一种玻璃多曲面壳体结构及其制备方法

1.本发明属于微电子机械系统领域，尤其涉及一种玻璃多曲面壳体结构及其制备方法。

背景技术：

2.微电子机械系统(mems)技术的发展使得许多宏观器件得以小型化、微型化，带来了体积缩小、成本降低、功耗减小等优势，同时也开发出很多新器件。传统mems加工技术大多是硅体微机械加工技术、硅表面微机械加工技术或者非硅基微机械加工技术。mems传感器或执行器一般是平面结构(梁、弦、膜或者以上组合体、体平面结构)，微小型三维结构的实现大多受限于加工技术，例如紫外光刻电铸技术(uv-liga)能够制备6:1的深宽比，但高度一般不超过800um。壳体作为一种相对复杂的连续体，受限于加工手段，在mems领域相对较为少见。因此，研究和应用场景并不多见，且高质量复杂曲面壳体的制造技术不多见。
3.微三维曲面壳体作为谐振器的一种表现形式，可用在mems传感器，具有广阔的应用前景。目前，常见的微三维壳体是单壳体，包括半球壳、类半球壳、鸟巢壳、酒杯壳、倒酒杯壳等其他轴对称单壳体，可用于mems振荡器、mems振动陀螺等传感器的核心组件——谐振器。

技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种玻璃多曲面壳体结构及其制备方法,以解决现有壳体结构的单一性和壳体受限于加工手段的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
6.一种玻璃多曲面壳体结构，包括位于中心的三维主壳，至少一个三维主壳外侧的副环壳，三维主壳与副环壳之间的连接部分；
7.三维主壳与副环壳之间的连接部分用来连接三维主壳和副环壳；
8.三维主壳内部安装有位于中心轴处的支撑杆。
9.进一步的，三维主壳的形貌为半球壳、类半球壳、球壳；所述副环壳的形貌为半环壳或类半环壳。
10.进一步的，最外围的副环壳有缘边。
11.进一步的，副环壳与副环壳之间的连接部分底部与支撑杆底部、三维主壳与副环壳之间的连接部分底部齐平。
12.进一步的，多曲面壳体结构的材质为玻璃态物质，包括硅酸盐玻璃、钛酸盐玻璃、石英玻璃、金属玻璃。
13.一种玻璃多曲面壳体结构的制备方法，包括以下步骤：
14.步骤一、在衬底晶圆上加工出多个同心圆柱环腔室；靠中心最近的圆柱环腔室为主圆柱环腔室，往外依次是副圆柱环腔室；
15.步骤二、在主圆柱环腔室中加入释气剂，在副圆柱环腔室中加入释气剂；
16.步骤三、将结构玻璃晶圆与衬底晶圆通过键合实现多个同心圆柱环腔室密封；
17.步骤四、将上述键合后的晶圆加热，升温至结构玻璃晶圆的软化点温度；此时，高温下释气剂分解产生气体，气体驱动软化后的玻璃形变，形成三维多曲面壳体结构，保温一段时间后，快速冷却，软化玻璃粘度增大，无法发生形变，形成了稳定的三维多曲面壳体结构；
18.步骤五、加工去除衬底晶圆，释放形成最终的玻璃多曲面壳体结构。
19.进一步的，步骤一中的加工方法包括：湿法腐蚀、激光加工与湿法腐蚀结合的方法或各项干法刻蚀与湿法刻蚀结合的方法或微电火花加工与湿法腐蚀结合的方法或微超声加工与湿法腐蚀结合的方法。
20.进一步的，步骤二中的释气剂为高温下分解产生气体的化合物，是氢化钛、氢化锆、碳酸钙中的一种或多种。
21.进一步的，步骤五中的加工方法包括：湿法腐蚀、干法刻蚀、激光加工、减薄研磨抛光中的一种或组合。
22.本发明的一种玻璃多曲面壳体结构及其制备方法，具有以下优点：
23.1、本发明所提出了一种新型三维玻璃多曲面壳体结构包括一个三维主壳、一个或多个副环壳以及相应的连接部分。这种玻璃多曲面壳体结构可用作多曲面壳体谐振器。
24.2、本发明所提出的玻璃多曲面壳体结构支撑杆位于三维主壳内部的中心轴处，在支撑杆的底部或中下部分固定。振动区域在最外侧的副环壳的外测壳或缘边，远离支撑杆，能量难以通过支撑杆损耗，即使结构在制造方面具有一定的不对称性，通过多壳体可以抑制低锚区损耗，提高q值。
