CN108489476B - 一种基于声光耦合效应的光声波陀螺仪及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于声光耦合效应的光声波陀螺仪及其加工方法，光声波陀螺仪包括SOI主体结构、硅盖帽、谐振子、金属电极和光通路；SOI主体结构与硅盖帽键合，SOI主体结构包括SOI衬底和SOI器件层，SOI衬底设在SOI器件层下方；SOI器件层顶面中心部设有圆槽，谐振子为圆盘状，设在圆槽中心，金属电极均匀分布在谐振子外周，光通路均匀分布在相邻两金属电极之间；硅盖帽下表面对应谐振子位置设有凹槽；硅盖帽上设有与金属电极数量相等的电极通孔，电极通孔底部设有金属焊盘，电极通孔与金属电极位置一一对应且相接。本发明利用光来检测角速度，质量小、测量精度高、不受电磁干扰，应用范围广，有着良好的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于声光耦合效应的光声波陀螺仪及其加工方法，属于微光机电和惯性导航技术领域。
背景技术
MOEMS，英文全称为Micro—opto—electro—mechanical System，中文名为微光机电***，或者称为光学MEMS，是集成光学技术与MEMS技术相结合的微***技术，它是目前处于科研领域前沿、知识密集度最高的微***。MOEMS把各种MEMS机构与微光学器件、光波导器件、光纤器件、激光器、光电检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能部件或***。
MOMES陀螺仪也是其中的一种，是针对大多数微机电陀螺容易受到寄生效应的干扰，精度和动态性能难以兼顾的限制，采用光学检测的方法代替电容检测的一种新型、高精度微型陀螺仪。
发明内容
发明目的：为克服现有技术不足，降低陀螺仪内部的耦合效应并提高其测量精度，本发明旨于提供一种基于声光耦合效应的光声波陀螺仪及其加工方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于声光耦合效应的光声波陀螺仪，包括SOI主体结构、硅盖帽、谐振子、金属电极和光通路；所述SOI主体结构与硅盖帽键合，SOI主体结构包括SOI衬底和SOI器件层，SOI衬底设在SOI器件层下方；SOI器件层顶面中心部设有圆槽，谐振子为圆盘状，设在圆槽中心，金属电极均匀分布在谐振子外周，光通路均匀分布在相邻两金属电极之间；硅盖帽下表面对应谐振子位置设有凹槽；硅盖帽上设有与金属电极数量相等的电极通孔，电极通孔底部设有金属焊盘，电极通孔与金属电极位置一一对应且相接。
工作原理：本发明基于声光耦合效应的光声波陀螺仪，属于MOMES陀螺仪的范畴，外界金属导线通过电极通孔内金属焊盘与微谐振器实现电气连接，驱动谐振器上产生超声波，并在内部形成驻波；由于哥式效应，谐振子内的超声波的波场会发生改变；基于弹光效应，当检测光通过存在声波的谐振子表面时，就会发生衍射，引起的光强度变化与超声场相关；由外接的激光发生器作为光源提供检测光，检测光从光发生器进入后依次通过光通路、谐振子、光通路后得到出射光，由于超声场变化，出射光的光强随之变化，通过检测进入外接的光电转换器的出射光光强，可以推算出角速度。
所述谐振子包括一个可以产生声波的硅谐振器与设在硅谐振器上表面的声光介质耦合层，耦合层与光通路处于同一平面，能实现超声波场与光场耦合。
上述耦合层由声光介质沉积所得；对于声光介质，当介质中存在超声波时，会使晶体的介电常数发生变化，在晶体中形成周期性的有不同折射率的间隔层，以声速运动，这种间隔层具有光栅的功能，因此，当光通过存在声波的声光介质时，就会发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的变化。而当介质旋转时，由于哥式效应的作用，其内部的超声场就会发生相应变化，进而引起出射光的光强变化，通过检测光强的变化，就可以推算得出外界的角速度，实现陀螺仪功能。
所述硅谐振器采用静电力驱动产生声波，声波在圆盘内形成驻波，能易于确定驻波位置，便于后续的光路设计。
所述光通路在SOI器件层上通过薄膜沉积工艺加工而成，能实现光路与器件的集成，加工精度高。
所述金属电极和电极通孔均为4个，金属电极采用推挽驱动，谐振子的振型为椭圆形，能在检测端可以采用差分信号检测，抑制共模噪声对测量精度的影响。
所述电极通孔为上大下小的锥形孔结构，在邦定金属导线时更加易于金属线与焊盘的接触，降低加工的难度，提高成功率。
上述基于声光耦合效应的光声波陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：
