微型化半球陀螺制备工艺发展现状及趋势分析

0 引言

半球陀螺是典型的固态波陀螺，其利用在半球谐振壳体上形成的驻波会随外界角速度的输入而发生位置变化的原理来敏感角度信息。半球陀螺不包含可动部件，具有低噪声、高性能、无磨损、长寿命、终身免维护等优点。石英半球陀螺的零偏稳定值已达到0.00008（°）/h， 在卫星姿态控制、宇航器稳态控制、飞行器导航等方面获得了大量的应用，至今在空间任务应用中已累计无故障运行超过千万小时［1］。但是，传统的石英半球陀螺存在着体积大、制造成本高的不足，单只石英半球陀螺的价格高达10万～100万美元，一般只适用于航空、航天类高价值任务的应用，被严重限制了市场应用范围和工程化发展。将半球陀螺体积做小、成本做低，是促进半球陀螺在更广领域中应用和发展的一个必要措施。

另一方面，随着汽车、船舶、无人机、工业机器人等领域对导航和姿态控制的性能越来越高的要求，导航系统对高精度、低成本、小型化制导陀螺提出了迫切的需求。利用微细加工技术实现半球陀螺的微型化，在维持半球陀螺性能优势的同时，将其体积做小、成本做低，制备出微型的半球陀螺，既是推进半球陀螺在更广范围内应用的有效措施，也是满足导航领域对小型化、高精度制导陀螺需求的有效办法。

2005年，美国国防部高级技术研发局（DARPA）开展了惯性级积分陀螺研究项目（Navigation Grade Integrated Micro Gyroscopes），资助研发高精度微半球陀螺的研究工作，重点对新型微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）的三维加工工艺开展了研究，致力于加工出微半球陀螺的谐振壳体结构。陀螺的性能研制目标是惯性级，以满足武器装备的惯性级导航、定位和制导等的应用需求。2010年，该研究项目整合更名为微型速率积分陀螺（Microscale Rate Integrating Gyroscopes）， 研究工作分别 由 Draper Labs、 Honeywell、 Northrop Grumman、Systron Donner、 UC Irvine、 UC Davis、 UCLA、 Cornell、University of Michigan和Yale University等单位独立开展。与此同时，国内的多家单位（如华东光电集成器件研究所、国防科技大学、中电16所、西北工业大学、东南大学和中北大学等）也开展了相关研究。各单位都开发了各具特色的加工工艺，制备了各种形态和多种材质的微半球谐振陀螺，包括 多 晶 硅［2-3］、 融 石 英［4-5］、 金 刚 石［6］、 二 氧 化硅［7］、 Pyrex 玻 璃［8］、 TSG 玻 璃［9］、 金 属 玻 璃［10］、ULE 玻璃［11］、 氧化铝［12］， 以及 Invar-36 合金［13］等。

1 半球陀螺的微型化历程

半球陀螺的微型化是在美国DAPAR的大力支持和推动下正式开展起来的，经过十余年的研究，已经取得了显著的成果。微半球谐振陀螺谐振器的制备工艺可以将半球陀螺的微型化途径简单归纳为3大类：1）脱模法。即首先制备出一个三维曲面腔体结构，然后以该腔体结构为模具，在其腔体内沉积一层制备谐振器壳体结构所需的膜层，将模具去掉后即可得到三维薄壳结构的半球谐振器。2）吹泡法。该方法的原理类似于吹肥皂泡。首先将用于制备三维谐振壳体结构的材料固定起来，并保证材料在两侧形成一个合适的气体压差，然后在高温下将结构材料软化。在气体压力和材料自身表面张力的共同作用下，在低压区域 “吹”出一个三维薄壳结构的半球谐振器。3）精加工法。该方法利用精细加工工艺，将块状材料直接加工成曲面壳体结构的微半球谐振器。

