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石英微机械惯性传感器的加工技术 - 其它资料

电子下载站 资料版权归合法所有者所有 严禁用于商业用途 石英微机械惯性传感器的加工技术 谭德生 张巧云摘要：本文讨论了石英微机械陀螺的基本结构和工作原理，叙述了用于石英加工的化学各向异性刻蚀机理，给出了石英音叉传感器的加工方法，提供了我们研制的石英微机械陀螺的试验结果。关键词：石英；微机械陀螺；各向异性刻蚀中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1006-883X（2002）10-0022 –03一、概述 传统的惯性传感器由于其体积大、成本高，制约了它在很多方面的应用。利用微机械加工方法制作微机械振动陀螺，能实现批量生产，使产品的成本低、体积小、重复性及一致性好。这些特点使微机械振动陀螺具有鲜明的军民两用性，从而引起了国内外学者的广泛关注。从八十年代中期以来，美、英、日、德等工业发达国家投入了大量的人力与财力来开展微机械振动惯性器件的研究。由于半导体集成电路制作中大多采用硅基片，人们对硅的认识越来越深，国内外许多文献报道的微机械惯性传感器都是做在硅片上的，但是，微机械加工材料并不于硅材料，其他许多材料也适合制 作特殊的微型器件，压电石英晶体也是常用的一种。从单晶结构和高弹性模量的角度来说，石英晶体和硅材料都是微机械 惯性传感器理想的振子材料。

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从八十年代中期以来，美、英、日、德等工业发达国家投入了大量的人力与财力来开展微机械振动惯性器件的研究。由于半导体集成电路制作中大多采用硅基片，人们对硅的认识越来越深，国内外许多文献报道的微机械惯性传感器都是做在硅片上的，但是，微机械加工材料并不于硅材料，其他许多材料也适合制 作特殊的微型器件，压电石英晶体也是常用的一种。从单晶结构和高弹性模量的角度来说，石英晶体和硅材料都是微机械 惯性传感器理想的振子材料。它们具有不同的晶体对称性，石英属于三角 晶系，硅属于立方晶系，硅具有更高的对称性。

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因此，它们的一些物理特 性完全不同。石英是绝缘体，而硅是半导体，用石英做成的器件不存在导 电体间的电流泄露。石英是种得到广泛应用的压电晶体，很适合制做 谐振器的微结构。而硅不是压电体，利用它做谐振器件需要更复杂的技术。

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我们选用石英晶体材料，利用微加工工艺研制出了微机械振动陀螺样机， 以下主要介绍我们所采用的结构、原理及试验结果。二、基本结构及工作原理 石英微机械振动陀螺的基本结构如图 1 所示。利用闭环恒增益振荡电路激励驱动音叉，使其在 10kHz 附近谐振，当音叉沿输入轴以角速度 Ω 旋转时，由于音叉以一定速度左右摆动而产生哥氏转矩，该转矩使读出音叉沿垂直于驱动音叉振动平面的方欢迎光临中国的电子工程师应用网站网址：电子下载站 资料版权归合法所有者所有 严禁用于商业用途向前后振动，（驱动音叉和读出音叉的振动方向见图 1），由于压电效应，会在读出音叉上产生电荷，检测出读出音叉上产生的电荷大小即可测得输入角速度。三、各向异性刻蚀原理 石英晶体的各向异性刻蚀有干法（反应离子刻蚀）和湿法（化学刻蚀方法）两种。

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1．反应离子刻蚀技术 等离子体刻蚀技术利用等离子体取代化学腐蚀液，该工艺用作微机械加工所得到的外形不受基片的晶向控制，等离子体不会给微结构带来大的应力，但设备比较复杂且很多参数必须控制。典型参数是气体的性质和流量，基片的性质和面积，电极结构，激励的电磁参数和真空室的外形等，不同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的等离子微机械加工工艺还有待开发。然而，借助已经进行的研究可以预测这种工艺在近几年内会成为现实。

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从微机械加工的观点来看，腐蚀深度只有几十微米是太有限了，要利用反应离子刻蚀工艺来各向异性刻蚀几百微米的凹槽还需要作进一步的研究。2． 化学刻蚀技术 石英晶体的刻蚀速度依赖于被腐蚀面的晶向，对这种各向异性刻蚀的原理目前还不是很明确。被腐蚀晶面的原子密度似乎是决定因素，腐蚀速度最慢的对应的是最密的面。石英晶体具有一个非常有用的特征，是对于所有平行于Z轴的面，其腐蚀速率实际上为零。

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