王风娇，李新坤，吴浩越，刘福民，徐宇新，王学锋

(北京航天控制仪器研究所·北京·100039)

0 引 言

微机械陀螺是一种重要的惯性敏感器件，是导航、制导和稳瞄稳像等系统的核心部件，广泛应用于航天器、飞行器、汽车安全和工业自动化等领域[1-3]。近些年，英国宇航局、密歇根大学、波音公司等机构相继提出了环形微机械陀螺的设计，在环形振动陀螺的研究上取得了不小进展，原理样机已经达到战术级精度[4-5]。与其他类型的振动微机械陀螺相比，环形振动微机械陀螺继承了高精度半球陀螺的特性[6-7]，具有高的结构对称性，因此其角速度检测建立在两相同形式模态能量转换的基础上，模态频率特性随温度变化一致，具有精度高、抗干扰性强的特点[8]。

在陀螺谐振子的材料选择上，玻璃基敏感结构相对于硅基材料、压电陶瓷材料等具有绝缘性好、温度稳定性好、机械性能良好、品质因数高等优点[9]，有着广泛的应用。国内玻璃基微机械陀螺的研究始于上世纪80年代，经过了近30年的研究在该领域取得了很大的进步。然而，在玻璃基微机械陀螺的精密加工方面和国外产品相比仍然存在一定差距。玻璃直接加工技术如机械加工、激光加工的加工尺寸和精度有限，不适合准三维微结构的精密制造。目前，玻璃微细加工所采用的光刻和刻蚀玻璃相结合的方法仍然存在如精度低、刻蚀结构粗糙度大等问题[10]。本文提出了一种玻璃基环形振动微陀螺谐振子的设计与制造方案，该方案通过环形谐振子的设计以及一种新型的借助MEMS工艺的玻璃基准三维微结构制造技术可实现玻璃基环形谐振子的高精度批量加工。

1 谐振结构设计

本文设计的玻璃基环形振动微陀螺的谐振子结构如图1所示，主要由一个振动环，8对支撑弯折梁及中心锚点部分构成。支撑梁将环形谐振子与锚点部分连接在一起，起悬浮支撑作用。

(a)俯视图

(b)三维视图图1 MEMS环形谐振微陀螺谐振子结构示意图Fig.1 The structure of the MEMS oscillator of a Ring Vibration Gyroscope

利用有限元软件对该结构进行分析，可得固有频率和振型。该环形谐振子结构的第11阶和第12阶振动模态为XY平面内两个相同的椭圆挠性基础模态。谐振子的第一基础模态(11阶)可作为驱动模态如图2(a)所示，当Z轴方向有角速度输入时，在科里奥利效应的作用下谐振子的振型发生进动，产生如图2(b)所示模态，谐振子在45°夹角方向上做四波腹振动，即第二基础模态(12阶)可作为陀螺的敏感模态。

(a)第一基础模态

(b)第二基础模态图2 环形谐振微陀螺谐振子的模态云图Fig.2 The mode of the oscillator of a Ring Vibration Gyroscope

表1 第10、11、12、13阶振动频率 Tab. 1 Resonant frequency of the 10, 11, 12, 13th mode of the resonator

表1给出了第10阶到第13阶模态的振动频率。该环形谐振结构的第11阶和第12阶振动模态为两个相同的面内椭圆挠性模态，两者谐振频率的差仅为0.23Hz，工作模态的频率匹配性好。与工作模态相邻的其他振动模态均为面外振动，且最小频差为111Hz，因而该设计可有效抵抗模态之间的相互干扰。

2 制造工艺研究

本文设计了一种新型的玻璃基准三维微结构制造工艺，基于MEMS工艺中成熟的深硅刻蚀、阳极键合、化学机械抛光等通用加工技术，融合玻璃熔融工艺，解决了玻璃基准三维微结构的制造工艺难题，同时可保证高的加工精度和效率。首先利用标准的MEMS工艺在硅晶圆上加工玻璃环形振动微结构的反向刻蚀槽，然后再利用阳极键合和高温熔融的方式将玻璃材料填满刻蚀槽结构，在玻璃材料均匀填充后将结构外的多余物去除，即可获得目标尺寸的玻璃环形谐振子微结构。具体的工艺流程如图3所示，主要工序包含光刻、刻蚀、阳极键合、玻璃填充、双面化学机械减薄抛光和结构释放六部分，下面详细介绍完整的工艺流程。

图3 玻璃基环形谐振子制备工艺流程示意图Fig.3 The process of the oscillator fabrication of a Ring Vibration Gyroscope

