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微机械陀螺的材料及器件设计研究

作　者: 陈垚
导　师: 王渭源
学　校: 中国科学院上海冶金研究所
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微机械陀螺 器件设计 因瓦合金 沉积膜 电镀工艺 双框架 正常共沉积 准LIGA技术 异常共沉积 合金微结构
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
下　载: 425次
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内容摘要


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。

全文目录


中文摘要  4-6
英文摘要  6-8
前言  8-14
第一章 Fe－Ni合金电镀  14-29
  §1．1 引言  14-16
  §1．2 电镀工艺  16-18
    §1．2．1 电镀装置设计  16-17
    §1．2．2 电镀溶液配制  17-18
  §1．3 电镀质量问题分析  18-22
    §1．3．1 外观不良  18-19
    §1．3．2 起皮问题  19
    §1．3．3 镀层组份问题  19-20
    §1．3．4 镀层粗糙  20-22
    §1．3．5 镀层厚度不均匀  22
    §1．3．6 镀层气孔  22
    §1．3．7 小结  22
  §1．4 Fe－Ni合金反常电镀  22-27
    §1．4．1 Fe－Ni合金共沉积原理  22-23
    §1．4．2 Fe－Ni合金反常电镀规律  23-27
  §1．5 本章小结  27-28
  第一章参考文献  28-29
第二章 Fe－Ni合金电镀沉积膜的材料性能  29-67
  §2．1 引言  29-32
  §2．2 应力  32-41
    §2．2．1 实验方法  34-37
    §2．2．2 实验结果和讨论  37-41
  §2．3 热膨胀特性  41-51
    §2．3．1 实验方法  41-42
    §2．3．2 实验结果和讨论  42-51
  §2．4 内耗  51-58
    §2．4．1 实验方法  51-56
    §2．4．2 实验结果和讨论  56-58
  §2．5 杨氏模量  58-65
    §2．5．1 实验方法  59-61
    §2．5．2 实验结果和讨论  61-65
  §2．6 本章小结  65-66
  第二章参考文献  66-67
第三章 利用准LIGA技术制作Fe－Ni合金微结构  67-90
  §3．1 引言  67-68
  §3．2 自对准的准LIGA技术  68-71
    §3．2．1 自对准的准LIGA技术的特色  69-70
    §3．2．2 自对准的准LIGA技术的基本工艺  70-71
  §3．3 Fe－Ni合金电铸  71-87
    §3．3．1 厚型胶膜制备  72-79
    §3．3．2 Fe－Ni合金电铸工艺流程  79-83
    §3．3．3 结果和讨论  83-87
  §3．4 本章小结  87-89
  第三章参考文献  89-90
第四章 微机械陀螺  90-119
  §4．1 引言  90-98
    §4．1．1 陀螺的发展  90-92
    §4．1．2 振动式陀螺的分类  92-96
    §4．1．3 振动式陀螺的驱动和检测  96-97
    §4．1．4 微机械陀螺的前景  97-98
  §4．2 振子－框架式微机械陀螺  98-117
    §4．2．1 振子－框架式微机械陀螺的基本结构  98-99
    §4．2．2 振子－框架式陀螺同双框架陀螺和梳状陀螺的比较  99-101
    §4．2．3 陀螺的驱动  101-103
    §4．2．4 陀螺的传输特性  103-106
    §4．2．5 陀螺的阻尼特性  106-110
    §4．2．6 陀螺的结构尺寸和特征参数  110-114
    §4．2．7 振子－框架式微机械陀螺的制备工艺  114-117
  §4．3 本章小结  117-118
  第四章参考文献  118-119
个人简历  119-120
致谢  120

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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