電容式MEMS環形振動陀螺結構設計及加工

李建華，徐立新，付 博，王鳳芹

（1. 北京理工大學 機電動態控制重點實驗室，北京 100081；2. 淮海工業集團有限公司 MEMS中心，長治 046012）

電容式MEMS環形振動陀螺結構設計及加工

李建華1，徐立新1，付 博2，王鳳芹2

（1. 北京理工大學 機電動態控制重點實驗室，北京 100081；2. 淮海工業集團有限公司 MEMS中心，長治 046012）

微機械環形振動陀螺儀采用四波腹工作原理，具有精度高、抗沖擊性能好等優點。通常情況下為了提高電容值和信噪比，環形結構會采用高深寬比方案，因此帶來的footing效應直接影響了結構加工的成品率。本文在設計環形結構的基礎上提出了一種在硅下表面濺射一層Al金屬層的方法，能夠避免footing效應的發生。實驗結果表明，該方法有效提高了結構加工精度。同時，為了驗證所設計結構的正確性，對加工出的結構進行了掃頻測試，結構驅動模態諧振頻率與設計值相差僅0.13%，并在此基礎上搭建了測控系統，進一步進行了靜態實驗，結果表明其零偏穩定性指標為101 (°)/h證明了設計和加工的可行性。

硅微環形振動結構；footing效應；加工工藝；性能測試；零偏穩定性

微機電陀螺具有體積小、成本低、可批量生產等方面的優勢，在常規彈藥制導化的應用中有著迫切的需求[1-2]。與眾多其它類型的微機械陀螺相比，振動環式陀螺具有許多優點[3]，例如，極佳的分辨率和較高的靈敏度，良好的溫度穩定性，同時其具有抗過載沖擊能力強的優點，很適合在發射過載很高的常規彈藥上使用[4-5]。因此，研制振動環陀螺具有重要意義。

電容式振動環陀螺采用靜電力驅動、電容檢測，具有體積小、響應速度快、靈敏度高等特點，而且可以通過后期調整的方法來改善陀螺性能[6]。國內外學者提出了多種電容式振動環陀螺的制造方法，Farrokh Ayazi和Khalil Najafi采用多晶硅沉積方法制作了電容式振動環陀螺[7]，其采用多晶硅制作諧振子，電容間隙僅為1.4 μm，深寬比達到40。該方法制作的振動環陀螺性能優異，但制作工藝非常復雜，國內的工藝水平難以達到。由于多晶硅工藝制作難度大，Khalil Najafi和國內的陳德勇等提出了基于硅-玻璃鍵合硅深刻蝕釋放的單晶硅振動環陀螺的制作工藝[8]：先在單晶硅上刻蝕出諧振子和驅動/檢測電極，接著將其翻轉與腐蝕出臺階的硼硅玻璃鍵合，隨后背面用RIE刻蝕釋放得到最后的器件。該工藝方法看似簡單，但由于硅深刻蝕過程中footing效應的存在，工藝精度很難保證。針對以上問題，王軍波等提出采用氧化層的辦法克服 Footing效應，具體做法是在鍵合前將硅片進行一次氧化，制作厚度為0.1 μm的氧化保護層，這樣由于有氧化硅的保護，當等離子體進入空腔之后不會和硅結構發生反應。但該方法的缺點是氧化硅的存在使陽極鍵合的難度增大，成品率降低。

針對硅-玻璃鍵合硅深刻蝕釋放工藝中的 foothing效應，為解決這一問題，本文選擇了在硅的背面濺射一層Al金屬來作為刻蝕終止層材料，通過在被刻蝕硅結構的下表面濺射一層金屬，使得熱傳遞的路徑被顯著擴展，傳熱效率大為提高，避免了刻蝕離子電荷在介質層上的積累，消除了內建電場的產生，有效抑制了footing效應。該工藝與王軍波等提出的工藝相比，工藝方法簡單，而且加工成品率高。

1 環形振動結構設計

本文設計的振動環式陀螺儀如圖1所示，它主要由振動環諧振子、支撐彈簧，以及驅動、檢測和控制電極等三部分組成。振動環諧振子是陀螺的核心部分，它用于敏感角度和角速度的變化。

