一種抗高過載的mems陀螺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種抗高過載的MEMS陀螺，硅片中設(shè)有質(zhì)量塊（6），它通過連接梁（1）固支于錨點（7），在質(zhì)量塊（6）的四周對稱分布著帶有防撞凸點（4）的固定塊（3），質(zhì)量塊（6）中心掏空區(qū)域設(shè)置有帶防撞凸點（5）的中心固定塊（2），其特征在于：所述質(zhì)量塊（6）上設(shè)有一組網(wǎng)格空腔（6a）。本發(fā)明具有如下優(yōu)點：網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊的側(cè)壁在碰撞過程中起到了彈性過載保護面的作用，它和防撞凸點共同作用可以釋放高沖擊產(chǎn)生的高沖擊力，有效保護器件敏感結(jié)構(gòu)，提高了器件抗高過載能力。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，采用單晶硅片材料，提高了MEMS陀螺產(chǎn)品的一致性和可靠性，加工工藝比較簡單，適合大批量生產(chǎn)。
【專利說明】—種抗高過載的MEMS陀螺【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明屬于微機械電子【技術(shù)領(lǐng)域】。具體是一種MEMS陀螺抗高過載結(jié)構(gòu)?！颈尘凹夹g(shù)】[0002]MEMS陀螺因其體積小，重量輕、成本低、功耗低等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航 天、航海、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。MEMS陀螺在高沖擊環(huán)境等嚴苛條件下，受到的 沖擊加速度可達幾千g甚至幾萬g，對于具有可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))的MEMS陀螺，其可動結(jié) 構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))所承受的沖擊加速度具有一定范圍，當沖擊加速度超過該范圍時，即發(fā)生“過 載”。MEMS陀螺的可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))在無過載保護結(jié)構(gòu)的情況下容易受到破壞而導(dǎo)致器 件失效，從而影響整個系統(tǒng)的可靠性，因此MEMS陀螺的可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))需要增加過載 保護結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)在高強度沖擊下的安全性。[0003]目前MEMS陀螺的可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))只是通過蓋帽控制運動間隙或者通過制作 防撞凸點限制運動距離，從而實現(xiàn)抗過載的目的，不論是控制運動間隙還是制作防撞凸點， 其過載保護結(jié)構(gòu)都是在可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))外部制作，并且是硬性碰撞面而非彈性碰撞 面，可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))在硬性碰撞的情況下容易斷裂，無法實現(xiàn)器件的抗高過載特性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有MEMS陀螺器件硬性碰撞過載保護設(shè)計結(jié)構(gòu)保護 性不強，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低，穩(wěn)定性好的抗高過載的MEMS陀螺。[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種抗高過載的MEMS陀螺，包括在玻璃襯底上鍵合的硅片，硅片上面連接蓋帽，硅片 中設(shè)有質(zhì)量塊，它通過連接梁固支于錨點，在質(zhì)量塊的四周對稱分布著帶有防撞凸點的固 定塊，質(zhì)量塊中心掏空區(qū)域設(shè)置有帶防撞凸點的中心固定塊，其特征在于:所述質(zhì)量塊上設(shè) 有一組網(wǎng)格空腔。[0006]本發(fā)明帶有網(wǎng)格空腔的質(zhì)量塊，其四個側(cè)壁相當于彈性過載保護面。當XY平面內(nèi) 有過載情況時，使得梁結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，導(dǎo)致網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊的側(cè)壁碰撞到防撞凸點，網(wǎng)格空 腔質(zhì)量塊的側(cè)壁相當于彈性過載保護面，可將沖擊力抵消掉，使得可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))得 到有效保護。[0007]當整體結(jié)構(gòu)受到XY平面內(nèi)任意方向的沖擊時，中間硅基可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))的 網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊受力，引起懸臂梁發(fā)生彎曲變形，使得網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊的側(cè)壁和固定結(jié)構(gòu) 上的防撞凸點接觸，由于網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊的側(cè)壁相當于彈性碰撞面，使得可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié) 構(gòu))在與固定結(jié)構(gòu)的防撞凸點接觸時，彈性碰撞面發(fā)生彎曲將沖擊力轉(zhuǎn)換為彈性力，保護了 可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))。[0008]該MEMS陀螺抗高過載結(jié)構(gòu)采用單晶硅片為主材料，進行加工。[0009]該MEMS陀螺抗高過載結(jié)構(gòu)從工藝制造上可分為三層:襯底層、結(jié)構(gòu)層和蓋帽層。 網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊、梁結(jié)構(gòu)、防撞凸點和固定結(jié)構(gòu)同屬于結(jié)構(gòu)層；玻璃片構(gòu)成襯底層；單晶硅片構(gòu)成蓋帽層。