微机械陀螺真空封装玻璃罩子加工工艺的研究

　　微电子机械系统(MEMS)是指采用微机械加工技术和微电子技术相结合的工艺技术,硅微机械陀螺是MEMS研究领域中重要组成部分,由于硅微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低、易于批量加工、动态范围广等特点,世界各国正积极投入人力、物力对其进行开发研究,我国在微机械陀螺研究方面已取得了许多进展,但国内目前对硅机械陀螺的真空封装技术尚不成熟,这对于提高器件灵敏度造成了很大的困难·因此,根据国内现状我们提出一种采用玻璃键合技术实现对微机械陀螺真空封装的办法:就是加工出一种与微机械陀螺结构匹配的玻璃罩子,当玻璃罩子与陀螺微结构键合后,玻璃罩子与陀螺微结构之间的空间为陀螺提供一个真空环境,同时可以将陀螺中的测试点引到玻璃罩子上,通过从玻璃罩子引线可以实现对陀螺施加驱动信号,并且通过引线可以读取陀螺的输出信号·

　　1　硅微机械陀螺玻璃罩子结构的设计原理

　　为了提高微机械陀螺灵敏度,必须实现对硅微机械陀螺结构的真空封装·因此我们提出一种可行的办法:利用玻璃和硅的静电键合实现对硅微机械陀螺结构的真空封装· 即为微机械陀螺设计某种结构的玻璃罩子,通过对该玻璃罩子与硅微机械结构进行静电键合加工,使得陀螺微机械结构被封装在一个真空环境中·通过上述原理的阐述我们知道,用于静电键合的玻璃罩子结构的设计对于整个封装过程起到至关重要的作用·下面将详细介绍玻璃罩子结构的设计原设计玻璃罩子结构需要考虑两个问题: (1)保证键合后玻璃罩子和硅片之间形成真空空间,并且微机械陀螺的运动部分必须在该真空空间内,这样才能保证陀螺的结构具有较高品质因数和灵敏度; (2)键合完成后,必须使陀螺的测试点引到玻璃罩子上,这样才能通过引线驱动陀螺同时检测陀螺的输出信号

　　通过上面的分析,我们可以设计出陀螺玻璃罩子的基本结构·首先我们定义玻璃罩子与硅片进行键合的接触面为罩子的正面,玻璃罩子的另一面为反面;为保证玻璃罩子与硅片键合后可以为陀螺的运动部件提供一个真空的工作环境,罩子正面应该对应陀螺的运动部分加工出一个高深宽比的凹槽,保证键合后陀螺的运动部分全部包含在由凹槽形成的真空空间内;然后再在玻璃罩子背面打若干通孔,这些通孔用于把陀螺的测试点引到玻璃罩子上,因此通孔的位置必须十分准确,键合后使得通孔对应到测试点上·

　　下面给出我们设计的一个硅微梳状静电驱动电容检测陀螺仪的结构(图1)从图中可以看出陀螺的检测质量块(内框架)通过四根对称的梁与外框架相连,外框架及其周围的梳齿电容通过四根梁固定在锚点上,这样整个结构就悬空在一个平行与衬底的平面上·当对驱动梳齿施加驱动电压后,驱动框架(外框架)连同检测框架 (内框架)将在水平方向作等幅振动,若此时受到在Z轴方向有角速度Ω输入,在哥式力的作用下,内框架将在垂直方向振动,从而引起内框架检测梳齿上电容值的变化(设为&C),检测电路将& C信号经过调制、放大、解调,输出电压信号,这个电压信号正比于输入信号Ω·