SOI基微机械陀螺制造关键技术研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：SOI基微机械陀螺制造关键技术研究作者：郝永存学科专业：机械工程指导教师：苑伟政2017年11月ResearchontheKeyTechnologyforSOI-basedMicromachinedGyroscopeManufacturingByHaoYongcunUndertheSupervisionofProfessorYuanWeizhengADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpart

2、ialfulfillmentoftherequirementFortheDegreeofDoctorofMechanicalEngineeringXi'anP.R.ChinaNov.2017摘要摘要微机械陀螺的性能一直是制约其发展及应用的瓶颈。影响微机械陀螺性能的关键因素包括结构设计、芯片制造和接口电路等三个方面。其中，芯片制造是将微机械陀螺由设计版图转化为表头实体的过程，包括芯片加工和芯片封装等两个步骤，是决定陀螺性能的关键阶段。根切、粘附、划片破损和封装应力是微机械陀螺制造过程中的常见问题，容易引起陀螺的性能退化和

3、结构失效，严重影响其性能水平和成品率。本文重点研究了根切、粘附、划片破损和封装应力等问题的对微机械陀螺的影响，并在此基础上提出一种基于SOI双面刻蚀的免划片技术和一种低应力真空封装技术，从而避免根切、粘附、划片破损和封装应力等引起的陀螺性能退化和结构失效，显著提升了微机械陀螺的器件性能和成品率。主要研究内容如下：建立了根切、粘附、划片破损和封装应力等问题对微机械陀螺的影响模型。本文以全对称式和音叉式两种典型的微机械陀螺为例，讨论了微机械陀螺在制造过程中的根切、粘附、划片破损和封装应力等问题的产生机理，并建立了上述问题对

4、陀螺的影响模型，为陀螺结构的优化和制造工艺的改进提供理论支撑。提出一种基于SOI双面刻蚀的免划片技术，解决了芯片加工过程中的根切、粘附和划片破损等问题。具体而言，该工艺通过双面刻蚀技术在SOI硅片基底层形成腔室，避免了深反应离子刻蚀过程中的根切现象和湿法释放过程中粘附问题；通过双面错位沟槽设计使圆片无需划片即可实现芯片分离，消除了划片过程中的结构断裂和碎屑污染等问题，显著提升了微机械陀螺的加工质量和芯片成品率。提出一种低应力真空封装技术，大幅降低微机械陀螺的封装应力。封装应力的降低是通过是位于微机械陀螺基底层上的应力隔

5、离结构实现的。该应力隔离结构将封装应力约束在基底层内部，使微机械陀螺的封装应力及平面内形变降低两个数量级以上，使芯片翘曲降低一个数量以上。最后，采用本文提出的基于SOI双面刻蚀的免划片技术和低应力真空封装技术，研制了全对称式和音叉式等两款微机械陀螺样件。其中，全对称式微机械陀螺样件的零偏稳定性达到2.1°/h，相比原样件精度提升一个数量级以上，达到战术级惯导精度的要求；音叉式微机械陀螺样件的带宽达到270Hz，零偏稳定性达到8.8°/h，为一款高带宽、战术级的微机械陀螺。关键词：微机械陀螺，根切，粘附，划片破损，封装应

6、力IAbstractAbstractTheperformanceofthemicromachinedgyroscopehasbeenabottleneckwhichlimitsitsdevelopmentandapplication.Thekeyfactorsinfluencingtheperformanceofthemicromachinedgyroscopeincludestructuraldesign,chipmanufacturingandinterfacecircuit.Amongthem,thechipma

7、nufacturingprocedurewhichconvertsthelayouttothephysicalentitybychipprocessingandchippackagingtechniquedeterminestheperformanceofthegyroscopetoagreatextent.Footing,stiction,dicingdamageandpackagingstressarethecommonproblemsingyroscopechipmanufacturing.Theseproble

8、mswillcausethedegradationorfailureofthegyroscopewhichhaveastrongimpactonitsperformanceandyield.Thisdissertationfocusesontheeffectoffooting,stiction,dicingdamageandpac