CN106556386B - 硅基微壳体谐振器及其制备方法 - Google Patents

硅基微壳体谐振器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基微壳体谐振器及其制备方法，该硅基微壳体谐振器包括一个微壳体谐振子；一个带多个驱动检测电极的基底；所述微壳体谐振子由壳体部分、平板壳部分和柱子构成；所述微壳体谐振子的平板壳部分靠近柱子附近有槽；所述基底由两层高导电硅衬底构成，两层高导电硅衬底中间有一层氧化层进行了电隔离，上层高导电硅衬底中有多个通过掺杂形成的驱动检测电极；所述驱动检测电极数量为4的倍数，包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极；所述微壳体谐振子通过柱子与下层高导电硅衬底相连实现电连接。本发明的微壳体谐振子直径尺寸在100μm‑4mm。本发明能够降低谐振子的表面损耗，提高谐振子的Q值。

Description

硅基微壳体谐振器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子机械***(MEMS)领域的一种三维微壳体谐振器，具体地涉及一种硅基微壳体谐振器及其制备方法。
背景技术
哥式振动陀螺相对于光学陀螺(如环形激光陀螺和光纤陀螺)结构简单，并且在微型化上具有一定的优势。哥式振动陀螺按照结构可分为振梁式、音叉式、壳体式、振动板式等，其核心组件可采用传统的宏观机械加工，也可采用MEMS工艺加工。壳体谐振陀螺按照结构可分为半球、环、圆筒和其他壳体形式，其中半球谐振陀螺作为哥式振动陀螺中最为成功的一种高性能陀螺，成功应用于哈勃望远镜、卫星、宇宙飞船等空间飞行器。
近几十年MEMS技术快速发展，哥式振动陀螺的微型化也得到快速发展并广泛应用于工业控制、汽车、消费电子、军事等领域，低精度的微机械陀螺大量应用于消费类电子和汽车导航等对性能要求较低的场合。中等精度的微机械陀螺可应用于军用机器人、军用无人机、战术导弹、智能炸弹、飞机的姿态航向参考***(AHRS)等领域，目前中等精度的微机械陀螺中市场应用最广泛、综合性能最高是石英音叉式微机械陀螺。
壳体谐振陀螺作为哥式振动陀螺中性能较高的一类陀螺，其微型化的过程相对较慢，这主要受限于MEMS工艺的特点和发展，MEMS技术的一大特征是表面硅基工艺，三维MEMS技术成本高且精度较低。壳体谐振陀螺中的半球谐振子和圆筒谐振子由于制备工艺的制约至今未出现较为成功的微型化样机。而相对这两类的壳体谐振陀螺，微环状振动陀螺的研究则更加广泛。为获取高性能微机械振动陀螺，波音公司从2005年开始研究盘状谐振陀螺(DRG)，在2014年PLANS会议上报道了“Boeing Disc Resonator Gyroscope”，波音公司的DRG采用了多层环和中心盘状锚区设计。
壳体谐振陀螺中的半球谐振陀螺性能优越，尽管法国萨甘安全防护公司在中国专利“具有部分镀金属层的谐振器”(专利号：ZL2010800507158)和美国专利“GYROSCOPICSENSOR AND METHOD FOR MANUFACUTRING SUCH A SENSOR”(专利号：US9068833)提出了采用测量轴向运动的电极，器件体积变小，组装难度降低，但宏观机械加工的成本高。为降低成本和体积，研究人员开始关注壳体谐振陀螺的微型化，尤其是半球谐振陀螺的微型化。而微壳体谐振器作为MEMS壳体谐振陀螺中的核心，决定了微壳体谐振陀螺的性能。
为实现高性能微壳体谐振陀螺，东南大学在中国专利“一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪及其制备方法”(专利号：ZL2013101769365)和“一种三片组装式硅基超薄微半球谐振陀螺仪及其制备方法”(专利号：ZL2013101770080)中提出了利用SF6各向同性干法刻蚀制备半球腔，但这种干法刻蚀工艺制备的腔体表面粗糙度很高，在电极与谐振子组装过程中容易产生误差，且其电极与谐振子之间的电容相对较小。西北工业大学在中国专利“微型半球谐振陀螺及其制备方法”(专利号：ZL 2013100221461)中提出利用各向同性干法刻蚀制备半球腔，同样采用这种工艺制备的腔体表面粗糙度很高，影响随后沉积的多晶硅谐振子的表面粗糙度，带来较大的表面损耗，并且制备的电极与谐振子之间的电容相对较小。美国诺斯洛普·格鲁门公司在美国专利“MICRO HEMISPHERIC RESONATOR GYRO”(专利号：US8109145)中提出等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积低应力氮化硅制备微半球谐振子，实际情况是PECVD氮化硅或其他沉积法沉积的氮化硅的应力大，尤其对于制备3mm直径的氮化硅微半球谐振子十分容易碎裂；电极是从硅衬底背面利用深反应离子刻蚀(DRIE)制备而得，这种工艺容易导致每个电极与谐振子的面积不一致，导致电容大小不均。