2 基于 “脱模法”的半球陀螺微型化历程

模具是利用脱模法制备微半球陀螺的关键器件，模具的对称性、表面质量可直接被反馈给半球陀螺的谐振器，是陀螺性能的关键性影响因素。硅的各向同性湿法腐蚀工艺是典型的半球陀螺模具制备工艺。早在20世纪50年代，研究人员就对硅的各向同性腐蚀技术开展了广泛而深入的研究［14］，如何利用硅的各向同性湿法腐蚀技术制备出完美的半球形深腔结构是半球陀螺微型化研究人员的热点研究内容。2011年，美国康奈尔大学对硅的晶向、腐蚀工艺与制备的硅深腔模具的形貌特点之间的关系进行了分析，对比发现利用＜111＞硅加搅拌后可获得尺寸较大、对称性较好的半球形硅深腔模具［15］。2014年，美国乔治亚理工大学测试了用不同晶向的硅为基底制备的半球谐振器的频谱响应曲线，实验发现＜100＞晶向硅半球谐振器的四波腹频差 320Hz（4.9%）远远大于＜111＞晶向硅半球谐振器的四波腹频差21Hz（0.26%）。目前，硅半球陀螺的模具基本都采用了＜111＞硅片［7］。

SF6等离子各向同性干法硅刻蚀工艺是另一种常用的硅半球形深腔结构制备工艺。2012年，美国乔治亚理工大学利用该工艺制备了多晶硅半球谐振器［16］。在谐振器的直径为1.2mm、平面圆度值为0.44%、厚度为0.6μm时，测得呼吸模式的谐振频率为412kHz，Q值为8000。基于该工艺方法，美国乔治亚理工大学又制备了其他材质的微半球谐振陀螺，如二氧化硅、钢材质（Invar-36）等。其中，二氧化硅材料的微半球陀螺测试的四波腹谐振频率为19.17kHz，频差最优为21Hz，Q值为19100［7］； 钢材质（Invar-36）的微半球谐振陀螺［13］的测试谐振频率为29.08kHz，Q值为7568。

2015年，美国乔治亚理工大学对硅半球制备工艺进行了改进，如图1所示［2］。首先，在加工有电极的硅基底上利用SF6等离子体刻蚀出硅腔体结构，并将其用作谐振壳体结构的模具。然后，在硅腔体底部刻蚀通孔，在硅基底上生长一层氧化层，之后在氧化层上沉积多晶硅。在沉积多晶硅后的基底上再次生长一层氧化层，并制备出释放时所用的释放窗口。利用XeF2的各向同性释放硅腔体周围的硅，得到二氧化硅包裹多晶硅结构的壳体结构。最后，腐蚀掉二氧化硅包裹层，得到多晶硅材质的MEMS半球谐振陀螺。图2为制备的半球陀螺的SEM图。

图1 多晶硅微机电半球陀螺制备工艺流程图
Fig.1 Fabrication process steps for the Polysilicon MEMS hemispherical gyroscopes

图2 多晶硅微机电半球陀螺的SEM图
Fig.2 SEM photograph of a Polysilicon MEMS hemispherical gyroscope

利用该工艺方法加工了如图3所示的两种锚点结构的半球陀螺：图3（a）的短锚点半球陀螺的谐振频率为10.6kHz， Q 值为9500； 图3（b）的长锚点半球陀螺的谐振频率在11.2kHz左右，Q值为40400。测试陀螺样机的谐振频率为10.6kHz，Q值为 9500， 标度因子为 0.8mV/［（°）/s］。

图3 两种结构的谐振器及其Q值响应曲线
Fig.3 Q factors of two resonators with different structures

2012年，美国犹他大学利用脱模法制备了二氧化硅材质的微半球陀螺［16］。半径为500μm的二氧化硅半球谐振器在50mTorr的真空工作环境下，谐振频率为20kHz，Q值为20000，四波腹振动的模态频差在调谐后最高可达0.02%。2013年，美国加州大学戴维斯分校和伯克利分校利用脱模法制备了金刚石材质的半球谐振器［17］，其半径为500μm，厚度为1μm。在真空度为4.3mPa时，四波腹谐振频率为 18.316kHz， 频差为 5Hz（0.03%），Q值为6300。

