王宏伟，男，1967年9月生，内蒙古人。物理电子学博士，教授，硕士生导师，现任教于北京信息科技大学。长期从事传感和敏感技术方面的研究工作，目前的研究方向为惯性传感器、压电换能器。曾主持多项国家和省部级科研项目，撰写科技论文六十余篇，申请国家发明专利七项。著有《旋转载体用硅微机械震动陀螺》。

第一章综述

陀螺是用来测量运动物体的方位和转动角速度的传感器，它是惯性传感器中一个重要的类别，它和加速度计构成的惯性测量单元可以测量运动物体的运动状态。

20世纪50年代以前出现了第一代陀螺仪，即框架式陀螺，接着是浮子陀螺、动调陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等。无论是机械陀螺，还是激光、光纤陀螺，它们都是利用精密加工技术制造的零件，经过精密装配、调试、检测而成，加工装配费工费时，并且体积大、质量大、功率大、成本高，从而限制了这些陀螺的推广应用。20世纪80年代末、90年代初，硅微机械陀螺的出现立即引起惯性技术界的高度关注，它正好弥补了上述陀螺的不足。

在过去的四十多年中，IC（集成电路）的工艺技术一直发展很快。硅工艺技术的不断提高，使得器件的尺寸越来越小，集成电路的集成度得到空前的提高，形成了强大、完善的微电子产业。得益于集成电路工艺技术的进步，人们开始借助IC加工技术制作能完成特定功能的微型机械结构，如微型传感器、微型执行器等，于是一个新兴的技术领域——微机械技术，迅速发展起来。

最早的微机械技术产生于20世纪70年代，它用来制作压阻式压力传感器，把硅材料腐蚀后制作成膜片，利用静电键合来实现芯片与玻璃底座间的封接。由于这种技术在固态压力传感器的产业化上取得了巨大的成功，因而受到高度重视。1982年Peterson发表了一篇关于硅材料的综述文章，使人们进一步认识到利用硅材料进行微机械加工的重要意义。从20世纪80年代开始，欧美国家及日本等纷纷展开了微机械技术的研究。

早期的开发工作主要集中于使用硅工艺，并成功地开发了一系列微机械器件，例如压力传感器和喷墨打印机的喷嘴。精确地说，它们只是一种器件，而不是MEMS（micro-electro-mechanical system）。更完善、更完整意义上的MEMS是指集微传感、微执行和信号处理于一体的微型机电系统。它的进展相对较慢，因为它的制造过程比较复杂。

MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。随着MEMS尺寸的缩小，有些宏观的物理特性发生了改变，很多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等等。另一方面，为了制作各种MEMS系统，需要开发许多新的微加工工艺、微装配工艺、微系统的测量等技术。

1．1　MEMS概述

1．1．1　MEMS加工技术

MEMS加工技术主要有三种。第一种是日本的精密加工；第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件；第三种是由德国开发的LIGA（LIGA是德文Lithograpie——光刻、Galvanoformung——电铸和Abformung——塑铸三个词的缩写）技术。其中第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。由于利用LIGA技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可以得到高深宽比的精细结构，它的加工深度可以达到几百微米，因此LIGA技术也是一种比较重要的MEMS加工技术。目前微机械加工的能力还非常有限，远不及传统的机械加工技术，因为由平面掩膜生成的三维结构无法实现那些由分体加工和组装完成的复杂结构，所以虽然好多微机械技术都冠以三维加工技术，但没有一种技术是真正三维的。

硅微机械加工工艺有很多种，传统上将其分为体硅加工（bulk micromachining）工艺和表面硅加工（surface micromachining）工艺两种。体硅加工工艺是直接对体材料（通常是单晶硅基片）进行加工制作出准三维结构，包括各向同性腐蚀、各向异性腐蚀、腐蚀终止控制技术、静电键合等。表面微机械加工工艺的加工对象一般不是体材料本身，而是单晶硅衬底上沉积或生长的薄膜材料，如多晶硅、氮化硅、二氧化硅等。通过对这些薄膜材料的平面加工，堆叠出所需要的微结构。

体硅加工工艺适合于力敏器件的制作，因为由此得到的器件的力学性能比较完美，有利于实现高测量精度。压阻式压力传感器正是在该技术下实现了产业化；另外，体硅加工也适用于惯性器件的制作，如加速度传感器中大质量块的形成，有利于提高检测信号。体加工的缺点是在与IC工艺的兼容方面不理想，在信号处理复杂、易受外界干扰从而需要与接口电路集成的场合不占优势。

表面微机械加工最大的优点是与集成电路工艺兼容性好，易于实现微结构与信号处理电路的单片集成，形成规模化生产。利用表面微机械加工工艺可以制作微桥、微腔、微马达和梳状静电驱动式微机械陀螺等，其可动结构的悬空一般采用牺牲层腐蚀释放的方法实现。1982年美国U．C．Berkeley用表面牺牲层技术成功研制出微型静电马达，使MEMS进入新纪元，如图1．1所示。20世纪90年代由ADI公司推出的与信号处理电路单片集成的微加速度传感器ADXL50更使人们振奋。