实现高性能微壳体谐振陀螺的关键在于实现高性能微壳体谐振器的制备，具体表现在高性能微壳体谐振子的制备、电极的制备与组装和真空封装三个方面。微壳体谐振子直接决定了器件的性能；电极的制备可分为两类，一种是与谐振子一体化制备成型，另一种是单独制备然后组装，组装的关键在于电极与谐振子的间距和面积需保持一致，这样才能保证电极与谐振子的电容大小一致；高性能微壳体谐振陀螺需要在高真空环境下工作，因此真空封装成为设计与制备过程中的一个关键步骤之一，但MEMS工艺下的真空封装真空度较低，因此设计时考虑到空气阻尼(air damping)应适当加大电极与谐振子之间的间距。所有考虑均是基于获取高性能微壳体谐振器，性能指标中有两个最为重要，一个是对称性(具体表现为Δf)，一个是能量损耗(具体表现为Q值)。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种硅基微壳体谐振器及其制备方法，以获取高性能微壳体谐振器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种硅基微壳体谐振器，包括：
一个微壳体谐振子；
一个带多个驱动检测电极的基底；
其中，所述微壳体谐振子由壳体部分、平板壳部分和柱子构成，所述壳体部分与平板壳部分相连，且平板壳部分位于壳体部分的底部，所述柱子设置于平板壳部分的底部中心位置；所述基底由两层高导电硅衬底构成，两层高导电硅衬底之间通过设置的一层氧化层进行电隔离，上层高导电硅衬底中设置有多个驱动检测电极；所述驱动检测电极数量为4的倍数，包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极；所述微壳体谐振子通过柱子与下层高导电硅衬底相连实现电连接。
进一步的，所述微壳体谐振子的材质为因瓦合金、超因瓦合金、掺杂导电金刚石、掺杂导电多晶硅、掺杂导电碳化硅、二氧化硅、掺有二氧化钛的二氧化硅、63HfO2·37TiO2、HfO2·WO3·Ta2O5、Al2O3·TiO2、55Ta2O5·45WO3、37Ta2O5·63WO3或Al2O3的一种；其中，所述微壳体谐振子的材质为不导电材料时，微壳体谐振子的表面覆盖有或部分覆盖有导电金属层；
进一步的，所述微壳体谐振子直径范围为100μm-4mm；所述微壳体谐振子的厚度范围为0.1μm-10μm；所述微壳体谐振子的平板壳部分的直径不小于50μm。
进一步的，所述微壳体谐振子的平板壳部分靠近柱子附近设置有槽；所述槽的深度为1μm-100μm；所述槽为多个，并关于柱子中心对称。
一种硅基微壳体谐振器的制备方法，其步骤如下：
步骤一，制备带腔室带驱动检测电极的基底；
步骤二，在上述基底内的腔室表面制备第一层牺牲层以定义微壳体谐振子与电极的间距；
步骤三，通过光刻和刻蚀的方式在上述基底内的平面部分上的第一层牺牲层开孔；
步骤四，在上述第一层牺牲层表面上制备微壳体谐振子的结构层；
步骤五，在上述微壳体谐振子的结构层上制备第二层牺牲层以在后续加工步骤中保护微壳体谐振子；
步骤六，通过化学机械抛光的方式去掉基底上的第一层牺牲层、微壳体谐振子的结构层、第二层牺牲层的平面部分；
步骤七，去掉第一层牺牲层和第二层牺牲层释放微壳体谐振子；
进一步的，步骤一中的带腔室带驱动检测电极的基底通过以下两种制备方法的任意一种制备；
第一种制备方法如下：
步骤11、将下层高导硅圆片与上层高导<111>硅圆片键合形成基底，且两层高导硅圆片之间有一层氧化层，所述氧化层于两层高导硅圆片键合前加工在下层高导硅圆片或上层高导<111>硅圆片上；
步骤12、在基底上的上层高导<111>硅圆片上形成多个底部为平面的对称腔室，所采用的方法为：湿法刻蚀、激光钻孔与湿法刻蚀结合的方法、各项干法同性刻蚀与湿法刻蚀结合的方法、微电火花加工与湿法刻蚀结合的方法、微超声加工与湿法刻蚀结合的方法中的一种；
步骤13、在上述上层高导<111>硅圆片的表面上和对称腔室的曲面上进行反向掺杂，形成多个驱动检测电极；
步骤14、将上述对称腔室底部平面上刻蚀形成槽和中心柱子腔体，然后去掉底部平面上的氧化层，形成带腔室带驱动检测电极的基底；
第二种制备方法如下：
步骤21、在上层高导<111>硅圆片上形成多个穿透硅圆片的对称腔室，所采用的方法为：湿法刻蚀、激光钻孔与湿法刻蚀结合的方法、各项干法同性刻蚀与湿法刻蚀结合的方法、微电火花加工与湿法刻蚀结合的方法、微超声加工与湿法刻蚀结合的方法中的一种；
步骤22、在下层高导硅圆片上刻蚀形成槽和中心柱子腔体；
步骤23、将上述下层高导硅圆片氧化；
步骤24、将上述上层高导<111>硅圆片与下层高导硅圆片键合形成基底；