将硅(1 0 0)晶圆进行清洗处理后，利用匀胶机在硅晶圆表面均匀涂覆一层光刻胶，通过光刻显影技术将刻蚀槽对应的二维图案转移到硅晶圆表面，如图3(a)所示。光刻显影后的掩膜厚度需可耐受后续干法刻蚀工艺对光刻胶的损耗。

对光刻显影后的结构进行干法刻蚀来制作环形振动结构对应的反向刻蚀槽，如图3(b)所示。由于环形谐振子微结构的不同位置对应不同的线宽，由干法刻蚀的原理决定了在宽槽中的刻蚀活性离子浓度更大，所以刻蚀速率更快。图4示意性地给出了干法刻蚀的工艺过程。本文中环形谐振子微结构的最大线宽为200μm，最小线宽为35μm，由于线宽差距的存在，不同线宽的刻蚀槽在相同刻蚀条件下对应的刻蚀深度会有差别，宽线条的结构刻蚀深度会偏大一些，这样会导致谐振子不同位置玻璃填充物的厚度差，为达到结构目标厚度，在后续的工序中我们将通过双面化学机械减薄抛光的方式将多余的填充物去除，使整个结构厚度保持一致。

图4 刻蚀工艺示意图Fig.4 Deep silicon etching process

刻蚀完成后，将半导体硅晶圆表面的光刻胶去除并进行清洁处理。然后采用BF33玻璃晶圆片和完成刻蚀槽加工的硅晶圆片进行硅-玻璃阳极键合，如工序图3(c)所示。这一工序的键合强度高，气密性好，可使刻蚀槽内部保持负压状态，有利于后续熔融玻璃的填充。

将键合后的圆片放入马弗炉中加热至所用玻璃材料的软化点以上，熔融的玻璃材料将先后在大气压力和重力的作用下逐渐填充到刻蚀槽中。本文完成熔融玻璃填充工艺的键合圆片结构实物如图5(a)所示。

(a)

(b)图5 熔融玻璃填充工艺完成后的4英寸圆片(a)和完成双面化学机械抛光的圆片(b)Fig.5 Wafer after glass melting process (a) and chemical mechanical polishing process (b)

为降低玻璃的黏滞度，在保证填充质量的前提下提高填充速率，本文熔融玻璃填充温度选取了玻璃软化点以上，接近玻璃工作点的1000 ℃进行。对于线宽35μm，深度160μm的刻蚀槽结构在30min的填充时间条件下可实现50%的填充率，延长填充时间至60min 可实现刻蚀槽的完整填充，填充效果如图6(b)、6(c)所示。图中所示为沿单晶硅的自然解理面剖开后的断裂面实物效果，其中亮色是单晶硅材料，暗色是玻璃材料，可以看出图6(b)中玻璃材料已经将深宽比为4.6的硅基刻蚀槽结构完全填充。在完成熔融玻璃填充以后，对圆片进行退火处理以消除玻璃内部的残余应力。

将填充好玻璃材料的硅-玻璃圆片进行双面化学机械减薄抛光，去除多余的玻璃材料和硅材料。本文中一个圆片上均匀分布了120个谐振子单元，对于4英寸圆片整片TTV优于3μm，双面减薄抛光后可以获得均匀的谐振子结构厚度。图5(b)是完成双面化学机械抛光的圆片结构实物图。最后经过光刻和干法刻蚀工艺，将刻蚀槽结构材料单晶硅去除，得到目标设计的玻璃环形谐振子微结构，如图6(a)所示。至此，玻璃基环形振动微机械陀螺谐振子的制备工艺完成。

图6 玻璃基环形振动微机械陀螺谐振子结构(a)和熔融玻璃填充剖面效果(b)(c)Fig.6 Structure of the oscillator of Ring Vibration Gyroscope based on glass (a) and the effect of glass melting(b)(c)

3 结 论

本文提出了一种玻璃基环形振动微陀螺谐振子的设计及加工方案。通过有限元软件仿真分析，证实了该陀螺谐振子结构设计的有效性及合理性。在谐振子制造方面，针对目前玻璃精密加工在玻璃准三维微结构方面存在加工尺寸受限、加工精度不高等特点，本文提出了一种新型玻璃基准三维微结构制造方案。相对于目前主流单晶硅、石英晶体的各向异性，该方案所涉及的熔融玻璃体微结构可以克服其材料属性引起的结构不对称性。并且可借助MEMS的通用工艺和熔融玻璃工艺实现玻璃微结构的间接加工，具有加工精度高、加工效率高的优点，解决了玻璃基准三维微结构的制造工艺难题，可实现玻璃基环形振动微陀螺谐振子的高精度批量制造。