25.3、本发明所提出了一种新型三维玻璃多曲面壳体结构的制备方法，这种方法采用释气剂释放的气体作为正压热成型的驱动力来源，同时可利用大气压与腔室真空之间的压差实现负压热成型，可实现特殊的三维多曲面壳体结构。这种方法采用微机械加工技术和玻璃热成型技术，是一种圆片级制备工艺，具有低成本、大批量等特点。
附图说明
26.图1为本发明第一实施例的玻璃多曲面壳体结构的截面示意图；
27.图2为本发明第一实施例的玻璃多曲面壳体结构的示意图；
28.图3(a)为本发明第二实施例的玻璃多曲面壳体结构的截面示意图；
29.图3(b)为本发明第三实施例的玻璃多曲面壳体结构的截面示意图；
30.图3(c)为本发明第四实施例的玻璃多曲面壳体结构的截面示意图；
31.图4(a)为本发明衬底晶圆上加工出多个同心圆柱环腔室的截面示意图；
32.图4(b)为本发明衬底晶圆上加工出多个同心圆柱环腔室中加入有释气剂的截面示意图；
33.图4(c)为本发明衬底晶圆与结构玻璃晶圆键合后的截面示意图；
34.图4(d)为本发明衬底晶圆与结构玻璃晶圆键合后高温成型结构的截面示意图；
35.图5为本发明第五实施例的玻璃多曲面壳体结构的截面示意图；
36.图6(a)为本发明高温成型后的玻璃多曲面壳体结构去除衬底晶圆后镶嵌的截面示意图；
37.图6(b)为本发明高温成型后的玻璃多曲面壳体结构去除衬底晶圆后镶嵌、减薄、研磨和抛光后的截面示意图；
38.图6(c)为本发明玻璃多曲面壳体结构去除镶嵌物的截面示意图。
39.图中标记说明：100、玻璃多曲面壳体结构；101、三维主壳；102、支撑杆；103、三维主壳与第一副环壳之间的连接部分；104、第一副环壳与第二副环壳之间的连接部分；105、第一副环壳；106、第二副环壳；107、缘边；200、衬底晶圆；210、主圆柱环腔室；211、圆柱；220、第一副圆柱环腔室；221、第一副圆环柱；230、第二副圆柱环腔室；231、第二副圆环柱；300、释气剂；310、残余物；400、结构玻璃晶圆；500、玻璃平面部分；600、镶嵌物。
具体实施方式
40.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种玻璃多曲面壳体结构及其制备方法做进一步详细的描述。
41.玻璃多曲面壳体结构的第一实施例：
42.如图1和图2所示的一种玻璃多曲面壳体结构100，包括三维主壳101、第一副环壳105、第二副环壳106、三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103；其中，所述三维主壳101内部有位于中心轴处的支撑杆102。
43.所述三维主壳101的形貌为类半球壳；所述第一副环壳105和第二副环壳106的形貌为半环壳或类半环壳。
44.所述第一副环壳与第二副环壳之间的连接部分104底部与支撑杆102底部、三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103底部齐平。
45.所述玻璃多曲面壳体结构100的材质为玻璃，包括硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、低热膨胀系数的钛酸盐玻璃、金属玻璃。
46.所述玻璃多曲面壳体结构100的厚度可恒定，也可随壳体高度发生变化。作为优选方案，所述玻璃多曲面壳体结构100的厚度为10um-1mm。这里作为示例，取最大厚度处的厚度为100um。
47.作为优选方案，所述三维主壳101的底面直径为1mm-10mm。这里作为示例，取5mm。
48.作为优选方案，所述三维主壳101的高度为300um-6mm。这里作为示例，取2.5mm。