步骤25、在上述基底上的上层高导<111>硅圆片的表面上和对称腔体的曲面上进行反向掺杂，形成多个驱动检测电极；
步骤26、利用湿法刻蚀的方式将对称腔室的底部平面上的氧化层和下层高导硅圆片上的未键合面上的氧化层去掉，得到带腔室带驱动检测电极的基底。
进一步的，步骤二中，所述第一层牺牲层的制备方法为沉积、电镀、旋涂、喷涂、表面张力法的一种；所述沉积包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)；所述物理气相沉积包括蒸发(Evaporation)、溅射(Sputtering)、离子镀(IonPlating)、离子束沉积(IBD)、离子束辅助沉积(IBAD)；所述化学气相沉积包括热化学气相淀积(TCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、热丝化学气相淀积(HFCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、激光辅助化学气相沉积(LCVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
进一步的，步骤四中，所述微壳体谐振子的结构层的制备方法为电镀、表面张力法、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)的一种；所述化学气相沉积包括热化学气相淀积(TCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、热丝化学气相淀积(HFCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、激光辅助化学气相沉积(LCVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
进一步的，微壳体谐振子的结构层的材质为不导电材料时，步骤四中制备微壳体谐振子的结构层后形成一层薄的导电金属层，制备方法为溅射(Sputtering)、蒸发(Evaporation)、和原子层沉积(ALD)的一种；所述导电金属层的厚度在1nm-100nm。
进一步的，步骤五中，所述第二层牺牲层的制备方法为沉积、电镀、旋涂、喷涂的一种；所述沉积包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积；所述沉积包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)；所述物理气相沉积包括蒸发(Evaporation)、溅射(Sputtering)、离子镀(Ion Plating)、离子束沉积(IBD)、离子束辅助沉积(IBAD)；所述化学气相沉积包括热化学气相淀积(TCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、热丝化学气相淀积(HFCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、激光辅助化学气相沉积(LCVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
本发明的有益效果是：
1.对称腔室采用湿法刻蚀、激光钻孔与湿法刻蚀结合的方法、各项干法同性刻蚀与湿法刻蚀结合的方法、微电火花加工(μEDM)与湿法刻蚀结合的方法、微超声加工(μUSM)与湿法刻蚀结合的方法制备，各项干法同性刻蚀制备的腔室的表面粗糙度在几十纳米到一百纳米的级别，湿法刻蚀或湿法刻蚀与其他方法的组合可以将腔室表面粗糙度降低至1nm的水平，从而降低微壳体谐振子的表面粗糙度，降低谐振子的表面损耗；
2.微壳体谐振器中的电极与谐振子一体化制备，不采用组装的方式，谐振子与电极的间距较易得到保证，有利于保证谐振子与电极所形成的电容的大小一致；
3.微壳体谐振子的平板壳部分与壳体部分相接部分曲率不连续，由于应变能集中，且远离柱子，提供了解耦；柱子附近的应变能减小，削弱了由于柱子偏移微壳体谐振子对称轴所带来的影响，减小了由于柱子不对称引起的频率***(Δf)；
4.微壳体谐振子的平面部分靠近柱子附近有槽，槽的设计有利于减小壳体的能量通过柱子损散，提高谐振子的Q值。
附图说明
图1是硅基微壳体谐振器的分解示意图；
图2a-图2b是硅基微壳体谐振器的三维示意图；图2a是硅基微壳体谐振器的整体示意图；图2b是硅基微壳体谐振器的局部鸟瞰图；
图3a-图3d是四种微壳体谐振子的截面图；
图4a-图4d是微壳体谐振子的四种槽的俯视图；
图5是微壳体谐振器的制备流程框图；
图6是微壳体谐振器的带腔室带驱动检测电极的基底的一种制备方法的流程框图；
图7a-图7d是对应图6的微壳体谐振器的带腔室带驱动检测电极的基底的一种工艺制备流程图；
图8是微壳体谐振器的带腔室带驱动检测电极的基底的一种制备方法的流程框图；