1)清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆的SOI器件层表面采用低压化学气相沉积方法沉积一层铌酸锂用于光通路和耦合层；
2)在步骤1)得到的铌酸锂层表面在沉积一层金属铝作为掩膜同时用于加工光通路的包层，然后在金属铝表面旋涂一层光刻胶并固化；
3)在步骤2)得到的光刻胶层，利用第一块掩膜版，在紫外线光刻机上定义光通路和谐振子的形状与位置，接着使用盐酸去除暴露的金属铝层将图案转移到金属铝掩膜层，然后去除多余的光刻胶；
4)采用深反应离子刻蚀工艺将谐振子与光通路结构的图案转移到铌酸锂层与SOI器件层；
5)使用氢氟酸溶液去除谐振子可动部分下方的掩埋氧化层，释放SOI主体结构；
6)取一块硅晶圆，减薄后，清洗，干燥，双面旋涂光刻胶，固化之后，分别利用第二块和第三块掩膜版在硅晶圆的上下表面定义硅盖帽的凹槽、电极通孔的开口形状和位置；
7)使用KOH溶液湿法刻蚀，在步骤6)得到的硅晶圆上加工出凹槽和电极通孔，得到所需的硅盖帽；
8)将步骤7)的硅盖帽与步骤5)得到的SOI主体结构通过金金键合工艺实现键合，得到完整的光声波陀螺仪结构。
优选，所述的步骤1)中，沉积耦合层时，在SOI晶圆的SOI器件层表面采用低压化学气相沉积方法沉积一层磷化镓或二氧化碲用于耦合层。
有益效果：本发明基于声光耦合效应的光声波陀螺仪利用光来检测角速度，具有质量小、测量精度高、不受电磁干扰和便于批量生产等优点，应用范围广，有着良好的市场前景。
附图说明
图1为本发明外部结构示意图；
图2为本发明内部结构示意图；
图3为SOI主体结构的结构示意图；
图4为本发明的加工方法流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1-4所示，一种基于声光耦合效应的光声波陀螺仪，包括SOI主体结构2、硅盖帽1、谐振子4、金属电极5和光通路6；所述SOI主体结构2与硅盖帽1键合，SOI主体结构2包括SOI衬底7和SOI器件层8，SOI衬底7设在SOI器件层8下方；SOI器件层8顶面中心部设有圆槽，谐振子4为圆盘状，设在圆槽中心，金属电极5均匀分布在谐振子4外周，光通路6均匀分布在相邻两金属电极5之间；硅盖帽1下表面对应谐振子4位置设有凹槽；硅盖帽1上设有与金属电极5数量相等的电极通孔3，电极通孔3底部设有金属焊盘，电极通孔3与金属电极5位置一一对应且相接；谐振子4包括一个可以产生声波的硅谐振器与设在硅谐振器上表面的声光介质耦合层，耦合层与光通路6处于同一平面；硅谐振器采用静电力驱动产生声波，声波在圆盘内形成驻波；光通路6在SOI器件层8上通过薄膜沉积工艺加工而成；金属电极5和电极通孔3均为4个，金属电极5采用推挽驱动，谐振子4的振型为椭圆形；电极通孔3为上大下小的锥形孔结构。
一种基于声光耦合效应的光声波陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：
1)清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆的SOI器件层8表面采用低压化学气相沉积(LPCVD)方法沉积一层铌酸锂用于光通路6和耦合层；
2)在步骤1)得到的铌酸锂层表面在沉积一层金属铝作为掩膜同时用于加工光通路6的包层，然后在金属铝表面旋涂一层光刻胶并固化；
3)在步骤2)得到的光刻胶层，利用第一块掩膜版，在紫外线光刻机上定义光通路6和谐振子4的形状与位置，接着使用盐酸去除暴露的金属铝层将图案转移到金属铝掩膜层，然后去除多余的光刻胶；
4)采用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺将谐振子4与光通路6结构的图案转移到铌酸锂层与SOI器件层8；
5)使用氢氟酸溶液去除谐振子4可动部分下方的掩埋氧化层，释放SOI主体结构；
6)取一块硅晶圆，减薄后，清洗，干燥，双面旋涂光刻胶，固化之后，分别利用第二块和第三块掩膜版在硅晶圆的上下表面定义硅盖帽1的凹槽、电极通孔3的开口形状和位置；
7)使用KOH溶液湿法刻蚀，在步骤6)得到的硅晶圆上加工出凹槽和电极通孔3，得到所需的硅盖帽1；
8)将步骤7)的硅盖帽1与步骤5)得到的SOI主体结构通过金金键合工艺实现键合，得到完整的光声波陀螺仪结构。
本发明基于声光耦合效应的光声波陀螺仪及其加工方法，属于MOMES陀螺仪的范畴，外界金属导线通过电极通孔3内金属焊盘与微谐振器实现电气连接，驱动谐振器上产生超声波，并在内部形成驻波；由于哥式效应，谐振子4内的超声波的波场会发生改变；基于弹光效应，当检测光通过存在声波的谐振子4表面时，就会发生衍射，引起的光强度变化与超声场相关；由外接的激光发生器作为光源提供检测光，检测光从光发生器进入后依次通过光通路6、谐振子4、光通路6后得到出射光，由于超声场变化，出射光的光强随之变化，通过检测进入外接的光电转换器的出射光光强，可以推算出角速度。
