一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电极制备技术领域，具体涉及一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法。
【背景技术】
[0002]石英微机械陀螺具有体积小、成本低、功耗小、可靠性高、抗过载能力强及可批量生产等优点，使其适用于战术武器指导、微小卫星姿态控制、微小飞行器导航、作战平台稳定控制及微小型机器人等军事领域，又可广泛应用于汽车稳定控制系统、相机防抖系统、医疗仪器、运动机械及玩具等民用领域。
[0003]石英音叉是石英微机械陀螺的敏感元件，基于哥氏效应进行工作，利用压电效应和逆压电效应进行驱动和检测。工作时，利用逆压电效应，驱动叉指沿驱动轴方向产生在音叉所在平面内固定频率和固定幅值的持续振动，当陀螺壳体存在一个绕输入轴的角速率输入时，音叉受到哥氏力的作用产生一个垂直于音叉平面的振动，哥氏力通过音叉的框架结构耦合到检测叉指，检测叉指产生的位移通过压电效应产生出电荷信号，经外电路检测并放大后用驱动信号解调、滤波，从而得到与输入角速度成比例的输出电压信号。
[0004]高精度三维复杂侧电极加工的难点主要在于:高精度侧面电极加工、高精度减薄梁电极加工、高精度电连接电极加工。现有技术中，可以通过微电铸掩模蒸镀加工侧面电极和不等高电极，其侧面电极尺寸精度可以控制在±10um ;该方法制备的电极尺寸精度可以控制在一定精度范围内，但仍然是使用掩膜蒸镀的方法，所要求湿法腐蚀的音叉尺寸一致性精度高，高精度掩膜加工难度大，同时掩膜与音叉对位精度要求高，工艺复杂，效率低，不适用于大批量生产。还可以通过喷胶、光刻的方式加工电极，虽然改善了三维微机械结构上光刻胶层的均匀性，可以在石英结构表面获得复杂电极图形，但三维结构的侧面不能进行光刻，在同一侧面上不能形成不同极性的侧面电极；同时采用本方法不能制备减薄梁电极和表面电连接电极。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的缺陷，本发明提供一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，该方法省去了高精度掩膜的加工和掩膜与音叉的高精度对位步骤，极大地简化了制备工艺流程，工艺兼容性好且易于加工，适用于大批量生产。
[0006]第一方面，本发明提供了一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，所述方法包括:
[0007]在石英晶片上依次形成多层金属层，采用光刻-湿法腐蚀方法刻蚀所述多层金属层及石英晶片，形成三维石英微机械陀螺音叉结构和表面电极；
[0008]以光刻胶为掩膜，对所述三维石英微机械陀螺音叉基片进行溅射镀膜，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极；
[0009]剥离所述光刻胶，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极。
[0010]优选地，所述在石英晶片上依次形成多层金属层，采用光刻-湿法腐蚀方法刻蚀所述多层金属层及石英晶片，形成三维石英微机械陀螺音叉结构和表面电极，包括:
[0011]在石英晶片上形成依次形成铬、金、铬三层金属层，以及光刻胶；
[0012]以光刻胶为掩膜，对所述三层金属层依次进行湿法腐蚀，得到表面电极膜结构图形和表面电连接电极膜结构图形；
[0013]对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀，形成石英微机械陀螺音叉结构；
[0014]去除无光刻胶覆盖的金金属层和铬金属层，并对石英晶片进行第二次湿法腐蚀，形成减薄梁结构。
[0015]优选地，对所述三层金属层依次进行湿法腐蚀，包括:
[0016]采用硝酸铈铵和醋酸的混合腐蚀液腐蚀所述铬金属层，采用碘和碘化钾的饱和溶液腐蚀所述金金属层。
[0017]优选地，所述对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀，包括:
[0018]采用氢氟酸HF和氟化铵NH4F的混合溶液对所述石英晶片进行第一次湿法腐蚀；其中，所述HF的浓度为40 %，所述NH4F的浓度为50 %，HF和NH4F的体积比为1:1，腐蚀温度为70°C至80°C，腐蚀时间为30小时。
[0019]优选地，所述对石英晶片进行第二次湿法腐蚀，包括:
[0020]采用HF和NH4F的混合溶液对所述石英晶片进行第二次湿法腐蚀，以减薄所述石英晶片；其中，所述HF的浓度为40 %，所述NH4F的浓度为50 %，HF和NH4F的体积比为1:2，腐蚀温度为70°C至80°C，腐蚀时间为I小时。
[0021]优选地，所述以光刻胶为掩膜，对所述三维石英微机械陀螺音叉基片进行溅射镀膜，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极，包括:
