CN102253238B

CN102253238B - 静电悬浮六轴微加速度计及其制造方法

Info

Publication number: CN102253238B
Application number: CN 201110086293
Authority: CN
Inventors: 崔峰; 万镇; 陈文元; 张卫平; 吴校生; 刘武
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: CN102253238A

Abstract

一种微机电系统技术领域的静电悬浮六轴微加速度计及其制造方法，该微加速度计为下定子、悬浮质量块和上定子的三明治式三层键合结构，上定子和下定子均采用玻璃作为衬底，悬浮质量块位于上定子和下定子之间的键合空腔中，悬浮质量块所处的位置为键合空腔的中心且不与上定子或下定子接触以实现沿XYZ轴平移或绕XYZ轴转动，悬浮质量块的中心即为惯性坐标系OXYZ的原点O，OZ方向垂直于上下定子所在的平面。本发明基于非硅MEMS工艺制造得到采用方形质量块具有六轴加速度测量功能的高灵敏度静电悬浮微加速度计，该方法简便灵活且制造成本低。

Description

静电悬浮六轴微加速度计及其制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置及方法，具体是一种静电悬浮六轴微加速度计及其制造方法。

背景技术

静电悬浮微加速度传感器不同于一般带支撑梁的微机械加速度传感器，它采用静电悬浮的方式使检测质量和上下定子间没有机械连接，大大减少了传感器的热噪声，提高了加速度计的分辨率和灵敏度。它采用MEMS微加工技术制造，利用微小电容检测技术测量悬浮质量块和电极之间的变化电容经信号处理得到三轴线加速度和三轴角加速度。

经过对现有技术的检索发现，采用MEMS技术制造，利用静电悬浮技术测量加速度的微加速度传感器有：美国专利号6,668,648的“加速度检测型陀螺装置Acceleration detection typegyro device”和中国专利申请号200810103052“一种制备悬浮式微硅静电陀螺/加速度计敏感结构的方法”，上述技术都采用体硅刻蚀工艺的环形硅转子作为悬浮质量块，能同时测量二轴角速度和三轴线加速度。只是陀螺仪兼有加速度计功能，不能同时测量六轴的加速度信号。该静电悬浮转子微陀螺/加速度计采用玻璃-硅-玻璃三层键合结构，工作部分由硅环形转子和布置于环形转子周围的轴向悬浮控制电极、径向悬浮控制电极、旋转驱动电极、电容检测公共电极组成。主要采用感应耦合等离子体深反应离子刻蚀ICP DRIE和阳极键合工艺制作。

以中国专利申请号200810103052为例，其主要工艺步骤是：Pyrex玻璃刻蚀工艺形成电极凹槽，玻璃溅金工艺，玻璃打孔工艺形成通孔；硅片第一次反应离子刻蚀RIE形成与底部键合的台面，硅片第二次反应离子刻蚀形成键合台面和止挡，薄膜梁工艺硅表面干氧化及腐蚀在止挡表面形成绝缘膜；第一次玻硅静电键合，反应离子刻蚀形成径向电极，导通硅和质量环；第三次RIE形成顶部键合台面，第四次RIE形成键合台面和止挡；采用ICP刻蚀机穿过玻璃通孔将薄膜梁刻蚀掉，释放质量环。这种制造方法工艺过程较为复杂，制造成本较高，灵活性不强。主要是由于硅-玻璃阳极键合工艺须在高电压1000-1200V高温300-400摄氏度下进行，质量块易吸附于玻璃上，而通过在径向电极和质量块间设计二氧化硅薄膜梁牺牲层来释放质量块，使得工艺变得较为复杂。且ICPDRIE工艺的加工设备成本较高。另外，上述硅-玻璃阳极键合工艺限定了悬浮质量块为硅材料，由于硅的密度2.7g/cm³较小，相比金属如镍，铜，金等质量块，硅微加速度计的检测灵敏度要低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种静电悬浮六轴微加速度计及其制造方法，基于非硅MEMS工艺制造得到采用方形质量块具有六轴加速度测量功能的高灵敏度静电悬浮微加速度计，该方法简便灵活且制造成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种静电悬浮六轴微加速度计，为下定子、悬浮质量块和上定子的三明治式三层键合结构，其中：上定子和下定子均采用玻璃作为衬底，悬浮质量块位于上定子和下定子之间的键合空腔中，悬浮质量块所处的位置为键合空腔的中心且不与上定子或下定子接触以实现沿XYZ轴平移或绕XYZ轴转动，悬浮质量块的中心即为惯性坐标系OXYZ的原点O，OZ方向垂直于上下定子所在的平面。

