微机械陀螺的材料及器件设计研究

【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。