49.所述支撑杆102的形状可以是圆柱体，也可以是直径随高度变化的轴对称结构。支撑杆102可以是全空心柱、全实心柱、实心柱与空心柱的结合体中的一种。这里作为示例，取实心柱与空心柱的结合体，支撑杆102直径随高度变化，范围取300um-1mm。
50.作为优选方案，所述第一副环壳105底面的内外半径差为1mm-5mm。这里作为示例，取2mm。作为优选方案，所述第二副环壳106底面的内外半径差为1mm-5mm。这里作为示例，取2mm。
51.玻璃多曲面壳体结构的第二实施例：
52.如图3(a)所示的一种玻璃多曲面壳体结构100，包括一个三维主壳101、一个第一副环壳105、三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103；其中，所述三维主壳101内部有位于中心轴处的支撑杆102。
53.所述三维主壳101的形貌为类半球壳；所述第一副环壳105的形貌为半环壳。
54.所述第一副环壳105的外围有缘边107。无缘边107的玻璃多曲面壳体结构100振动
时，振动位置主要是第一副环壳105的外测壳；缘边107的存在使主要振动位置转移到缘边107上。缘边107改变了振动区域和振动频率，在结构设计使可用于调节振动频率，在应用方面可改变驱动检测结构的形貌和位置。
55.所述三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103底部、缘边107底部、支撑杆102底部齐平。
56.所述玻璃多曲面壳体结构100的材质为玻璃，包括硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、低热膨胀系数的钛酸盐玻璃、金属玻璃。
57.所述玻璃多曲面壳体结构100的厚度可恒定，也可随壳体高度发生变化。作为优选方案，所述玻璃多曲面壳体结构100的厚度为10um-1mm。这里作为示例，取最大厚度处的厚度为200um。
58.作为优选方案，所述三维主壳101的底面直径为1mm-10mm。这里作为示例，取8mm。
59.作为优选方案，所述三维主壳101的高度为300um-6mm。这里作为示例，取3.5mm。
60.所述支撑杆102的形状可以是圆柱体，也可以是直径随高度变化的轴对称结构。支撑杆102可以是全空心柱、全实心柱、实心柱与空心柱的结合体中的一种。这里作为示例，取空心柱，支撑杆102直径随高度变化，范围取500um-2mm。
61.作为优选方案，所述第一副环壳105底面的内外半径差为1mm-5mm。这里作为示例，取3mm。
62.作为优选方案，所述缘边107的宽度为100um-1mm。这里作为示例，取200um。
63.玻璃多曲面壳体结构的第三实施例：
64.如图3(b)所示的一种玻璃多曲面壳体结构100，包括一个三维主壳101、一个第一副环壳105、三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103；其中，所述三维主壳101内部有位于中心轴处的支撑杆102。
65.所述三维主壳101的形貌为类半环壳；所述第一副环壳105的形貌为类半环壳。
66.所述第一副环壳105的最外围有缘边107。
67.所述三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103底部与支撑杆102底部齐平。
68.所述缘边107底部与支撑杆102底部不齐平。
69.所述玻璃多曲面壳体结构100的材质为玻璃，包括硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、低热膨胀系数的钛酸盐玻璃、金属玻璃。
70.玻璃多曲面壳体结构的第四实施例：