图9a-图9h是对应图8的微壳体谐振器的带腔室带驱动检测电极的基底的一种工艺制备流程图；
图10a-图10h是微壳体谐振器的一种基于表面张力法定义谐振子与电极之间的间距的工艺流程图；
图11a-图11b是对应图10的微壳体谐振器的截面示意图；
图中，100-微壳体谐振器，110-基底，120-微壳体谐振子，122-壳体部分，124-平板壳部分，124A-第一平板壳部分，124B-第二平板壳部分，124C-第三平板壳部分，126-柱子，128-槽，130-上层高导电硅衬底，140-驱动检测电极，150-两层高导电硅衬底间的氧化层，160-下层高导电硅衬底；210-上层高导<111>硅圆片，212-腔室，214-驱动检测电极，220-下层高导电硅圆片，222-中心柱子腔体，222-槽，230-氧化层；310-上层高导<111>硅圆片，312-腔室，314-驱动检测电极，320-下层高导电硅圆片，322-中心柱子腔体，322-槽，326-氧化层；410-上层高导<111>硅圆片，412-腔室，414-驱动检测电极，420-下层高导电硅圆片，422-中心柱子腔体，440-玻璃层，442-第二玻璃层，444-第一牺牲层，450-结构层，460-第二牺牲层，470-微壳体谐振子，472-壳体部分，474-平板壳部分，476-柱子，478-槽；1000-硅基微壳体谐振器制备步骤，1100-硅基微壳体谐振器制备方法的步骤一，1200-硅基微壳体谐振器制备方法的步骤二，1300-硅基微壳体谐振器制备方法的步骤三，1400-硅基微壳体谐振器制备方法的步骤四，1500-硅基微壳体谐振器制备方法的步骤五，1600-硅基微壳体谐振器制备方法的步骤六，1700-硅基微壳体谐振器制备方法的步骤七；1102-带腔室带驱动检测电极的基底的第一种制备方法的第一步，1104-带腔室带驱动检测电极的基底的第一种制备方法的第二步，1106-带腔室带驱动检测电极的基底的第一种制备方法的第三步，1108-带腔室带驱动检测电极的基底的第一种制备方法的第四步；1112-带腔室带驱动检测电极的基底的第二种制备方法的第一步，1114-带腔室带驱动检测电极的基底的第二种制备方法的第二步，1116-带腔室带驱动检测电极的基底的第二种制备方法的第三步，1118-带腔室带驱动检测电极的基底的第二种制备方法的第四步，1120-带腔室带驱动检测电极的基底的第二种制备方法的第五步，1122-带腔室带驱动检测电极的基底的第二种制备方法的第六步。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
实施例1
如图1-图4d所示，本实例提供的一种硅基微壳体谐振器100，包括：
一个微壳体谐振子120；
一个带多个驱动检测电极140的基底110；
其中，所述微壳体谐振子120由壳体部分122、平板壳部分124和柱子126构成，壳体部分122与平板壳部分124相连，且壳体部分122位于平板壳部分124的周围，构成一个碗状，柱子126位于平板壳部分124底部；所述基底110由两层高导电硅衬底构成，两层高导电硅衬底中间有一层氧化层150，起电隔离的作用，上层高导电硅衬底130中有多个通过掺杂形成的驱动检测电极140；所述驱动检测电极140数量为4的倍数，包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极；所述微壳体谐振子120通过柱子126与下层高导电硅衬底160相连实现电连接。
所述微壳体谐振子120的材质为因瓦合金或超因瓦合金；所述微壳体谐振子120直径范围为100μm-4mm；所述微壳体谐振子120的厚度范围为0.1μm-4μm；所述微壳体谐振子120的平板壳部分124的直径不小于50μm。
所述微壳体谐振子120的平板壳部分124靠近柱子126附近开设有槽128；所述槽128的深度为1μm-100μm；所述槽128为多个，并关于柱子126中心对称。
如图5-图7d所示，本实例提供的一种硅基微壳体谐振器制备方法1000，其步骤如下：
步骤一1100，制备带腔室带驱动检测电极的基底；
步骤二1200，在上述基底内的腔室表面通过溅射(Sputtering)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法制备一层厚度为1μm-10μm的二氧化硅形成第一层牺牲层；
步骤三1300，通过光刻和刻蚀的方法在上述基底内的平面部分上的中心柱子腔体上的第一层牺牲层开孔；
步骤四1400，在上述第一层牺牲层表面上通过电镀因瓦合金或超因瓦合金制备微壳体谐振子的结构层；
步骤五1500，在上述微壳体谐振子的结构层上通过溅射(Sputtering)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法制备一层1μm左右厚的二氧化硅形成第二层牺牲层以在后续加工步骤中保护微壳体谐振子；