所述的下定子上设有薄膜金属轴向电极、轴向止挡、厚金属侧向电极、侧向止挡及上极板引线柱、公共电极和引脚；所述的上定子上对称设有薄膜金属轴向电极、轴向止挡、焊接凹坑和公共电极，其中：上极板引线柱和焊接凹坑相焊接以实现电馈通，下定子的引脚引出所有引线，悬浮质量块分别与上定子和下定子的薄膜金属轴向电极以及厚金属侧向电极之间形成轴向电极间隙和侧向电极间隙。

所述的下定子或上定子上的薄膜金属轴向电极包括：位于中心部位的公共电极以及两组分别沿X轴和Y轴的正向和负向且关于X轴和Y轴对称布置的轴向悬浮控制电极对，其中：轴向悬浮控制电极对是由两个大小和形状完全相同的轴向电极组成，用于悬浮质量块Z轴向线位移和绕X轴或Y轴的转角位移的悬浮控制；所述的下定子上的厚金属侧向电极分布在方体质量块的四周，包括：八对分别沿X轴和Y轴正向和负向且关于X轴和Y轴对称布置的四对侧向悬浮控制电极对，其中：侧向悬浮控制电极对由两个形状和大小完全相同的侧向电极组成，用于控制悬浮质量块沿X轴或Y轴方向的线位移和绕Z轴的转角位移。

所述的上定子和所述的下定子上分别设置若干轴向止挡，且所述下定子的侧向悬浮控制电极对之间分别均匀设有侧向止挡，用于约束质量块轴向和侧向的过大位移、减少悬浮起支过程中的静摩擦力和释放积累的净电荷。

所述的悬浮质量块为正方形板状结构或内部四角方形镂空的田字形结构，其中：

当悬浮质量块为正方形板状结构时，其中部设有若干减阻通孔且对应的公共电极为圆形结构，用于耦合悬浮质量块的位移检测电流；

当悬浮质量块为内部四角方形镂空的田字形结构时，所述的下定子或上定子上的薄膜金属轴向电极包括：沿X轴向和Y轴向布置的轴向悬浮控制电极对和位于田字形结构中部的十字形状公共电极；所述的下定子上的厚金属侧向电极包括：位于田字形结构外围的侧向电极对以及位于田字形结构四个方形孔内的侧向电极对，其中：沿X轴向布置的侧向电极对包括四对外侧悬浮控制电极对和八对内侧悬浮控制电极对；沿Y轴向布置的侧向电极对同样包括四对外侧悬浮控制电极对和八对内侧悬浮控制电极对。

