傳統的慣性傳感器由於體積大、成本高，在很多方面限制了它的應用。利用微加工方法制作微機械振動陀螺可以實現批量生產，使得產品成本低、體積小、重復性和壹致性好。這些特點使得微機械振動陀螺具有鮮明的軍民兩用性，引起了國內外學者的廣泛關註。自20世紀80年代中期以來，美國、英國、日本、德國等工業化國家在微機械振動慣性器件的研究上投入了大量的人力和財力。
因為半導體集成電路大部分是由矽制成的，所以人們對矽有了更深入的了解。國內外文獻報道的許多微機械慣性傳感器都是在矽上制作的。然而，微機械加工材料並不局限於矽，許多其他材料也適用於制作特殊的微型器件。壓電應時晶體也是壹種常見的晶體。
從單晶結構和高彈性模量的角度來看，應時晶體和矽材料是MEMS慣性傳感器的理想振子材料。它們有不同的晶體對稱性。應時屬於三角晶系，矽屬於立方晶系，矽具有更高的對稱性。因此，他們的壹些身體特征是完全不同的。應時是絕緣體，而矽是半導體。在由應時制成的器件中，導體之間沒有電流泄漏。應時是第壹種廣泛使用的壓電晶體，非常適合制作諧振器的微結構。矽不是壓電體，所以用它做諧振器件需要更復雜的技術。我們選用應時晶體材料，利用微加工技術研制了微機械振動陀螺樣機。下面主要介紹我們采用的結構、原理和試驗結果。
二、基本結構和工作原理
應時MEMS振動陀螺的基本結構如圖1所示。
驅動音叉由閉環恒增益振蕩電路激勵，使其在10kHz附近諧振。當音叉以角速度w沿輸入軸轉動時，由於音叉以壹定速度擺動而產生科裏奧利力矩，使讀數音叉在垂直於驅動音叉振動平面的方向上來回振動(驅動音叉和讀數音叉的振動方向見圖1)。由於壓電效應，在讀取音叉上產生電荷，檢測到產生了讀取音叉。
第三，各向異性蝕刻的原理
應時晶體的各向異性刻蝕有兩種:幹法刻蝕(反應離子刻蝕)和濕法刻蝕(化學刻蝕)。
反應離子蝕刻技術
等離子蝕刻技術使用等離子體代替化學蝕刻溶液。微加工得到的形狀不受襯底的晶向控制，等離子體不會給微結構帶來很大的應力，但設備復雜，很多參數必須控制。典型的參數是氣體的性質和流速、襯底的性質和面積、電極結構、激勵的電磁參數和真空室的形狀等。不同的組合會產生不同的腐蝕過程。具有高速、各向異性和選擇性的理想等離子體微加工工藝仍有待開發。然而，在已經完成的研究的幫助下，可以預測這壹過程將在近年內成為現實。從微加工的角度來看，只有幾十微米的刻蝕深度太有限，需要進壹步研究通過反應離子刻蝕工藝各向異性刻蝕出幾百微米的溝槽。
2.化學蝕刻技術
應時晶體的刻蝕速度取決於刻蝕表面的晶體取向，這種各向異性刻蝕的原理目前還不清楚。蝕刻晶面的原子密度似乎是決定性因素，最慢的蝕刻速度對應最致密的表面。應時晶體的壹個非常有用的特征是，對於所有平行於Z軸的平面，它的腐蝕率幾乎為零。利用這壹特性，可以在Z切割基板上形成垂直於Z軸的不同形狀的陡峭壁。應時在HF和NH4F緩沖液中的腐蝕方程式為:
SiO2+4HF→SiF4+2H2O
SiF4在正常情況下是氣體，在含HF的溶液中來不及揮發就會與HF形成絡合物；
SiF4+2HF→H2SiF6
SiF4+2NH4F→(NH4)2SiF6
腐蝕速率取決於蝕刻溶液的成分和溫度，蝕刻表面的性質取決於蝕刻溶液中的正離子和溫度。含H+的腐蝕液有臺階無凹坑，含NH4+的腐蝕液有臺階有凹坑(25℃時比55℃時凹坑少)，含K+的腐蝕液25℃時無臺階無凹坑..最後，根據蝕刻時間確定應時晶片的厚度，這需要精確監控蝕刻溶液的溫度。當溫度變化65438±0°C時，蝕刻速率將變化0.65438±0毫米/分鐘。
四、應時MEMS慣性傳感器關鍵加工技術。
從化學刻蝕和反應離子刻蝕技術的討論可以看出，化學刻蝕腐蝕速度快，各向異性好，成本低，而反應離子刻蝕腐蝕速度慢，成本高。我們要加工的振子厚度是幾百微米，要求腐蝕速率各向異性。因此，采用化學蝕刻技術對振子進行加工。包括襯底加工、保護膜沈積、光刻、化學各向異性刻蝕等步驟。每壹步都很重要。如果基板上有很多表面缺陷和劃痕，這些劃痕腐蝕後會變寬變深，影響振子的表面平整度。如果基材沒有清洗幹凈，基材表面的灰塵會降低應時和保護膜之間的附著力。保護膜的附著力差會導致振子蝕刻失敗。然而，所有工藝中最關鍵的是化學各向異性蝕刻工藝。
腐蝕速率取決於腐蝕溶液的成分和溫度。溫度越高，腐蝕速度越快。我們以HF、NH4F、NH4HF和KF作為腐蝕液的主要成分，在不同溫度下對不同成分和濃度的腐蝕液進行了大量的試驗。實驗中遇到的主要問題是應時音叉振蕩器的X側壁腐蝕後形狀不壹致。如圖2所示，X側壁只有壹個方向是陡峭的，另壹側有突出的邊緣，導致後續工藝無法完成。在分析二氧化矽在HF中腐蝕機理的基礎上，對多種不同濃度和溫度的腐蝕液進行了多種組合試驗，最終得到了較為合理的腐蝕液成分和工作溫度條件。改進工藝條件後處理的腐蝕圖形如圖3所示。
動詞 （verb的縮寫）試驗結果
我們采用化學腐蝕的各向異性腐蝕方法來加工應時音叉振蕩器。目前，我們已經開發了應時MEMS陀螺儀的樣機。MEMS陀螺樣機的零穩定度為0.3°/s，為目前國內領先水平。圖4-5顯示了應時MEMS振動陀螺在空氣中的驅動面和讀出面的阻抗-相位特性曲線。空氣中測試的應時微機械振動陀螺驅動面和讀數面的頻率分別為10.5~11kHz和10.8 ~11.2kHz，驅動面和讀數面的Q值為2000~5000。
不及物動詞結論
利用化學各向異性腐蝕技術研制了MEMS陀螺儀樣機。簡述了應時MEMS振動陀螺儀的加工和測試結果。下壹步的工作重點是高精度MEMS振動陀螺的研究和MEMS振動陀螺的工程化研究。隨著MEMS技術的發展，可以肯定的說，在不久的將來，國產應時微機械振動陀螺將完全滿足軍用和民用的需求。