圖1 環形振動陀螺結構示意圖Fig.1 Schematic of MEMS VRG structure

支撐彈簧將振動環和分布于環周圍的固定錨點連接在一起，起懸浮支撐振動環的作用。提高驅動力有益于提高陀螺的檢測靈敏度。同時，電容檢測原理要求檢測電容的極板間距盡可能小且極板正對面積盡可能大，這樣有益于增大檢測信號。所以在設計振動環陀螺時，電極和振動環之間的間距很小，一般小于5 μm，本文設計的振動環陀螺間距為4 μm。另外，振動環結構的厚度要大，以提供足夠大的檢測電容正對面積，本文設計為100 μm。由上述分析可知，為提高陀螺性能，要求陀螺具有高深寬比和高對稱性結構。由于采用單晶硅作為諧振子材料，在釋放懸浮結構時。需要采用陽極鍵合方法將可動部件采用懸臂支撐的方式固定在玻璃襯底上。

用有限元軟件Ansys對該結構進行計算，求得固有頻率和振型。模態分析一般用于確定所設計器件結構的振動特性，通過模態分析可以確定器件結構的模態參數，包括固有頻率、振型等。在頻率100～20 000 Hz內做諧響應分析，模態分析結果顯示，在100～20 000 Hz頻率范圍內共有10階模態，其中第8階和第9階模態在XY平面內振動，頻率分別為14 255 Hz和14 258 Hz。據振動環陀螺的工作原理，這兩階振動模態分別用作驅動模態和檢測模態，如圖2所示。

圖2 MEMS VRG結構的驅動模態（左圖，諧振頻率14 255 Hz）和檢測模態（右圖，諧振頻率14 258 Hz）Fig.2 Drive mode (left figure, resonant frequency 14 255 Hz) and sense mode (right figure, resonant frequency 14 258 Hz) of MEMS VRG structure

2 基于單晶硅材料的環形振動結構加工

已有研究發現，在加工工藝的刻蝕環節中，Footing效應對結構的刻蝕效果影響很大，而且footing效應的形成跟電荷的積累有關：由于刻蝕過程中 lag效應的存在，大面積刻蝕的區域先被刻蝕穿通，小面積刻蝕的區域被刻蝕地較慢。當小面積刻蝕區域還沒有刻蝕通而大面積區域被刻蝕通后，小面積區域需要繼續刻蝕，而此時大面積刻蝕區域受到過刻蝕。帶電的刻蝕基團、離子穿過刻蝕通的區域后濺射到襯底上，如果襯底是玻璃或者二氧化硅等介質層，刻蝕基團離子所帶的電荷就會被捕獲，形成電場，后來的刻蝕離子受到電場力的排斥改變原來豎直向下的運動軌跡，對硅結構側壁、底部進行刻蝕，引起footing效應，原理如圖3所示。針對footing效應產生的影響，本文提出了將金屬Al濺射到硅結構的下表面的方法：將金屬濺射在整個硅結構的下表面，提高了接觸面積，減小了接觸電阻，繼而提高了電荷的轉移效率，大大減小了footing效應的影響。

基于上述抑制footing效應的方法，本文設計了基于單晶硅材料的加工工藝，分為以下8個步驟：

① 在單晶硅上制作臺階錨點：在雙拋的（111）晶向的單晶硅表面甩膠2μm，光刻，利用光刻膠做掩膜，用SPTS公司的ICP 系統刻蝕高度為20μm的臺階，這些臺階用作與玻璃鍵合時的錨點，如圖4(a)。

② 磁控濺射Al金屬層：不去除光刻膠，接著用磁控濺射機在其表面沉積一層 Al，厚度 100nm，如圖4(b)，該層Al金屬用作深刻蝕的自停止層。

③ 剝離光刻膠：采用lift-off工藝，在丙酮中剝離，去除光刻膠及上面附著的Al，得到圖4(c)的結構。

④ 硅/玻璃陽極鍵合：把硅翻轉，與 Pyrex玻璃在鍵合機中進行雙面對準和鍵合，見圖4(d)。溫度350℃，極板壓力1000 N，電壓1000 V，真空度為3×10-3mbar，時間10min。

⑤ 對硅厚度進行減薄：鍵合完成后，利用研磨機（Logitech PM5）對硅片進行減薄，加上臺階高度余厚為120μm，即硅結構厚度為100μm，如圖4(e)。

⑥ 制作Al電極：在減薄后的硅片表面濺射2μm厚的Al，并光刻、腐蝕出Al電極，如圖4(f)所示。

⑦ 利用ICP DRIE進行結構釋放：在硅的表面涂膠、光刻，進行DRIE刻蝕，釋放結構，如圖4(g)。

⑧ 去除光刻膠和Al后的最終結構：去除光刻膠和Al金屬層，得到最后的陀螺結構，如圖4.1(h)。

圖3 Footing效應產生機理Fig.3 Generation mechanism of Footing effect

圖4 MEMS VRG結構的加工工藝Fig.4 Fabrication process of MEMS VRG

經過上述加工工藝，得到了尺寸為6mm×6mm的VRG結構，如圖5所示。

在劃片后對單個陀螺在顯微鏡下進行了觀察，4 μm的電容間隙線寬損失小于0.2 μm，而且線條刻蝕整齊，側壁垂直。從器件背面觀察，由于采用了Al金屬刻蝕自停止層，在刻蝕結構的下方沒有發生footing效應，這樣就保證了驅動和檢測梁的線寬基本沒有損失，使加工誤差做到了最小，驗證了上述工藝的正確性。

