结构制作区域去除；3、在MEMS结构区域，沉积和刻蚀钝化层氮化硅、1.6um厚的牺牲层氧化硅以及2um PloySi 薄膜，PolySi采用P注入掺杂，并且退火获得较小的应力，以作为MEMS器件的结构层；4、沉积氧化硅保护MEMS区域，并且继续CMOS后段的金属互连制作步骤；5、最后就是释放牺牲层，获得活动的MEMS结构，测试封装。

mems微静电陀螺仪结构设计和加工工艺

m，（c）第二次RIE刻蚀。刻蚀深度为2 从而形成6 m深的键合台面和14个2 m高的止挡。
（d）铝牺牲层工艺。溅射铝膜500nm。去胶剥离多余铝，形成铝质薄膜牺牲层。（e）第一次玻-硅键合。将硅片正面与制备了电极的底层玻璃进行静电键合。

（f）硅片减薄。采用湿法刻蚀将硅片厚度减至约80 m，再用抛光液在聚氨酯盘上进行抛光。
3、LIGA和准LIGA工艺。通过电铸方法加工出大高宽比的可活动微结构，机械性能好，灵敏度高，但工艺难度大，成本高。
体硅深刻蚀释放工艺
（1）刻蚀浅槽
（4）阳极键合
（2）表面掺杂
（5）硅片减薄
（3）金属电极
（6）释放结构
体硅深刻蚀释放工艺
牺牲层工艺
由于转子无任何机械约束，若在电感耦合等离子体ICP刻蚀过程中将转子一次性释放，则转子容易在膨胀气体作用下迸出。在工艺设计中引入铝牺牲层对转子进行约束，牺牲层为薄膜梁结构，铝牺牲层均匀覆盖在转子底层内外两侧，厚度为500nm。在结构加工完成后，采用湿法刻蚀将牺牲层去除。
工艺流程
加工工艺流程（2）
（g）第3次RIE刻蚀。刻蚀深度为4 m，形成4 m高的顶部键合台面。（h）第4次RIE刻蚀。刻蚀深度为2 m，形成6 m深的键合台面和2 m高的止挡。（i）ICP释放结构。采用刻蚀机将硅结构层刻透，形成径向电极、导通硅和转子。（j）第2次玻-硅键合。将硅背面与顶层玻璃进行静电键合。（k）划槽和裂片。按照玻璃片上已有的划片标记对组合片进行手工划片，裂片得到单个管芯。 (l)湿法去除铝牺牲层。裂片后，将管芯浸泡在配置好的铝刻蚀剂中，在超声波环境中将其去除，最后清洗、烘干，得到转子可动的微结构。
加工工艺流程（1）

