应时陀螺专利

传统的惯性传感器由于体积大、成本高，在很多方面限制了它的应用。利用微加工方法制作微机械振动陀螺可以实现批量生产，使得产品成本低、体积小、重复性和一致性好。这些特点使得微机械振动陀螺具有鲜明的军民两用性，引起了国内外学者的广泛关注。自20世纪80年代中期以来，美国、英国、日本、德国等工业化国家在微机械振动惯性器件的研究上投入了大量的人力和财力。

因为半导体集成电路大部分是由硅制成的，所以人们对硅有了更深入的了解。国内外文献报道的许多微机械惯性传感器都是在硅上制作的。然而，微机械加工材料并不局限于硅，许多其他材料也适用于制作特殊的微型器件。压电应时晶体也是一种常见的晶体。

从单晶结构和高弹性模量的角度来看，应时晶体和硅材料是MEMS惯性传感器的理想振子材料。它们有不同的晶体对称性。应时属于三角晶系，硅属于立方晶系，硅具有更高的对称性。因此，他们的一些身体特征是完全不同的。应时是绝缘体，而硅是半导体。在由应时制成的器件中，导体之间没有电流泄漏。应时是第一种广泛使用的压电晶体，非常适合制作谐振器的微结构。硅不是压电体，所以用它做谐振器件需要更复杂的技术。我们选用应时晶体材料，利用微加工技术研制了微机械振动陀螺样机。下面主要介绍我们采用的结构、原理和试验结果。

二、基本结构和工作原理

应时MEMS振动陀螺的基本结构如图1所示。

驱动音叉由闭环恒增益振荡电路激励，使其在10kHz附近谐振。当音叉以角速度w沿输入轴转动时，由于音叉以一定速度摆动而产生科里奥利力矩，使读数音叉在垂直于驱动音叉振动平面的方向上来回振动(驱动音叉和读数音叉的振动方向见图1)。由于压电效应，在读取音叉上产生电荷，检测到产生了读取音叉。

第三，各向异性蚀刻的原理

应时晶体的各向异性刻蚀有两种:干法刻蚀(反应离子刻蚀)和湿法刻蚀(化学刻蚀)。

反应离子蚀刻技术

等离子蚀刻技术使用等离子体代替化学蚀刻溶液。微加工得到的形状不受衬底的晶向控制，等离子体不会给微结构带来很大的应力，但设备复杂，很多参数必须控制。典型的参数是气体的性质和流速、衬底的性质和面积、电极结构、激励的电磁参数和真空室的形状等。不同的组合会产生不同的腐蚀过程。具有高速、各向异性和选择性的理想等离子体微加工工艺仍有待开发。然而，在已经完成的研究的帮助下，可以预测这一过程将在近年内成为现实。从微加工的角度来看，只有几十微米的刻蚀深度太有限，需要进一步研究通过反应离子刻蚀工艺各向异性刻蚀出几百微米的沟槽。

2.化学蚀刻技术

应时晶体的刻蚀速度取决于刻蚀表面的晶体取向，这种各向异性刻蚀的原理目前还不清楚。蚀刻晶面的原子密度似乎是决定性因素，最慢的蚀刻速度对应最致密的表面。应时晶体的一个非常有用的特征是，对于所有平行于Z轴的平面，它的腐蚀率几乎为零。利用这一特性，可以在Z切割基板上形成垂直于Z轴的不同形状的陡峭壁。应时在HF和NH4F缓冲液中的腐蚀方程式为:

SiO2+4HF→SiF4+2H2O

SiF4在正常情况下是气体，在含HF的溶液中来不及挥发就会与HF形成络合物；

SiF4+2HF→H2SiF6

SiF4+2NH4F→(NH4)2SiF6

腐蚀速率取决于蚀刻溶液的成分和温度，蚀刻表面的性质取决于蚀刻溶液中的正离子和温度。含H+的腐蚀液有台阶无凹坑，含NH4+的腐蚀液有台阶有凹坑(25℃时比55℃时凹坑少)，含K+的腐蚀液25℃时无台阶无凹坑..最后，根据蚀刻时间确定应时晶片的厚度，这需要精确监控蚀刻溶液的温度。当温度变化65438±0°C时，蚀刻速率将变化0.65438±0毫米/分钟。

四、应时MEMS惯性传感器关键加工技术。

从化学刻蚀和反应离子刻蚀技术的讨论可以看出，化学刻蚀腐蚀速度快，各向异性好，成本低，而反应离子刻蚀腐蚀速度慢，成本高。我们要加工的振子厚度是几百微米，要求腐蚀速率各向异性。因此，采用化学蚀刻技术对振子进行加工。包括衬底加工、保护膜沉积、光刻、化学各向异性刻蚀等步骤。每一步都很重要。如果基板上有很多表面缺陷和划痕，这些划痕腐蚀后会变宽变深，影响振子的表面平整度。如果基材没有清洗干净，基材表面的灰尘会降低应时和保护膜之间的附着力。保护膜的附着力差会导致振子蚀刻失败。然而，所有工艺中最关键的是化学各向异性蚀刻工艺。

腐蚀速率取决于腐蚀溶液的成分和温度。温度越高，腐蚀速度越快。我们以HF、NH4F、NH4HF和KF作为腐蚀液的主要成分，在不同温度下对不同成分和浓度的腐蚀液进行了大量的试验。实验中遇到的主要问题是应时音叉振荡器的X侧壁腐蚀后形状不一致。如图2所示，X侧壁只有一个方向是陡峭的，另一侧有突出的边缘，导致后续工艺无法完成。在分析二氧化硅在HF中腐蚀机理的基础上，对多种不同浓度和温度的腐蚀液进行了多种组合试验，最终得到了较为合理的腐蚀液成分和工作温度条件。改进工艺条件后处理的腐蚀图形如图3所示。

动词 （verb的缩写）试验结果

我们采用化学腐蚀的各向异性腐蚀方法来加工应时音叉振荡器。目前，我们已经开发了应时MEMS陀螺仪的样机。MEMS陀螺样机的零稳定度为0.3°/s，为目前国内领先水平。图4-5显示了应时MEMS振动陀螺在空气中的驱动面和读出面的阻抗-相位特性曲线。空气中测试的应时微机械振动陀螺驱动面和读数面的频率分别为10.5~11kHz和10.8 ~11.2kHz，驱动面和读数面的Q值为2000~5000。

不及物动词结论

利用化学各向异性腐蚀技术研制了MEMS陀螺仪样机。简述了应时MEMS振动陀螺仪的加工和测试结果。下一步的工作重点是高精度MEMS振动陀螺的研究和MEMS振动陀螺的工程化研究。随着MEMS技术的发展，可以肯定的说，在不久的将来，国产应时微机械振动陀螺将完全满足军用和民用的需求。