[0022]以光刻胶为掩膜，采用磁控溅射镀膜方法在石英微机械陀螺音叉基片上依次形成铬金属层和金金属层，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极。
[0023]优选地，所述侧面电极包括驱动端音叉侧面电极和检测端音叉侧面电极。
[0024]优选地，所述剥离所述光刻胶，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极，包括:
[0025]采用剥离液剥离所述光刻胶；
[0026]对表层的铬金属层进行湿法腐蚀，得到三维石英微机械陀螺音叉侧电极。
[0027]由上述技术方案可知，本发明提供一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，使用光刻胶作为掩膜、溅射镀膜、剥离的方法加工音叉侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极，改变了以往使用金属掩膜加工音叉侧电极的方法，省去了高精度掩膜的加工和掩膜与音叉的高精度对位步骤，极大地简化了制备工艺流程，工艺兼容性好且易于加工，适用于大批量生产。
【附图说明】
[0028]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
[0029]图1是三维石英微机械陀螺音叉电极的结构示意图；
[0030]图2是本发明一实施例提供的一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法的流程示意图；
[0031]图3是本发明另一实施例提供的在石英晶片表面形成表面电极膜结构图形和表面电连接电极膜结构图形的示意图；
[0032]图4是本发明另一实施例提供的对石英晶片进行第一次腐蚀后形成音叉结构的示意图；
[0033]图5是本发明另一实施例提供的对石英晶片进行第二次腐蚀后形成减薄梁结构的不意图；
[0034]图6是本发明另一实施例提供的形成驱动侧音叉侧面电极的示意图；
[0035]图7是本发明另一实施例提供的形成检测端音叉侧面电极的示意图；
[0036]图8是本发明另一实施例提供的剥离光刻胶后，形成驱动端音叉侧面电极、减薄梁电极和电连接电极的示意图；
[0037]图9是本发明另一实施例提供的腐蚀铬金属层后，形成驱动端音叉及孤岛处表面电极的示意图；
[0038]图10是本发明另一实施例提供的剥离光刻胶后，形成检测端音叉侧面电极、减薄梁电极和电连接电极的示意图；
[0039]图11是本发明另一实施例提供的腐蚀铬金属层后，形成检测端音叉及孤岛处表面电极的示意图。
【具体实施方式】
[0040]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]三维石英微机械陀螺音叉如图1所示，该音叉由驱动叉指1、11、检测叉指II1、IV、支撑结构V、减薄梁结构VI和中间孤岛结构VII组成；其中减薄梁结构的厚度为60um?170um ;其余结构的厚度为200um?500um。其中，在三维石英音叉上覆盖金属电极，高精度三维复杂石英陀螺音叉电极图如图所示:电极可以分为表面电极(lla、llb、2)、侧面电极(51a/51b/711a/712a/711b/712b)、减薄梁电极(4)和电连接电极(6)。
[0042]高精度三维复杂侧电极加工的难点主要在于:高精度侧面电极加工、高精度减薄梁电极加工、高精度电连接电极加工。其中高精度的检测端侧面不同极性的侧电极加工是最大的难点，它直接影响三维石英微机械陀螺音叉的检测信号精度，是制约三维石英微机械陀螺音叉加工的关键技术难点。
[0043]其中，高精度侧面电极加工的难点具体体现为:检测叉指侧面两条分离电极之间的间距控制在60?160 μπι之间，两条分离电极的尺寸精度要求高，加工误差要求控制在±10 μ??以内。高精度减薄梁电极加工的难点具体体现为:湿法腐蚀后的减薄梁表面为丘岭结构，而且与表面电极不在同一平面，直接镀制电极难度大，而且要求减薄梁四周都镀有电极，镀膜角度要求高。高精度电连接电极加工的难点具体体现为:电连接电极用于连接表面电极和减薄梁电极、连接表面电极和侧面电极，同一连接电极位于不同的平面，位置精度要求高，电极加工难度大。
[0044]基于上述现有技术的加工难点，如图2所示，本发明一实施例提供了一种加工三维石英微机械陀螺音叉侧电极的方法，该方法包括如下步骤:
[0045]S1:在石英晶片上依次形成多层金属层，采用光刻-湿法腐蚀方法刻蚀所述多层金属层及石英晶片，形成三维石英微机械陀螺音叉结构和表面电极；
[0046]S2:以光刻胶为掩膜，对所述三维石英微机械陀螺音叉基片进行溅射镀膜，形成侧面电极、减薄梁电极和表面电连接电极；
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