2015年，查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室制备了多晶金刚石材质的半球谐振器，其结构［6］如图4所示。谐振器周边被加设了可调节对称性的质量区域，如图5所示。通过用激光烧蚀该区域金的质量，可对谐振器的对称性进行调谐。

图4 金刚石半球陀螺的SEM图
Fig.4 SEM photograph of diamond hemispherical gyroscope

图5 激光烧结金的质量进行对称性调节
Fig.5 Laser trim tabs after laser ablation of the Au layer

利用激光调节，可将谐振器的四波腹频差由35Hz（0.21%）调至 0.35Hz（0.0021%）。 当真空度小于10-5Pa时，四波腹频率为18.399kHz，最大测量Q值为143000。

2014年，美国科罗拉多大学利用原子力沉积工艺制备了三氧化二铝材质的半球谐振器［12］，其厚度为52nm，半径为48μm。在室温及压强为0.01mTorr的条件下进行测试，测试结果表明：在锚点为3μm时，测得的谐振器的四波腹谐振频率为58.54kHz，Q值为1270；在锚点为7μm时，测得的四波腹谐振频率为68.71kHz，Q值为230。

2016年，美国加州大学伯克利分校利用脱模法制备了金刚石材质的圆柱形壳体谐振器［18］。谐振器的直径为 1.5mm， 厚度范围为 2.6μm ～5.3μm， 如图6所示。 其中， 图6（a）是单个谐振器的SEM图，图6（b）是多个谐振器的SEM图。直径为1.5mm、厚度为3.4μm 的谐振器在 700℃下退火330min，在20μTorr的压强条件下，谐振频率为18.96kHz， Q 值为 0.528×106。

图6 金刚石材质的圆筒状谐振器的SEM图
Fig.6 SEM photographs of cylindrical diamond resonator

在国内，华东光电集成器件研究所利用脱模法制备了多晶硅微半球陀螺［19］，如图7所示。其中， 图7（a）是微机电半球陀螺芯片， 图 7（b）是管壳封装后的陀螺。测试陀螺的四波腹谐振频率为14.1kHz，Q值最高为102000，初步开环测试零偏稳定性为 80（°）/h， 标度因子为 1.15mV/［（°）/s］。

图7 多晶硅半球陀螺裸芯片及其被封装后的照片
Fig.7 Photographs of a Polysilicon hemispherical gyroscope bare chip and its packaged product

3 吹泡法

利用吹泡法制备微半球陀螺谐振器能够获得较高的表面质量，有利于减小谐振器的表面损耗，提高Q值。此外，传统的半球陀螺的制备材料——融石英（高Q值材料，热弹性，阻尼低）与该工艺方法的兼容性出众。利用吹泡法可制备出高Q值、高性能的微半球陀螺，国内外多家单位均对其开展了研究。

美国耶鲁大学自2007年开始对由吹泡法制备金属玻璃球形谐振器的制备工艺进行了研究［20］，并在2010年成功制备出了直径为500μm的球形薄壳结构［21］。2014年，耶鲁大学、加州大学和唐纳公司一起研制了直径为3mm的金属玻璃材质的半球谐振器［10］。测试谐振器的四波腹谐振频率分别为 9.461kHz 和 9.483kHz， 频差为 22Hz（0.23%），Q值分别为5400和5300。

2014年，美国加州大学欧文分校对制备工艺进行了优化，并加工出了融石英材质的蘑菇形半球谐振器［22］，如图8所示。在压强为20μTorr时，利用激光测振仪测试直径为7mm的谐振器的四波腹谐振频率为 105kHz， 频差为 14Hz（0.013%）， Q值最高可达 1.14×106。

