微机电系统技术及其在陀螺上的应用

    前　言

    微机电系统(MEMS)是利用半导体精细加工技术在硅基板等上面整体形成传感器、执行元件等机械部件和电路而成的系统,具有如下特征:

    1)可以利用半导体批生产工艺进行质量均匀的批生产;

    2)包括传动系统在内,体积小、质量轻、功耗低;

    3)可动部件少,可靠性高;

    4)质量强度比优(采用单晶硅);

    5)因为体积小,所以原材料选择面宽(单晶体、贵金属)。

    利用微机电系统技术可制造精密级的微小机械零件,所以其应用领域很广。以目前批生产为例,有加速度传感器、陀螺仪、硬盘用磁头、喷墨打印机头、压力传感器、光通信分波器、生物芯片和测微镜等。作为结构有螺纹结构、单臂梁等执行元件、薄膜和谐振腔等。其中加上硅半导体的特性,作为机电系统的基本材料,具有弹性稳定、温度系数低(2.6ppm/℃)、破坏强度高(7GPa)等优良特性。

    微机电系统以半导体集成电路技术为基础,正向可大量生产的民用领域发展。可是近几年来在防御领域,从小型、轻量、低成本和低功耗等观点出发,以欧美为中心正在进行微机电系统惯性测量装置的研究开发,有些已接近实用化。本文从民用和军用两个领域综述微机电系统技术的概况及其典型实例———微机电陀螺的结构、原理与开发动向。

    1　微机电系统技术概要

    微机电系统工艺如表1所列,是以集成电路工艺为基础,同时还包含微型机械特有的工艺。这相对半导体以集成电路工艺的精细加工级(目前超微0.18μm)为基准设计的组件,在微机电系统上精细加工等级还要增加1~2个数量级达到精密级,因此必须有与此对应的工艺技术。虽有可利用集成电路技术基础的优点,但现有集成电路工艺只适用于二维结构,所以必须重新开发适合微机电系统三维结构的工艺。其典型工艺是深度活性离子蚀刻(DRIE)。 

    微机电系统的基本结构如图1所示,大体可分为表面微机械加工和整体微机械加工。前者主要是利用减压化学气相沉积(LPCVD)方法在基板的保护层上形成数微米厚的多晶硅薄膜,然后对保护层进行蚀刻形成三维结构体。多晶硅的内部应力与工艺方法有关,而且保护层蚀刻后还有结构体容易附着在基板上的问题。另外还有薄膜工艺,因为在厚度方向上设计有一定限制,梳齿结构静电传动器是典型的实例。

    后者适用于在深度方向也有设计自由度的三维结构体。特别是便于保持传感器的质量,要有利于提高惯性传感器感度的工艺。用数十到数百微米的深度边控制形状边对硅单晶基板进行加工。一般截面形状的尺寸精度有很高要求,所以带来了如下问题: 1)利用光刻形成的图形下层的复印精度, 2)与基板结晶方位无关的侧壁倾斜截面形状的控制。与此对应的工艺称为深度活性离子蚀刻工艺或者离子射线加速蚀刻工艺。通常用SF6/O2气体等离子边保护侧壁,边在基板深度方向进行蚀刻。