71.如图3(c)所示的一种玻璃多曲面壳体结构100，包括一个三维主壳101、一个第一副环壳105、三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103；其中，所述三维主壳101内部有位于中心轴处的支撑杆102。
72.所述三维主壳101的形貌为类半环壳；所述第一副环壳105的形貌为类半环壳。
73.所述三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103底部与支撑杆102底部齐平。
74.所述玻璃多曲面壳体结构100的材质为玻璃，包括硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、低热膨胀系数的钛酸盐玻璃、金属玻璃。
75.玻璃多曲面壳体结构的第五实施例：
76.如图5所示的一种玻璃多曲面壳体结构100，包括一个三维主壳101、一个第一副环壳105、一个第二副环壳106、三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103；其中，所述三维主
壳101内部有位于中心轴处的支撑杆102。
77.所述三维主壳101的形貌为类半球壳；所述第一副环壳105和第二副环壳106的形貌为半环壳。
78.所述第二副环壳106最外围有缘边107。
79.所述第一副环壳与第二副环壳之间的连接部分104底部与支撑杆102底部、三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103底部齐平。
80.所述玻璃多曲面壳体结构100的材质为玻璃，包括硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、低热膨胀系数的钛酸盐玻璃、金属玻璃。
81.玻璃多曲面壳体结构的制备方法的第一实施例：
82.如图5所示的一种玻璃多曲面壳体结构100，其制备方法如图4(a)，图4(b)，图4(c)，图4(d)所示，具体包括以下步骤：
83.步骤一，如图4(a)所示，在衬底晶圆200上加工出多个同心圆柱环腔室，分别为主圆柱环腔室210、第一副圆柱环腔室220、第二副圆柱环腔室230。主圆柱环腔室210与第一副圆柱环腔室220之间为第一副圆环柱221，第一副圆柱环腔室220与第二副圆柱环腔室之间为第二副圆环柱231；靠中心最近的圆柱环腔室为主圆柱环腔室210，主圆柱环腔室210的中心有圆柱211；往外依次是第一副圆环柱221和第二副圆环柱231。所述衬底晶圆200为硅晶圆。所述硅晶圆厚度可以是500um、800um、1mm，所述硅晶圆直径可以是2英寸、4英寸、6英寸、8英寸。所述加工为深反应离子刻蚀。所述主圆柱环腔室210的外直径可以是100um、500um、1mm、2mm、3mm、5mm；所述圆柱211直径可以是10um、50um、100um、500um、1mm、2mm；所述第一圆柱环腔室220和第二圆柱环腔室230深度可以是10um、50um、100um、200um、300um、400um、500um。所述第一圆柱环腔室220和第二圆柱环腔室230深度小于衬底晶圆200厚度，例如硅晶圆厚度为500um，圆柱环腔室深度为200um。
84.步骤二，如图4(b)所示，在主圆柱环腔室210中加入一定质量的释气剂300，在第一副圆柱环腔室220中加入释气剂300，第二副圆柱环腔室230不加释气剂300。所述释气剂300为高温下分解产生气体的化合物，这里具体选用氢化钛。
85.步骤三，如图4(c)所示，在低于热成型气压的环境下将结构玻璃晶圆400与衬底晶圆200阳极键合密封。所述低于热成型气压的环境，例如热成型气压为一个大气压，低于热成型气压的环境可以是0.05个大气压、0.1个大气压、0.2个大气压；所述结构玻璃晶圆400为硅酸盐玻璃，这里具体选用borofloat 33玻璃。所述结构玻璃晶圆400厚度可以是10um、50um、100um、500um、1mm，所述结构玻璃晶圆400直径和衬底晶圆200直径相同。