步骤六1600，通过化学机械抛光(CMP)去掉基底上的第一层牺牲层、微壳体谐振子的结构层、第二层牺牲层的平面部分；
步骤七1700，利用气相HF刻蚀去掉第一层牺牲层和第二层牺牲层释放微壳体谐振子；
其中，步骤一1100中的带腔室带驱动检测电极的基底的制备方法如下：
第一步1102、将下层高导硅圆片220与上层高导<111>硅圆片210键合形成基底，两层高导硅圆片中间有一层氧化层230，这层氧化层230在键合前设置于下层高导硅圆片220上，或者上层高导<111>硅圆片210上；
第二步1104、在基底上的上层高导<111>硅圆片210上形成多个底部为平面的对称腔室212；所采用的方法为湿法刻蚀、激光钻孔与湿法刻蚀结合的方法、各项干法同性刻蚀与湿法刻蚀结合的方法、微电火花加工(μEDM)与湿法刻蚀结合的方法、微超声加工(μUSM)与湿法刻蚀结合的方法中的一种；
第三步1106、在上述上层高导<111>硅圆片210的表面上和对称腔室212的曲面上进行反向掺杂，形成多个驱动检测电极214；
第四步1108、将上述对称腔体212底部平面上刻蚀形成槽224和中心柱子腔体222，然后去掉底部平面上的氧化层，形成带腔室212带驱动检测电极214的基底；
上述步骤一1100中，所述带腔室212带驱动检测电极214的基底的制备方法中先形成槽224和中心柱子腔体222的制备，然后形成多个驱动检测电极214。
图1是硅基微壳体谐振器的分解示意图：微壳体谐振器100包括基底110和微壳体谐振子120，基底110由上层高导硅衬底130、两层高导电硅衬底中间的氧化层150、下层高导硅衬底160构成，上层高导硅衬底130的对称腔体和平面部分有多个由反向掺杂形成的驱动检测电极140。
图2a-图2b是硅基微壳体谐振器的三维示意图；图2a是硅基微壳体谐振器的整体示意图；图2b是硅基微壳体谐振器的局部鸟瞰图；图2b中所示的槽的数量并不限定本发明的微壳体谐振子平板壳部分的槽的数量。
图3a-图3d是四种微壳体谐振子的截面图；图3a中，平板壳部分124的底部中心位置设置有柱子126；图3b中，平板壳部分124的底部中心位置设置有柱子126，柱子126附近开设有槽128；图3c中，平板壳部分124的底部中心位置设置有柱子126，柱子126附近开设有槽128，且柱子126的形状为倒“凸”字型；图3d中，平板壳部分124为以平板壳部分中心对称的台阶状，分别为依次相连的第一平板壳部分124A，第二平板壳部分124B，第三平板壳部分124C，第三平板壳部分124C的底部中心位置设置有柱子126；图中所示的槽的数量并不限定本发明的微壳体谐振子平板壳部分的槽的数量，图3d中所示的平板壳部分的数量不限定本发明的微壳体谐振子平板壳部分的数量。
图4a-图4d是微壳体谐振子的四种槽的俯视图；图4a中，槽128的形状为与柱子同心的多个圆环形槽；图4b中，槽128的形状为与柱子同心的多个四分之一圆环形槽，每个四分之一圆环形槽之间由平板壳部分分隔；图4c中，槽128的形状为与柱子同心的多个圆环形槽，且圆环形槽之间有多个平板壳阻隔部分，将圆环形槽阻隔形为多个“干”字形和“士”字形的圆弧形槽；图4d中，槽128的形状为不规则形状，其间设置有多个平板壳阻隔部分，将槽128分为多个形状不同的部分；图4c和图4d中槽的设计原则是基于加长能量从平板壳部分传递到柱子的路径长度；槽的设计可以不完全关于柱子中心对称，图4d就是这种情况的一个例子；图中所示的槽的数量并不限定本发明的微壳体谐振子平板壳部分的槽的数量，图中槽所示的的形式不限定本发明的微壳体谐振子平板壳部分的槽的形式与分布。
此实例中的微壳体谐振子的材质本身导电，不需要额外的导电金属层，可降低微壳体谐振子的表面损耗。
实施例2
如图1-图4d所示，本实例提供的一种硅基微壳体谐振器100，包括：
一个微壳体谐振子120；
一个带多个驱动检测电极140的基底110；
其中，所述微壳体谐振子120由壳体部分122、平板壳部分124和柱子126构成壳体部分122与平板壳部分124相连，且壳体部分122位于平板壳部分124的周围，构成一个碗状，柱子126位于平板壳部分124底部；所述基底110由两层高导电硅衬底构成，两层高导电硅衬底中间有一层氧化层150进行了电隔离，上层高导电硅衬底130中有多个通过掺杂形成的驱动检测电极140；所述驱动检测电极140数量为4的倍数，包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极；所述微壳体谐振子120通过柱子126与下层高导电硅衬底160相连实现电连接。
所述微壳体谐振子120的材质为掺杂导电金刚石、掺杂导电多晶硅或掺杂导电碳化硅中的一种；所述微壳体谐振子120的厚度范围为0.1μm-4μm；所述微壳体谐振子120的平板壳部分124的直径不小于50μm。