图8 融石英半球谐振器的结构示意图及其实物图
Fig.8 Structural diagram of fused Silica hemispherical resonator and its product

2013年，美国密歇根大学利用吹泡法制备了鸟浴盆式的半球谐振陀螺，材料为融石英［23］。在室温压强小于1mTorr的测试条件下，测试得到的四波腹谐振频率分别为10.465kHz和10.479kHz，频差为14Hz（0.13%）。经电学调谐后，谐振频差可被调整至 0.26Hz（0.0024%）， Q 值为 0.245 ×106， 标度因子为 27.9mV/［（°）/s］， 陀螺的零偏稳定性为 1（°）/h。

2015年，美国密歇根大学又利用吹泡法制备了直径为5mm、高度为3.35mm的融石英材质的谐振器［4］，其工艺过程如图9所示。首先，将融石英板和融石英柱固定到模具上，然后进行高温加热，融石英软化后在气体压强和表面张力的作用下发生形变；如图10（a）所示，将形变后的融石英从模具上取下并放置在夹具内，研磨掉多余的融石英材质，即得到了独立的谐振器结构，图10（b）则是装配好的陀螺。当真空度小于10μTorr时，谐振器的四波腹谐振频率分别为 22.6328kHz和 22.496kHz， 频差为136.8Hz（0.61%）， Q 值为 2.55×106。

图9 融石英半球谐振器制备的流程示意图
Fig.9 Fabrication process for fused Silica hemispherical resonator

图10 融石英半球谐振器芯片和封装后的陀螺图
Fig.10 Photographs of a fused Silica hemispherical resonator chip and its packaged product

2017年，美国密歇根大学对陀螺样机进行了测试［5］， 其 Q 值为 0.42×106， 零偏稳定性为0.0391［（°）/h］， Q 值最高可达4.45×106。 2018 年，基于该工艺方法，美国密歇根大学制备出了衰减时间最长达 495s［23］、 Q 值最高达 9.81×106的石英半球谐振器，其是可见报道中品质因数最高的微半球谐振器（光石英谐振器测试，无导电膜）。

国防科技大学利用吹泡法制备了带T形调整质量块的融石英微机电半球陀螺［24］，利用T形质量块可以改善谐振器的频差。图11（a）是其制备的石英半球谐振器，图11（b）是组装后的陀螺。测试得到的四波腹谐振频率为6.9kHz，频差为12.1Hz（0.175%）， Q 值最高为 36900。

图11 由T形调整质量块制备的融石英半球谐振器及其组装后的陀螺图
Fig.11 Photographs of a fused Silica hemispherical resonator with T-shape masses and its packaged product

4 精加工法

2014年，美国密歇根大学开发了一种制备3D曲面壳体结构的新工艺［25］，该工艺方法将微超声加工工艺、研磨工艺和微电火花加工工艺集成于一体而使用。首先，将原材料小球固定于基底上，研磨掉其顶部；然后，利用微超声工艺对固定的小球进行超声加工，根据所要加工的壳体的不同形状而选择形状不同的加工工具，即可加工出所需要的3D曲面壳体结构。该工艺特别适合加工由易碎材料和超硬材料等材质制备的3D曲面壳体。图12为利用该工艺制备的微半球谐振器。其中，图12（a）右侧图为玻璃材质的壳体结构，图12（b）右侧图为红宝石材料的壳体结构。测试N-BK7玻璃材质的蘑菇形谐振器的谐振频率为1.379MHz，在大气压下Q值为345。该加工方法的操作难度大，对其进行研究的单位相对较少。

图12 密歇根大学制备的两种谐振器的SEM图
Fig.12 SEM photographs of the two kinds of resonators prepared by University of Michigan