86.步骤四，如图4(d)所示，将上述键合后的晶圆加热，升温至结构玻璃晶圆400的软化点温度左右；譬如可以选用温度750℃、780℃、800℃、820℃、850℃、880℃。此时，释气剂300氢化钛分解产生氢气，氢气驱动软化后的玻璃形变，释气剂300氢化钛完全分解后有残余物310，最后内部气压与外部大气压达到平衡，主圆柱环腔室210上的玻璃往外形成三维主壳101，第一副圆柱环腔室220上的玻璃往外形成第一副环壳105，第二副圆柱环腔室230上的玻璃往内形成第二副环壳106，圆柱211上的玻璃形成支撑杆102，第一副圆环柱221上的玻璃形成三维主壳与第一副环壳之间的连接部分103，第二副圆环柱231上的玻璃形成第一副环壳与第二副环壳之间的连接部分104。其他地方为玻璃平面部分500。保温一段时间后，快速冷却，软化玻璃粘度增大，无法产生形变，形成了稳定的三维多曲面壳体结构。
87.步骤五，湿法腐蚀去除衬底晶圆200，利用激光加工释放形成最终的玻璃多曲面壳体结构100，如图5所示。例如，激光加工可以选用飞秒激光进行加工。
88.玻璃多曲面壳体结构的制备方法的第二实施例：
89.如图3(a)所示的一种玻璃多曲面壳体结构，制备方法如图4(a)，图4(b)，图4(c)，图4(d)，图6(a)，图6(b)和图6(c)所示，具体包括：
90.步骤一，如图4(a)所示，在6英寸800um厚的在衬底晶圆200上加工出多个同心圆柱环腔室，分别为主圆柱环腔室210、第一副圆柱环腔室220、第二副圆柱环腔室230。主圆柱环腔室210与第一副圆柱环腔室220之间为第一副圆环柱221，第一副圆柱环腔室220与第二副圆柱环腔室之间为第二副圆环柱231；靠中心最近的圆柱环腔室为主圆柱环腔室210，主圆柱环腔室210的中心有圆柱211；往外依次是第一副圆环柱221和第二副圆环柱231。所述衬底晶圆200为硅晶圆。所述加工为深反应离子刻蚀。所述主圆柱环腔室210的外直径是1mm；所述圆柱211直径是100um；所述第一圆柱环腔室220和第二圆柱环腔室230深度是300um。
91.步骤二，如图4(b)所示，在主圆柱环腔室210中加入释气剂300，在第一副圆柱环腔室220中加入释气剂300，第二副圆柱环腔室230不加释气剂300。所述释气剂300为高温下分解产生气体的化合物，这里具体选用碳酸钙。
92.步骤三，如图4(c)所示，在低于一个大气压的环境下将结构玻璃晶圆400与衬底晶圆200阳极键合密封。所述低于一个大气压的环境可以是0.01个大气压、0.05个大气压、0.1个大气压；所述结构玻璃晶圆400为硅酸盐玻璃，这里具体选用pyrex 7740玻璃。所述结构玻璃晶圆400厚度是100um。
93.步骤四，如图4(d)所示，将上述键合后的晶圆在大气压环境中加热，升温至结构玻璃晶圆400的软化点温度左右；譬如可以选用温度820℃、850℃、880℃。此时，释气剂300碳酸钙分解产生二氧化碳，二氧化碳驱动软化后的玻璃形变，释气剂300碳酸钙完全分解后有残余物310，最后内部气压与外部大气压达到平衡，形成三维多曲面壳体结构。保温一段时间后，快速冷却，软化玻璃粘度增大，无法发生形变，形成了稳定的三维多曲面壳体结构。
94.步骤五，湿法腐蚀去除衬底晶圆200，利用激光加工释放形成玻璃多曲面壳体结构100，如图5所示。将如图4所示的玻璃多曲面壳体结构100用镶嵌物600进行镶嵌，如图6(a)所示；利用减薄、研磨和抛光去除一部分，如图6(b)所示；最后去除镶嵌物600，如图6(c)所示取出最终的玻璃多曲面壳体结构100。