所述微壳体谐振子120的平板壳部分124靠近柱子126附近有槽128；所述槽128的深度为1μm-100μm；所述槽128为多个，并关于柱子126中心对称。
如图5、图8-图9h所示，本实例提供的一种硅基微壳体谐振器制备方法1000，其步骤如下：
步骤一1100，制备带腔室带驱动检测电极的基底；
步骤二1200，在上述基底内的腔室表面制备第一层牺牲层以定义微壳体谐振子与电极的间距；
步骤三1300，通过光刻和刻蚀在上述基底内的平面部分上的第一层牺牲层开孔；
步骤四1400，在上述第一层牺牲层表面上通过热丝化学气相淀积(HFCVD)掺杂导电金刚石、低压化学气相沉积(LPCVD)掺杂导电多晶硅或化学气相沉积(CVD)掺杂导电碳化硅的方法制备微壳体谐振子的结构层；
步骤五1500，在上述微壳体谐振子的结构层上制备第二层牺牲层以在后续加工步骤中保护微壳体谐振子；
步骤六1600，通过化学机械抛光(CMP)去掉基底上的第一层牺牲层、微壳体谐振子的结构层、第二层牺牲层的平面部分；
步骤七1700，去掉第一层牺牲层和第二层牺牲层释放微壳体谐振子；
其中，步骤一1100中的带腔室带驱动检测电极的基底的制备方法如下：
第一步1112、在上层高导<111>硅圆片310上形成多个穿透上层高导<111>硅圆片310的对称腔室312；所采用的方法为湿法刻蚀、激光钻孔与湿法刻蚀结合的方法、各项干法同性刻蚀与湿法刻蚀结合的方法、微电火花加工(μEDM)与湿法刻蚀结合的方法、微超声加工(μUSM)与湿法刻蚀结合的方法中的一种；
第二步1114、在下层高导硅圆片320上刻蚀形成槽324和中心柱子腔体322；
第三步1116、将上述下层高导硅圆片320氧化；
第四步1118、将上述上层高导<111>硅圆片310与下层高导硅圆片320键合形成基底；
第五步1120、在上述基底上的上层高导<111>硅圆片210的表面上和对称腔室312的曲面上进行反向掺杂，形成多个驱动检测电极314；
第六步1122、利用湿法刻蚀将对称腔室312的底部平面上的氧化层和下层高导硅圆片320上的未键合面上的氧化层去掉，得到带腔室312带驱动检测电极314的基底。
上述步骤一1100中，所述带腔室带驱动检测电极的基底的制备方法中可以先将上层高导<111>硅圆片310与下层高导硅圆片320键合形成基底，然后形成槽324和中心柱子腔体322。
步骤二1200和步骤五1500中，所述第一层牺牲层和第二层牺牲层的制备方法为沉积、电镀、旋涂、喷涂的一种；所述沉积包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)；所述物理气相沉积包括蒸发(Evaporation)、溅射(Sputtering)、离子镀(IonPlating)、离子束沉积(IBD)、离子束辅助沉积(IBAD)；所述化学气相沉积包括热化学气相淀积(TCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、热丝化学气相淀积(HFCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、激光辅助化学气相沉积(LCVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
此实例中的微壳体谐振子的材质为掺杂导电材料，不需要额外的导电金属层，可降低微壳体谐振子的表面损耗。
实施例3
如图1-图4所示，本实例提供的一种硅基微壳体谐振器100，包括：
一个微壳体谐振子120；
一个带多个驱动检测电极140的基底110；
其中，所述微壳体谐振子120由壳体部分122、平板壳部分124和柱子126构成，壳体部分122与平板壳部分124相连，且壳体部分122位于平板壳部分124的周围，构成一个碗状，柱子126位于平板壳部分124底部；所述基底110由两层高导电硅衬底构成，两层高导电硅衬底中间有一层氧化层150进行了电隔离，上层高导电硅衬底130中有多个通过掺杂形成的驱动检测电极140；所述驱动检测电极140数量为4的倍数，包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极；所述微壳体谐振子120通过柱子126与下层高导电硅衬底160相连实现电连接。
所述微壳体谐振子120的材质为63HfO2·37TiO2、HfO2·WO3·Ta2O5、Al2O3·TiO2、55Ta2O5·45WO3、37Ta2O5·63WO3或Al2O3中的一种；所述微壳体谐振子120的材质不导电时，微壳体谐振子120的表面覆盖有或部分覆盖有导电金属层；所述导电金属层很薄，但要保证导电性；所述微壳体谐振子120直径范围为100μm-4mm；所述微壳体谐振子120的厚度范围为0.1μm-20μm；所述微壳体谐振子120的平板壳部分124的直径不小于50μm；