圖5 MEMS VRG實物照片Fig.5 Photo of MEMS VRG

3 實 驗

通過網絡分析儀等儀器搭建的掃頻測試平臺，將加工出的VRG結構進行了掃頻：在驅動電極加驅動掃頻信號，首先通過驅動電路濾波穩壓，經反相放大器反相，正相、反相兩路信號分別疊加+10 V直流偏置分量，作為差動驅動信號分別加到陀螺芯片的驅動模態。載波發生電路產生高頻載波，接到陀螺芯片內環的公共極板，保證陀螺輸出信號的信噪比和穩定性。檢測端輸出的電容變化信號由 C/V變換將電容信號轉換成電壓信號，然后，經過放大和解調最終讀出陀螺的幅頻曲線。經掃頻測試，四波腹模態的諧振頻率為14 273 Hz，品質因數（Q值）為51，該測試結果（如圖6所示）與仿真結果（設計值為14 255 Hz）非常接近，僅相差18 Hz。諧振頻率的測試結果表明采用帶有刻蝕自停止層的體硅加工工藝制備的振動環陀螺具有很高的加工精度，能有效避免由于footing效應存在引起的加工誤差，是制備高精度振動環陀螺的先進工藝。

在上述結構的基礎上，進行了真空封裝，采用檢測全閉環的工作方式搭建了VRG測控系統[9-11]，測試電路板照片如圖 7所示，其中驅動模態采用了 AGC自激閉環控制方式。利用轉臺對 VRG陀螺樣機進行了標定，得到其標度因數為4.2 mV/(°/s)。進一步的，在靜態狀況下對其輸出信號進行采集，采樣率為1 Hz，陀螺輸出曲線如圖8所示，對其進行Allan方差分析的曲線如圖9所示，通過計算得到其零偏穩定性為101 (°)/h，初步驗證了VRG樣機的性能。

圖6 VRG驅動模態掃頻曲線Fig.6 Frequency scanning curve of VRG structure drive mode

圖7 VRG測控電路板照片Fig.7 VRG system photo

圖8 VRG靜態測試曲線Fig.8 VRG static testing curve

圖9 VRG Allan方差曲線Fig.9 VRG Allan variance curve

4 結 論

硅微環形諧振陀螺采用四波腹工作原理，由于結構深度大，因此帶來的footing效應影響了結構加工的成品率。本文在設計環形結構的基礎上研究了基于Al金屬層的刻蝕自停止工藝步驟有效抑制了 footing效應，從而大大提高了結構成品率。同時，為了驗證所設計結構的正確性，本文對加工出的結構進行了掃頻測試，并在此基礎上搭建了測控系統，進一步進行了靜態實驗，結果表明其零偏穩定性指標為 101 (°)/h，證明了設計和加工的可行性。

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Structure design and processing of capacitive MEMS vibrating ring gyroscope

LI Jian-hua1, XU Li-xin1, FU Bo2, WANG Feng-qin2
(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. MEMS Center, Huaihai Industries Group Co. Ltd, Changzhi 046012, Shanxi, China)

The MEMS vibrating ring gyroscope, which is based on four-antinode working principle, usually adopts high depth-to-width ratio structure to improve the capacitive value and SNR, which brings the Footing effect and makes the fabrication process more difficult. To solve this problem, a novel method is proposed which utilizes the Al metal layer attached under the silicon surface to restrain the footing effect. The fabrication results show that this method can effectively increase the processing precision of the structure. To verify the correctness of the designed structure, the frequency-sweeping testing on the structure manufactured is carried out, and based on this, the measurement and monitoring system is established. The static test is carried out, and the results show that the bias stability index of VRG sample is 101 (°)/h, which prove the feasibility of the design and the fabrication process.

silicon micro vibrating ring structure; footing effect; processing technique; performance test; bias stability

U666.1

A

1005-6734(2017)02-0240-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.02.019

2017-01-11；

2017-03-25

國家自然科學基金NSAF基金（U1630119）；北京理工大學學術啟動計劃基金

李建華（1976—），男，博士，講師，從事微機電系統技術研究。Email: jhli@bit.edu.cn