对于声光介质，当介质中存在超声波时，会使晶体的介电常数发生变化，在晶体中形成周期性的有不同折射率的间隔层，以声速运动，这种间隔层具有光栅的功能，因此，当光通过存在声波的声光介质时，就会发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的变化。而当介质旋转时，由于哥式效应的作用，其内部的超声场就会发生相应变化，进而引起出射光的光强变化，通过检测光强的变化，就可以推算得出外界的角速度，实现陀螺仪功能。
本发明中陀螺仪的加工方法结合了电子束曝光、MEMS体硅加工工艺、表面微加工工艺和键合工艺。
本发明基于声光耦合效应的光声波陀螺仪利用光来检测角速度，具有质量小、测量精度高、不受电磁干扰和便于批量生产等优点，应用范围广，有着良好的市场前景。
实施例2
与实施例1基本相同，所不同的是：基于声光耦合效应的光声波陀螺仪的加工方法的步骤1)中，沉积耦合层时，在SOI晶圆的SOI器件层8表面采用低压化学气相沉积方法沉积一层磷化镓或二氧化碲用于耦合层。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
Claims (7)
1.一种基于声光耦合效应的光声波陀螺仪，其特征在于：包括SOI主体结构（2）、硅盖帽（1）、谐振子（4）、金属电极（5）和光通路（6）；所述SOI主体结构（2）与硅盖帽（1）键合，SOI主体结构（2）包括SOI衬底（7）和SOI器件层（8），SOI衬底（7）设在SOI器件层（8）下方；SOI器件层（8）顶面中心部设有圆槽，谐振子（4）为圆盘状，设在圆槽中心，金属电极（5）均匀分布在谐振子（4）外周，光通路（6）均匀分布在相邻两金属电极（5）之间；硅盖帽（1）下表面对应谐振子（4）位置设有凹槽；硅盖帽（1）上设有与金属电极（5）数量相等的电极通孔（3），电极通孔（3）底部设有金属焊盘，电极通孔（3）与金属电极（5）位置一一对应且相接；所述谐振子（4）包括一个可以产生声波的硅谐振器与设在硅谐振器上表面的声光介质耦合层，耦合层与光通路（6）处于同一平面。
2.根据权利要求1所述的基于声光耦合效应的光声波陀螺仪，其特征在于：所述硅谐振器采用静电力驱动产生声波，声波在圆盘内形成驻波。
3.根据权利要求1所述的基于声光耦合效应的光声波陀螺仪，其特征在于：所述光通路（6）在SOI器件层（8）上通过薄膜沉积工艺加工而成。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于声光耦合效应的光声波陀螺仪，其特征在于：所述金属电极（5）和电极通孔（3）均为4个，金属电极（5）采用推挽驱动，谐振子（4）的振型为椭圆形。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的基于声光耦合效应的光声波陀螺仪，其特征在于：所述电极通孔（3）为上大下小的锥形孔结构。
6.权利要求1-5任意一项所述的基于声光耦合效应的光声波陀螺仪的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆的SOI器件层（8）表面采用低压化学气相沉积方法沉积一层铌酸锂用于光通路（6）和耦合层；
2）在步骤1）得到的铌酸锂层表面在沉积一层金属铝作为掩膜同时用于加工光通路（6）的包层，然后在金属铝表面旋涂一层光刻胶并固化；
3）在步骤2）得到的光刻胶层，利用第一块掩膜版，在紫外线光刻机上定义光通路（6）和谐振子（4）的形状与位置，接着使用盐酸去除暴露的金属铝层将图案转移到金属铝掩膜层，然后去除多余的光刻胶；
4）采用深反应离子刻蚀工艺将谐振子（4）与光通路（6）结构的图案转移到铌酸锂层与SOI器件层（8）；
5）使用氢氟酸溶液去除谐振子（4）可动部分下方的掩埋氧化层，释放SOI主体结构；
6）取一块硅晶圆，减薄后，清洗，干燥，双面旋涂光刻胶，固化之后，分别利用第二块和第三块掩膜版在硅晶圆的上下表面定义硅盖帽（1）的凹槽、电极通孔（3）的开口形状和位置；
7）使用KOH溶液湿法刻蚀，在步骤6）得到的硅晶圆上加工出凹槽和电极通孔（3），得到所需的硅盖帽（1）；
8）将步骤7）的硅盖帽与步骤5）得到的SOI主体结构通过金金键合工艺实现键合，得到完整的光声波陀螺仪结构。
7.根据权利要求6所述的基于声光耦合效应的光声波陀螺仪的加工方法，其特征在于：所述的步骤1）中，沉积耦合层时，在SOI晶圆的SOI器件层（8）表面采用低压化学气相沉积方法沉积一层磷化镓或二氧化碲用于耦合层。
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