所述微壳体谐振子120的平板壳部分124靠近柱子126附近有槽128；所述槽128的深度为1μm-100μm；所述槽128可以关于柱子126中心对称。
如图5-图11b所示，本实例提供的一种硅基微壳体谐振器制备方法，其步骤如下：
步骤一1100，制备带腔室412带驱动检测电极414的基底；
步骤二1200，在上述基底内的腔室412表面制备第一层牺牲层444以定义微壳体谐振子与电极的间距；制备方法为：在上述基底的上层高导<111>硅圆片410上在真空环境下阳极键合一层玻璃层440，将玻璃层440减薄和化学机械抛光(CMP)成第二玻璃层442，然后将键合后的圆片放入加热炉中，加热炉的温度高于玻璃层440的软化点，在高温环境和气压差下，玻璃软化回流形成第一层牺牲层444。第二玻璃层442的厚度范围在5μm-50μm之间，这样玻璃软化后可快速回流形成第一层牺牲层444，且第一层牺牲层444的厚度容易满足微壳体谐振子470与驱动检测电极414的间距要求。
步骤三1300，通过光刻和刻蚀在上述基底内的平面部分上的第一层牺牲层444开孔，并在基底上的下层高导硅圆片420上形成中心柱子腔体422；
步骤四1400，在上述第一层牺牲层444表面上利用原子层沉积(ALD)制备微壳体谐振子的结构层450，微壳体谐振子的结构层450的材质可以是63HfO2·37TiO2、HfO2·WO3·Ta2O5、Al2O3·TiO2、55Ta2O5·45WO3、37Ta2O5·63WO3或Al2O3；
步骤五1500，在上述微壳体谐振子的结构层450上制备第二层牺牲层460以在后续加工步骤中保护微壳体谐振子470；
步骤六1600，通过化学机械抛光(CMP)去掉基底上的第一层牺牲层444、微壳体谐振子的结构层450、第二层牺牲层460的平面部分；
步骤七1700，去掉第一层牺牲层444和第二层牺牲层460释放微壳体谐振子470；
其中，步骤一中的带腔室带驱动检测电极的基底的制备方法有两种，如实例1和实例2。
其中，微壳体谐振子470的结构层为不导电材质时，在步骤四制备微壳体谐振子470的结构层后形成一层薄的导电金属层，制备方法包括溅射(Sputtering)和原子层沉积(ALD)，导电金属层的厚度在1nm-100nm。
步骤五1500中，所述第二层牺牲层460的制备方法为沉积、电镀、旋涂、喷涂的一种；所述沉积包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)；所述物理气相沉积包括蒸发(Evaporation)、溅射(Sputtering)、离子镀(Ion Plating)、离子束沉积(IBD)、离子束辅助沉积(IBAD)；所述化学气相沉积包括热化学气相淀积(TCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、热丝化学气相淀积(HFCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、激光辅助化学气相沉积(LCVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
此实例中的第一层牺牲层由表面张力制备而成，表面张力法形成的壳状物表面粗糙度在埃米级别，由于微壳体谐振子的结构层在第一层牺牲层上形成，因此可获得极低的粗糙度，这样可大大降低微壳体谐振子的表面损耗，提高谐振子的Q值。
此实例中的微壳体谐振子的结构层由原子层沉积制备而成，因此壳体厚度十分均匀，减小由于壳体厚度不均带来的影响，提高谐振子的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅基微壳体谐振器，包括：
一个微壳体谐振子；
一个带多个驱动检测电极的基底；
其中，所述微壳体谐振子由壳体部分、平板壳部分和柱子构成，所述壳体部分与平板壳部分相连，且平板壳部分位于壳体部分的底部，所述柱子设置于平板壳部分的底部中心位置；所述微壳体谐振子的平板壳部分靠近柱子附近设置有槽；所述基底由两层高导电硅衬底构成，两层高导电硅衬底之间通过设置的一层氧化层进行电隔离，上层高导电硅衬底中设置有多个驱动检测电极；所述驱动检测电极数量为4的倍数，包括偶数个驱动电极、偶数个检测电极；所述微壳体谐振子通过柱子与下层高导电硅衬底相连实现电连接。
2.如权利要求1所述的微壳体谐振器，其特征在于：所述微壳体谐振子的材质为因瓦合金、超因瓦合金、掺杂导电金刚石、掺杂导电多晶硅、掺杂导电碳化硅、二氧化硅、掺有二氧化钛的二氧化硅、63HfO2·37TiO2、HfO2·WO3·Ta2O5、Al2O3·TiO2、55Ta2O5·45WO3、37Ta2O5·63WO3或Al2O3的一种；其中，所述微壳体谐振子的材质为不导电材料时，微壳体谐振子的表面覆盖有或部分覆盖有导电金属层。