表面微机械加工的缺点是其较多地受到沉积薄膜材料特性的影响，许多技术上的问题如多晶硅等薄膜材料生长过程中引入的残余应力，牺牲层去除后可动结构与衬底的黏附等，都亟待解决。

由于当前硅微机械加工工艺飞速发展，不断有新的工艺方法出现，许多工艺方法兼具体加工和表面加工的特点，很难给予确切的分类，如Robert　Bosch公司采用体表面混合微机械工艺制作的陀螺利用了两者各自的优点，实现了产业化生产。

下面介绍一些主要的单项工艺。

1．湿法腐蚀

硅的湿法腐蚀分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。各向同性腐蚀是指对硅的各个晶面的腐蚀速率相等，所用腐蚀液如HNA（HF、HNO3和冰醋酸混合溶液）等；各向异性腐蚀是指对硅的不同晶面腐蚀速率不同的腐蚀技术，它分无机和有机两种腐蚀液，有机腐蚀剂有EPW溶液（乙二胺、邻苯二酚和水混合溶液），四甲基氢氧化铵（TMAH）和联氨等，无机腐蚀剂有KOH、NaOH、LiOH、CsOH和NH4OH等。

各向同性腐蚀液可用于圆孔、针尖等结构的制作，也可利用它对不同浓度掺杂的硅的腐蚀速度不同（只腐蚀重掺杂硅而不腐蚀轻掺杂硅）的性质，通过控制掺杂剖面和自停止腐蚀来实现微机械结构的加工。各向异性腐蚀是MEMS工艺中主要的加工工序，通常{111}面腐蚀最慢，与{100}面的腐蚀速度比可达1∶100；另外，EPW和KOH对浓硼掺杂的硅的腐蚀速率也很慢。因此可以利用各向异性腐蚀和掺杂浓度选择腐蚀的特点将硅片加工成所需的微机械结构。

2．干法刻蚀

20世纪90年代中期，ICP（电感耦合等离子体）的出现，促进了体硅工艺快速发展，图1．2所示为利用STS公司生产的ICP刻蚀设备刻蚀出的高深宽比的硅槽，可以看出，得到的硅槽的侧壁垂直度相当好。该技术现在已被广泛用于复杂的微机械结构的加工，如加速度计和陀螺等。该方法与化学腐蚀相比可以更精确地控制结构的尺寸，得到的机械结构的厚度也比较大，保证了器件的灵敏度。但采用该方法一般仍需用到与集成电路不完全兼容的键合和减薄工艺。

还有一种是反应离子刻蚀（RIE），它是利用低压（10-4~１Torr①）放电所产生的离子、电子等组成的部分离化气体及自由原子团与固体表面发生物理、化学作用。

3．键合

键合是指不利用任何黏合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。键合的主要方法有静电键合和热键合两种。

静电键合是由Wallis和Pomerantz于1969年提出的。它是把金属、合金、半导体与玻璃键合在一起。其基本原理是玻璃在一定温度下软化，行为类似电解质，在外加电压下，正离子（Na+）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区，外加电压落于空间电荷区，玻璃与硅发生化学反应，形成化学键Si—O—Si。

硅片与硅片键合属于热键合，不需要外加电压。它是将硅片表面经过一定的化学处理，使表面形成OH－键，然后将两个硅片紧密贴合在一起，经高温处理后，硅片之间直接键合在一起。

第一章综述1

1.1MEMS概述2

1.2旋转驱动陀螺概述10

1.3本书研究内容20

第二章静电驱动式硅微机械振动陀螺23

2.1静电驱动式硅微机械振动陀螺动力学方程23

2.2静电驱动式硅微机械振动陀螺的原理性误差35

第三章旋转驱动陀螺的数学模型41

3.1旋转驱动陀螺工作原理41

3.2质量运动的数学模型42

3.3误差分析51

第四章陀螺力学参数计算55

4.1旋转驱动陀螺硅振动元件结构55

4.2硅质量的转动惯量57

4.3硅振动元件弹性梁的力学分析与计算59

4.4硅振动元件的振动阻尼66

第五章电容敏感77

5.1电容敏感77

5.2静电吸合84

第六章陀螺力学性能分析89

6.1载体旋转角速率对输出信号的影响89

6.2固有频率、阻尼比和相位角93

6.3温度对阻尼系数的影响95

6.4有限元分析和仿真98

第七章信号检测电路105

7.1电路组成105

7.2电路分析109

7.3电路的温度误差117

第八章硅振动元件制作工艺125

8.1湿法腐蚀125

8.2硅振动元件加工工艺流程127

8.3工艺详细步骤128

第九章陀螺部件的制作及整体封装139

9.1陀螺结构组成139

9.2陶瓷极板的制作142

9.3“三明治”敏感元件的黏结147

9.4敏感元件与外壳底座的黏结及电极引线的焊接149

9.5外壳底座与外壳盖的黏结150

9.6外壳的封接151

第十章陀螺性能测试155

10.1陀螺常温性能的测试155

10.2理论计算与实验结果比较159

10.3理论计算与实验结果的误差分析160

参考文献165