5 结论

目前，国际上制备微机电半球陀螺的主流方法主要是吹泡法和脱模法。这两种方法各有特色，各有长短。

由吹泡法制备的谐振器的壳体结构的表面粗糙度小、对称性好，但该工艺方法加工的谐振壳体结构的深宽比因表面张力的约束不能过大，壳体厚度较大，且在不同纬度处的厚度不一致。该工艺过程要经过接近1000℃甚至更高的高温处理过程，工艺条件控制困难，可供选择的材料数量也有限。在加工出独立的谐振器后，需要进行装备组装，才能形成器件完整的陀螺器件。

由脱模法制备的谐振器的壳体结构的表面粗糙度、对称性主要取决于模具表面的粗糙度和对称性的质量。由于凹形腔体结构的立体形貌与表面粗糙度很难控制且不易检测，制备出的腔体模具的对称性和粗糙度一般较吹泡法差，且在沉积谐振器壳体材料时，还容易在材料内部形成缺陷，进一步影响器件的对称性。

脱模法的优势是可以制备出厚度可控（从纳米量级到微米量级）且在不同纬度处厚度都均匀分布的谐振器壳体结构，其可选择的成形材料种类多，能够制备出多种材质的半球谐振壳体结构。可实现很大的壳体结构深宽比，且可以利用不同形貌的模具制备出各种形貌结构的谐振器，如半球形、盆形、碗形、圆筒形等。此外，脱模法的加工工艺流程不包括火焰高温步骤，工艺条件的可控性更强。其与传统集成电路（Integrated Circuit，IC）工艺的兼容性好，且可以将谐振器与电极结构集成在同一条工艺线上制备，直接成型结构完整的陀螺，更合适于向批量化、产业化的方向发展。

目前，微半球陀螺谐振器的常用材料为石英、硅和多晶金刚石。石英是最为传统的半球陀螺制备材料，品质因数（Q值）高，是制备高性能微半球陀螺的最佳选材之一。但是，由于石英材料不导电，需要在石英半球谐振器表面制备一层导电膜，才能实现谐振器的驱动和检测，而导电膜会造成陀螺谐振器Q值的大幅下降。此外，基于石英材料的半球谐振器，需在与电极装配后才能形成一个完整的陀螺。其对制备工艺要求高，成本较高，批量化生产能力相对较弱。硅半球谐振器的Q值相对较低，一般较石英半球低1～2个数量级。由于硅材料的优质因数（f×Q）与石英相差无几，硅半球谐振器可以在较高的谐振频率下工作，抗过载能力相对较强。硅半球陀螺的最大优势是其制备工艺与半导体的兼容性好，可以一次直接成型结构完整的半球陀螺，特别有利于批量化生产，在战术级和低精度导航级应用领域中具有很广阔的市场空间。金刚石材料的优质因数是硅和石英的10倍以上，且其表面经氢化后具有导电能力，金刚石材质的微半球谐振器有望兼备高精度、高环境适应性和较强的抗高过载能力［26］。目前，金刚石半球陀螺采用多晶金刚石完成制备，而人造单晶金刚石材料的突破性进展，为单晶金刚石半球陀螺的制备提供了条件。＜111＞晶向的单晶金刚石微半球陀螺有望被完成制备，并推动微半球陀螺取得突破性进展。

微半球陀螺的国内外发展现状如表1所示。经过近20年的发展，无论是在Q值还是零偏稳定性方面，微型化半球陀螺的性能指标都取得了大幅度的提升，特别是融石英材质的微半球谐振器的Q值已经和大型半球陀螺基本处于同一量级（千万级别）。微半球陀螺是最有潜力达到惯导级精度的微陀螺之一，对我国的国民经济和国防安全具有重要的意义。此外，微型化半球陀螺的研制还涉及到新兴的微纳曲面结构的加工工艺和材料科学，可有力地促进微纳制备工艺和材料科学技术的发展，具有重要的学术价值。

表1 微半球陀螺的国内外发展现状
Table 1 Development status of microscale hemispherical gyroscope at home and abroad