[0010]該MEMS陀螺抗高過載結(jié)構(gòu)的制造工藝為:首先在結(jié)構(gòu)層背面刻蝕臺階；接著在襯 底層的玻璃片上制作電極；然后通過硅玻靜電鍵合把結(jié)構(gòu)層和襯底鍵合在一起；正面刻蝕 結(jié)構(gòu)層，形成梁結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊和防撞凸點；蓋帽層背面刻蝕出空腔；采用苯并環(huán)丁 烯(BCB)鍵合完成結(jié)構(gòu)層和蓋帽層的晶圓級封裝；刻蝕蓋帽層正面，露出電極。[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有的MEMS陀螺抗高過載結(jié)構(gòu)相比具有如下優(yōu)點:(I)本發(fā)明針對MEMS陀螺可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))自身進行抗高過載結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計了 一種網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊的可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))，該網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊的側(cè)壁在碰撞過程中起到 了彈性過載保護面的作用，它和防撞凸點共同作用可以釋放高沖擊產(chǎn)生的高沖擊力，有效 保護器件敏感結(jié)構(gòu)，提高了器件抗高過載能力。[0012](2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，采用單晶硅片材料，提高了 MEMS陀螺產(chǎn)品的一致性和可靠 性；加工工藝比較簡單，全部利用公知的MEMS工藝技術(shù)加工，適合大批量生產(chǎn)?！緦＠綀D】

【附圖說明】[0013]圖1為本發(fā)明MEMS陀螺抗過載結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2為本發(fā)明MEMS陀螺抗過載結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3為本發(fā)明MEMS陀螺抗過載結(jié)構(gòu)制造工藝流程圖?！揪唧w實施方式】[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和制造工藝做進一步的說明。[0015](一)MEMS陀螺抗高過載結(jié)構(gòu)參照圖1、圖2本發(fā)明MEMS抗高過載陀螺結(jié)構(gòu)從工藝制造上可分為三層:襯底層8、結(jié) 構(gòu)層11和蓋帽層10。連接梁1、中心固定塊2、固定塊3、防撞凸點4、防撞凸點5、網(wǎng)格空腔 質(zhì)量塊6、錨點7同屬于結(jié)構(gòu)層；玻璃片8構(gòu)成襯底層；單晶硅片11構(gòu)成蓋帽層，單晶硅片 11用苯并環(huán)丁烯(BCB) 9與蓋帽10鍵和連接。[0016]所述的網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊6通過連接梁I固支于錨點7，在網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊6的四周 對稱分布著帶有防撞凸點4的固定塊3，網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊6中心掏空區(qū)域設(shè)置有帶防撞凸點 5的固定塊2，網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊6四個側(cè)壁相當于彈性過載保護面，玻璃襯底8鍵合于結(jié)構(gòu) 層下方。當XY平面內(nèi)有過載情況時，使得梁結(jié)構(gòu)I發(fā)生彎曲，導(dǎo)致網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊6的側(cè) 壁碰撞到防撞凸點4或5，網(wǎng)格空腔質(zhì)量塊6的側(cè)壁相當于彈性過載保護面，可將沖擊力抵 消掉，使得可動結(jié)構(gòu)(敏感結(jié)構(gòu))得到有效保護。[0017](二)MEMS陀螺抗高過載結(jié)構(gòu)的制造工藝圖3中圖(a) —圖(e)為MEMS陀螺抗高過載結(jié)構(gòu)的主要工藝過程，具體說明為:圖(a) —圖(c)為中間敏感結(jié)構(gòu)層制作:在單晶硅片背面光刻空腔圖形，利用電感耦合 等離子體(ICP)刻蝕形成空腔；接著對單晶硅片進行氧化，在單晶硅片背面光刻深腔圖形， 正面涂膠保護，氫氟酸和氟化銨按6:1比例配比而成的腐蝕液去除打開窗口的二氧化硅， 再利用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕形成深腔。[0018]圖(d) —圖(e)最終結(jié)構(gòu)制作:氫氟酸和氟化銨按6:1比例配比而成的腐蝕液去 除單晶硅片表面氧化層，利用硅玻鍵合將中間敏感結(jié)構(gòu)層與玻璃襯底鍵合于一起，接著在單晶硅片正面光刻梁結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀質(zhì)量塊、固定結(jié)構(gòu)和防撞凸點，利用光刻膠作為阻擋層， 電感耦合等離子體(ICP)刻蝕直至懸臂梁、網(wǎng)格狀質(zhì)量塊釋放完全。最后在中間敏感結(jié)構(gòu) 層上鍵和蓋帽，如圖3所示，即形成本發(fā)明的MEMS抗高過載陀螺。
【權(quán)利要求】
1.一種抗高過載的MEMS陀螺，包括在玻璃襯底(8)上鍵合的硅片(11 )，硅片(11)上 面連接蓋帽(10)，硅片(11)中設(shè)有質(zhì)量塊(6)，它通過連接梁(I)固支于錨點(7)，在質(zhì)量塊(6)的四周對稱分布著帶有防撞凸點(4)的固定塊(3)，質(zhì)量塊(6)中心掏空區(qū)域設(shè)置有帶 防撞凸點(5)的中心固定塊(2)，其特征在于:所述質(zhì)量塊(6)上設(shè)有一組網(wǎng)格空腔(6a)。
【文檔編號】G01C19/56GK103557853SQ201310505577
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】陳璞, 郭群英, 黃斌, 王鵬, 陳博, 王文婧, 何凱旋, 劉磊, 徐棟, 呂東鋒, 莊須葉 申請人:華東光電集成器件研究所