3.如权利要求1或2所述的微壳体谐振器，其特征在于：所述微壳体谐振子直径范围为100μm-4mm；所述微壳体谐振子的厚度范围为0.1μm-10μm；所述微壳体谐振子的平板壳部分的直径不小于50μm。
4.如权利要求1所述的微壳体谐振器，其特征在于：所述槽的深度为1μm-100μm；所述槽为多个，并关于柱子中心对称。
5.如权利要求1-4任一所述的硅基微壳体谐振器的制备方法，其特征在于：其步骤如下：
步骤一，制备带腔室带驱动检测电极的基底；
步骤二，在上述基底内的腔室表面制备第一层牺牲层以定义微壳体谐振子与电极的间距；
步骤三，通过光刻和刻蚀的方式在上述基底内的平面部分上的第一层牺牲层开孔；
步骤四，在上述第一层牺牲层表面上制备微壳体谐振子的结构层；
步骤五，在上述微壳体谐振子的结构层上制备第二层牺牲层以在后续加工步骤中保护微壳体谐振子；
步骤六，通过化学机械抛光的方式去掉基底上的第一层牺牲层、微壳体谐振子的结构层、第二层牺牲层的平面部分；
步骤七，去掉第一层牺牲层和第二层牺牲层释放微壳体谐振子。
6.如权利要求5所述的硅基微壳体谐振器的制备方法，其特征在于：步骤一中的带腔室带驱动检测电极的基底通过以下两种制备方法的任意一种制备；
第一种制备方法如下：
步骤11、将下层高导硅圆片与上层高导<111>硅圆片键合形成基底，且两层高导硅圆片之间有一层氧化层，所述氧化层于两层高导硅圆片键合前加工在下层高导硅圆片或上层高导<111>硅圆片上；
步骤12、在基底上的上层高导<111>硅圆片上形成多个底部为平面的对称腔室，所采用的方法为：湿法刻蚀、激光钻孔与湿法刻蚀结合的方法、各项干法同性刻蚀与湿法刻蚀结合的方法、微电火花加工与湿法刻蚀结合的方法、微超声加工与湿法刻蚀结合的方法中的一种；
步骤13、在上述上层高导<111>硅圆片的表面上和对称腔室的曲面上进行反向掺杂，形成多个驱动检测电极；
步骤14、将上述对称腔室底部平面上刻蚀形成槽和中心柱子腔体，然后去掉底部平面上的氧化层，形成带腔室带驱动检测电极的基底；
第二种制备方法如下：
步骤21、在上层高导<111>硅圆片上形成多个穿透硅圆片的对称腔室，所采用的方法为：湿法刻蚀、激光钻孔与湿法刻蚀结合的方法、各项干法同性刻蚀与湿法刻蚀结合的方法、微电火花加工与湿法刻蚀结合的方法、微超声加工与湿法刻蚀结合的方法中的一种；
步骤22、在下层高导硅圆片上刻蚀形成槽和中心柱子腔体；
步骤23、将上述下层高导硅圆片氧化；
步骤24、将上述上层高导<111>硅圆片与下层高导硅圆片键合形成基底；
步骤25、在上述基底上的上层高导<111>硅圆片的表面上和对称腔体的曲面上进行反向掺杂，形成多个驱动检测电极；
步骤26、利用湿法刻蚀的方式将对称腔室的底部平面上的氧化层和下层高导硅圆片上的未键合面上的氧化层去掉，得到带腔室带驱动检测电极的基底。
7.如权利要求5所述的硅基微壳体谐振器的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述第一层牺牲层的制备方法为沉积、电镀、旋涂、喷涂、表面张力法的一种；所述沉积包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积；所述物理气相沉积包括蒸发、溅射、离子镀、离子束沉积、离子束辅助沉积；所述化学气相沉积包括热化学气相淀积、低压化学气相沉积、热丝化学气相淀积、等离子体增强化学气相沉积、激光辅助化学气相沉积、金属有机化学气相沉积。
8.如权利要求5所述的硅基微壳体谐振器的制备方法，其特征在于：步骤四中，所述微壳体谐振子的结构层的制备方法为电镀、表面张力法、化学气相沉积、原子层沉积的一种；所述化学气相沉积包括热化学气相淀积、低压化学气相沉积、热丝化学气相淀积、等离子体增强化学气相沉积、激光辅助化学气相沉积、金属有机化学气相沉积。
9.如权利要求5所述的硅基微壳体谐振器的制备方法，其特征在于：微壳体谐振子的结构层的材质为不导电材料时，步骤四中制备微壳体谐振子的结构层后形成一层薄的导电金属层，制备方法为溅射、蒸发或原子层沉积的一种；所述导电金属层的厚度在1nm-100nm。
10.如权利要求5所述的硅基微壳体谐振器的制备方法，其特征在于：步骤五中，所述第二层牺牲层的制备方法为沉积、电镀、旋涂、喷涂的一种；所述沉积包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积；所述物理气相沉积包括蒸发、溅射、离子镀、离子束沉积、离子束辅助沉积；所述化学气相沉积包括热化学气相淀积、低压化学气相沉积、热丝化学气相淀积、等离子体增强化学气相沉积、激光辅助化学气相沉积、金属有机化学气相沉积。
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