95.本发明所提出了一种新型三维玻璃多曲面壳体结构包括一个三维主壳101、一个或多个副环壳以及相应的连接部分。这种玻璃多曲面壳体结构可用作多曲面壳体谐振器。
96.本发明所提出了一种新型三维玻璃多曲面壳体结构的制备方法，这种方法采用释气剂释放的气体作为正压热成型的驱动力来源，同时可利用大气压与腔室真空之间的压差实现负压热成型，可实现特殊的三维多曲面壳体结构。这种方法采用微机械加工技术和玻璃热成型技术，是一种圆片级制备工艺，具有低成本、大批量等特点。
97.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：

1.一种玻璃多曲面壳体结构，其特征在于，包括位于中心的三维主壳，至少一个三维主壳外侧的副环壳，三维主壳与副环壳之间的连接部分；所述三维主壳与副环壳之间的连接部分用来连接三维主壳和副环壳；所述三维主壳内部安装有位于中心轴处的支撑杆。2.根据权利要求1所述的玻璃多曲面壳体结构，其特征在于，所述三维主壳的形貌为半球壳或类半球壳或球壳；所述副环壳的形貌为半环壳或类半环壳。3.根据权利要求1所述的玻璃多曲面壳体结构，其特征在于，所述最外围的副环壳有缘边。4.根据权利要求1所述的玻璃多曲面壳体结构，其特征在于，所述副环壳与副环壳之间的连接部分底部与支撑杆底部、三维主壳与副环壳之间的连接部分底部齐平。5.根据权利要求1所述的玻璃多曲面壳体结构，其特征在于，所述多曲面壳体结构的材质为玻璃态物质。6.根据权利要求1-5任一项所述的一种玻璃多曲面壳体结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、在衬底晶圆上加工出多个同心圆柱环腔室；靠中心最近的圆柱环腔室为主圆柱环腔室，往外依次是副圆柱环腔室；步骤二、在主圆柱环腔室中加入释气剂，在副圆柱环腔室中加入释气剂；步骤三、将结构玻璃晶圆与衬底晶圆通过键合实现多个同心圆柱环腔室密封；步骤四、将上述键合后的晶圆加热，升温至结构玻璃晶圆的软化点温度；此时，高温下释气剂分解产生气体，气体驱动软化后的玻璃形变，形成三维多曲面壳体结构，保温一段时间后，快速冷却，软化玻璃粘度增大，无法发生形变，形成了稳定的三维多曲面壳体结构；步骤五、加工去除衬底晶圆，释放形成最终的玻璃多曲面壳体结构。7.根据权利要求6所述的玻璃多曲面壳体结构的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的加工方法包括：湿法腐蚀或激光加工与湿法腐蚀结合的方法或各项干法刻蚀与湿法刻蚀结合的方法或微电火花加工与湿法腐蚀结合的方法或微超声加工与湿法腐蚀结合的方法。8.根据权利要求6所述的玻璃多曲面壳体结构的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的释气剂为高温下分解产生气体的化合物，是氢化钛、氢化锆、碳酸钙中的一种或多种。9.根据权利要求6所述的玻璃多曲面壳体结构的制备方法，其特征在于，所述步骤五中的加工方法包括：湿法腐蚀、干法刻蚀、激光加工、减薄研磨抛光中的一种或组合。

技术总结

本发明公开了一种玻璃多曲面壳体结构及其制备方法。玻璃多曲面壳体结构包括一个三维主壳、至少一个副环壳、三维主壳与副环壳之间的连接部分，所述三维主壳内部有位于中心轴处的支撑杆。玻璃多曲面壳体结构的制备方法采用释气剂高温分解释放的气体作为正压热成型的驱动力来源，同时利用大气压与腔室真空之间的压差实现负压热成型，实现特殊的三维玻璃多曲面壳体结构。这种方法结合微机械加工技术和玻璃热成型技术，是一种圆片级制备工艺，具有低成本、批量化等特点。本发明提出的新型玻璃多曲面壳体结构可用于微三维多曲面壳体谐振器。曲面壳体结构可用于微三维多曲面壳体谐振器。曲面壳体结构可用于微三维多曲面壳体谐振器。