新型微机械隧道陀螺仪的设计和工艺制备

新型微机械隧道陀螺仪的设计和工艺制备李文望;孙道恒;王凌云【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2009(048)004【摘要】A bulk micromachined vibratory tunneling gyroscope,which is fabricated with silicon-glass wafer bonding and DRIE (deep reactive ion etching),has been developed.The device structure consists of a proof mass which can oscillate due to electrostatic comb driving and an out-of-plane silicon frame linked up to substrate by suspended springs.Because of adopting the silicon frame structure to get larger proof mass and putting tunneling tip at the end of silicon frame to obtain remarkable deformation induced by Coriolis force,the new ultracompact devices can provide extremely high sensitivity and wide dynamic range.Based on the modal analysis of gyroscope by FEM method,the structure dimensions are optimized according to resonant frequency matching of driving mode and detection mode.Simulation results demonstrate that the gyroscope owns the sensitivity of 0.07 nm(°/s) at atmospheric pressure.The deep dry silicon on glass (DDSOG) process has been successfully used to fabricate this bulk tunneling gyroscope.%介绍了一种新型微机械隧道振动陀螺仪的设计和工艺制备,该陀螺仪采用平行梳齿驱动和面外振动框架的方式分别作为质量块的振动和恒隧道电流的检测,对平行梳齿驱动的工作原理和隧道陀螺仪的设计进行了详细的阐述.由于采用了硅玻键合和DRIE的DDSOG体硅制备工艺,因而可以获得较大的敏感质量块,从而使得该陀螺仪具有较高的灵敏度.根据检测模态和驱动模态匹配的原则,利用有限元模型对隧道陀螺仪的结构尺寸进行了优化.仿真结果表明,该陀螺仪在常压下具有0.07 nm(°/s)的灵敏度.【总页数】4页(P528-531)【作者】李文望;孙道恒;王凌云【作者单位】厦门大学物理与机电工程学院,福建,厦门,361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建,厦门,361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建,厦门,361005【正文语种】中文【中图分类】TP212【相关文献】1.微机械隧道陀螺仪的设计 [J], 张琼;石云波;马宗敏;罗源源;刘俊2.扇形梳齿驱动式体硅微机械隧道陀螺仪的设计与制备 [J], 王凌云;李文望;庄根煌;孙道恒3.微静电陀螺仪的结构设计与工艺实现 [J], 王嫘;韩丰田;董景新;刘云峰4.振动式微机械隧道陀螺仪的制备工艺 [J], 王凌云;孙道恒;刘益芳5.正交梁式隧道效应微机械陀螺仪的设计与仿真 [J], 罗源源;刘俊;李锦明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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合一硅背面减薄一硅背面刻蚀的ＤＳＧ（ｅｐＤｙＳｌｏａｓ工艺方案，功实现了整个器件的工艺制备。本文就ＤＯＤｅｒｉｃｎＯｎＧｌ）ｉｓ成
ｖｒｅ．Ｔｈｓｐｏｅｓｃｎｂｓｄｔａｒｃｔｏｎｙｔｅｍｉｒ－ｃｉｅｕｎｌｇｇｒｓｏｅｂｔａｓｔｅｉｒｃｓａｅｕｅｏｆｂｉａｅｎｔｏｌｈｃｏｍａｈｎｄｔｎｅｉｙｏｃｐｕｌｏｏｈｒｎｓｎｏｎｃｕｔｒ．ｅｓｒａｄａｔａｏｓＫｅｒｓｍｉｒ－ａｈｎｄｇｒｓｏｅｕｎｌｇｅｆｃ；ＤＤＳｙｗｏｄ：ｃｏｍｃｉｅｙｏｃｐ；ｔｎｅｉｆｅｔｎＯＧｒｃｓ；ｓｌｏｉｓｐｏｅｓｉｃｎｔｐｉ
角振动传感器，解决了传统机械陀螺仪因尺寸减小而导致的灵敏度降低的缺点。结合微机械隧道陀螺仪的尺寸特点：硅尖与
下电极的距离为１ｍ，厚和齿间距之间的距离为４ｍ，的厚度为５ｍ，出硅正面刻蚀一玻璃上电极制作一硅玻键齿梁０提
ｅｅｔｏｅｎｔｅｇａｓｈｆｒｂｎｉｇ，ｔｅｓｌｏｈｃｎｓｅｕｔｎａｄｓｌｏｅｐｅｃｉｇｏｈｌｃｒｄｓＯｈｌｓ，ｔｅｗａｅｏｄｎｈｉｃｎｔｉｋｅｓｒｄｃｉｎｉｃｎｄｅｔｈ— ａｈｎｄｔｎｅｉｇｇｒｓｏｅｗｉｈｃｎｉｖｒｉａｋｎｆａｇｌｒｒｔｅｓｒｗｉｈｈｇｓｒｃ：ｃｏｍｃｉｅｕｎｌｙｏｃｐｔａｔｅｅｓｉｄｏｎｕａａｅｓｎｏｔｉｈｎｌｓｎｉｉｉｙａｄｒｓｌｔｏｅｓｔｖｔｎｅｏｕｉｎ，ｉｉｈｃｎｉｖｒｗｏｋｓｔａｓｕｅｎｌｃｒｎｔｎｅｉｇｅｆｃｓａｎｗｈｃａｔｌｅｒｓａｒｎｄｃｒａｄｅｅｔｏｕｎｌｆｅｔｉｍ— ｅｎ
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振动式微机械隧道陀螺仪的制备工艺
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王凌云，孙道恒，益芳刘
（门大学机电工程系，厦福建厦门３１０）６０５
摘要：振动梁式微机械隧道陀螺仪是一种以悬臂梁作为换能构件，以电子隧道效应为输出敏感方式的高精度和高灵敏的
ＷＡＮＧｎ — ｎ，ＬｉｇｙｕＳＵＮｏｈｎ，【一Ｄａ — ｅｇＬ，，厂ｇ
（ｐｒｍｅｔｆＭｅｈｎｃｌｎｅｔｉａｇｉｅｒｎＸｉｍｅｉｅｓｔＤｅａｔｎｏｃａｉｄＥｌｃｒｃｌａａＥｎｎｅｉｇ，ａｎＵｎｖｒｉｙ，ＸｉｍｅａｎＦｕｉｎ３１０，ｈｎ）ｊａ６０５Ｃｉａ
ｂｃｉｅａｅｎｉｔｏｕｅｏｆｂｒａｅｔｅｍｉｒｇｒｓｏｅｂｓｄｏｔｉｅｓｏｈｒｃｅｉｔｃ：ｌｍａｋｓｄ，ｈｓｂｅｒｄｃｄｔａｉｔｈｃｏｙｏｃｐａｅｎｉｓｄｍｎｉｎｃａａｔｒｓｉｓｌｎｃｕ
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Ｖｏ．Ｎｏ．１２１３
２００８年３月
Ｍ＿Ｒ．０８Ａ２０
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