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微机械陀螺的材料及器件设计研究

陈垚  
【摘要】: 本论文“微机械陀螺的材料和器件设计研究”主要围绕两个方面开展工作。 第一方面是中美合作项目“用于微传感器和微驱动器的电铸材料和电铸技 术”。选定Fe-Ni合金作为电铸材料,并就其电镀工艺、电镀材料性能及电铸 技术三方面进行了研究。 通过大量实验证实,Fe-Ni合金电镀可分为正常共沉积区、异常共沉积区和 液相传质控制区。电镀液浓度、温度、pH值、电流密度、搅拌方式等各种操作 条件的细微变化都能导致镀层组份改变。在优化电镀工艺规范的基础上,本文 创造性地提出了一种精确控制Fe-Ni镀层组份的方法,使镀层组份正比于电镀 液组份,电镀质量稳定,重复性好。 结合Si体微机械技术和电镀技术加工出一种新颖的Fe-Ni/Cu/Si复合悬臂 梁。在10-2Torr气压下,利用共振法测出Fe-Ni(Fe64%,Ni36%)沉积膜的内耗为 10-3。这是第一次有关Fe-Ni电镀沉积膜的内耗数据报导。利用X射线平移法研 究了Fe-Ni沉积膜内应力的变化规律。内应力在因瓦合金(Fe64%,Ni36%)成分附 近达到最大约300MPa。利用实验室研制的微力/微位移天平法,测出Fe- Ni(Fe57%,Ni43%)/Cu/Si复合悬臂梁的杨氏模量为1.0×10(11)N/m2。利用X射线法 研究了Fe-Ni合金在不同组份的热膨胀特性和晶相组成。结果显示,电镀Fe-Ni 合金的热膨胀系数同体材料的变化趋势一致,在因瓦合金成分附近达到最小, 其值高于相应成分的合金体材料,约 6×10-6/℃。 通过优化涂胶、曝光、显影等工艺,制备出形貌良好,厚度达30μm的厚 胶胶模,实现了正型厚胶光刻工艺的突破。采用自对准的准LIGA技术制成Fe-Ni 合金微结构。当线条宽10-15μm,厚30μm,长度短于600μm时,释放后的电 铸Fe-Ni微结构不变形,并与衬底保持平直,铸件侧壁陡直。但铸件表面的平 整度和光洁度还需要进一步改进,这有赖于进一步完善精密电铸系统。   第二方面是利用DRIE技术制作体硅微机械陀螺。 在对双框架陀螺和梳状陀螺进行比较后,创造性地提出了一种简单而新颖 的振子-框架式微机械陀螺。陀螺利用梳状叉指的侧向静电线驱动获得较大的 驱动振幅,同时由于叉指结构是用深RIE技术刻蚀出来的,其厚度的增加可以 中国科学院博士学位论文 进一步增大驱动振幅,提高灵敏度。陀螺检测端借鉴了双框架陀螺,利用内框 架和衬底之间较小的压膜阻尼效应,提高陀螺检测端的机械品质因子,增大了 陀螺的灵敏度。在分析陀螺的传输特性、阻尼特性和驱动方式的基础上,对陀 螺的各部分结构尺寸进行了优化,提高了驱动和检测的频率匹配度,减小了检 测端对驱动端的机械耦合。设计陀螺制作的工艺流程,并就工艺过程中出现的 各种问题和难点进行了分析。目前,工艺除DAlE一步外基本走通,进一步的 工作尚待以后继续。


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