所述的减阻通孔的位置正对所述的圆形公共电极。

所述的轴向悬浮控制电极对之间均设有轴向止挡，且在悬浮质量块外围的每一对侧向电极对之间均设有侧向止挡。

本发明涉及上述静电悬浮六轴微加速度计的制备方法，通过非硅MEMS工艺分别制备下定子、悬浮质量块以及上定子，并最终通过微装配键合实现静电悬浮六轴微加速度计的制备；

所述的下定子具体通过以下方式制备得到：

1.1)玻璃基片清洗，依次溅射沉积30nm/100nm/100nm厚的Cr/Pt/Au层；

1.2)光刻，电镀镍或铜形成轴向止挡和厚镍结构的金属桩基，去胶；

1.3)第二次光刻，干刻图形化Cr/Pt/Au层形成薄膜电极及引线，去胶；

1.4)溅射沉积0.5μm厚的氧化铝钝化层；

1.5)第三次光刻，热浓磷酸腐蚀氧化铝层刻露出轴向止挡和金属桩基的表面，去胶；

1.6)溅射沉积30nm/300nm厚的Cr/Au种子层；

1.7)旋涂数百微米厚的SU-8负胶，采用紫外UV光光刻第四次；或者浇注厚PMMA正胶，采用同步辐射装置X射线曝光光刻；

1.8)电铸厚镍金属结构，磨平镍至胶模平面；

1.9)去SU-8或PMMA厚胶模，干法刻除Cr/Au种子层，完成下定子的制造；其中去除SU-8厚胶模采用发烟硫酸氧化刻蚀的方法；

所述的上定子具体通过以下方式制备得到：

2.1)Pyrex硼硅玻璃基片清洗，溅射沉积30nm/300nm的Cr/Au掩膜层；

2.2)光刻，干刻图形化Cr/Au层形成玻璃凹坑腐蚀窗口；

2.3)采用腐蚀液49％HF∶70％HNO3∶H2O体积比20∶14∶66，40℃湿法刻蚀玻璃，形成深约23μm的焊接凹坑，去胶、去Cr/Au掩膜；

2.4)依次溅射沉积30nm/100nm/100nm的Cr/Pt/Au层；

2.5)第二次光刻，电镀镍或铜形成轴向止挡及凹坑焊盘，去胶；

2.6)第三次光刻，在凹坑内焊盘上电镀无铅SnAg焊块，去胶；

2.7)第四次光刻，干刻图形化Cr/Pt/Au形成薄膜电极及引线，去胶；

2.8)溅射沉积一层0.5μm厚的氧化铝钝化层；

2.9)第五次光刻，用热浓磷酸腐蚀氧化铝层刻露出轴向止挡和焊盘焊块，去胶；完成上定子的制造；

所述的金属镍质量块通过以下方式制备得到：

3.1)玻璃基片清洗，溅射2μm厚的钛种子层并作为牺牲层，并表面氧化；

3.2)旋涂数百微米的SU-8负胶进行UV曝光光刻，或浇注数百微米的PMMA正胶进行同步辐射x射线曝光光刻；

3.3)电铸镍质量块，磨平并抛光镍及胶模至所需厚度；

3.4)去SU-8或PMMA厚胶模，其中：去除SU-8胶采用发烟硫酸氧化刻蚀的方法；

3.5)氢氟酸溶液刻除钛牺牲层，释放镍质量块；

所述的硅质量块通过以下方式制备得到，采用一次刻穿双抛硅片的方法：

4.1)根据设计的质量块厚度，选择双面抛光的重掺杂低阻100晶向的单晶硅片，并准备陪片；清洗；

4.2)在陪片上旋涂3-5μm厚的BCB胶，65-95℃下烘5分钟，然后真空下加压键合待刻硅片，250℃固化BCB胶；

4.3)光刻，采用ICPDRIE工艺刻穿硅片至BCB胶层；

4.4)在浓硫酸双氧水混合液中浸泡去除BCB胶，释放硅质量块。

所述的悬浮质量块为金属镍质量块或硅质量块中的任意一种。

所述的微装配键合通过以下步骤实现：

5.1)根据设计的轴向和侧向间隙，选择与下定子侧向电极高度和横向尺寸稍小且匹配的质量块，放入下定子厚镍结构围成的腔中；然后将上定子倒置，在显微镜下与下定子对准装配；

5.2)在回流焊机上根据回流温度曲线完成SnAg焊块的共熔回流熔点221℃焊接键合；

5.3)切片，即获得本发明静电微加速度计的芯片。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：质量块采用方形体或方形镂空的田字形结构，可同时敏感六轴加速度信号；采用上定子、下定子和检测质量块分别微加工并装配焊接键合的工艺，来形成悬浮质量块与定子轴向电极和侧向电极之间的轴向间隙和侧向间隙。质量块材料选用灵活，可采用硅，也可采用密度高的金属如镍，金等，可极大提高加速度的检测灵敏度。厚金属结构可采用基于SU-8厚胶的UV-LIGAUV光刻、电铸、注塑技术制造，成本低。共熔回流焊接键合工艺的温度低，对器件损伤小，且对质量块不吸附。

附图说明

图1本发明第一实施例沿OZ轴的分解立体结构示意图。

图2本发明第一实施例的制造结构示意图。

图3本发明第二实施例OZ轴的分解立体结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例采用三明治式的三层键合结构：下定子1、正方形板状结构的悬浮敏感质量块2和上定子3。

如图1、图2所示，在下定子1上布置有薄膜金属轴向电极11、轴向止挡13、厚金属结构14～17和引线，其中：薄膜金属电极包括沿X轴向布置的轴向悬浮控制电极对11a、11b和11e、11f，沿Y轴向布置的轴向悬浮控制电极对11e、11d和11g、11h，中心处为圆形的公共电极12；在相邻轴向悬浮控制电极之对间设置有高出薄膜电极平面的四个轴向止挡柱13。厚金属结构包括侧向电极14、侧向止挡17、引脚15及上极板引线柱16，其中：上极板引线柱16与上定子的焊接凹坑34对应焊接。侧向电极14包括沿X轴向布置的侧向悬浮控制电极对14a、14b、14c、14d、14i、15j和14k、14l，以及沿Y轴向布置的侧向悬浮控制电极对14e、14f、14g、14h、14m、14n和14o、14p。在每对侧向悬浮控制电极对之间设置有侧向止挡17，共八个。上定子3布置有薄膜金属电极31、轴向止挡33和焊接凹坑34，其结构与下定子的类似。其中薄膜金属电极包括沿X轴向布置的轴向悬浮控制电极对31a、31b和31e、31f，沿Y轴向布置的轴向悬浮控制电极对31c、31d和31g、31h，以及中心处的圆形公共电极32。轴向悬浮控制电极对之间共设置有四个轴向止挡33。玻璃四周的刻蚀出凹坑34a并电镀焊盘34b和焊块34c。方形质量块2的上、下两面分别对应于上、下定子的薄膜悬浮控制电极和公共电极，质量块侧面的四个面对应于下定子的周边侧向电极。在质量块中心部对应于公共电极的范围内设置一定数量的减阻通孔21。如图2所示上、下定子通过焊接凹坑34和上极板引线柱16焊接相连，由侧向电极和上、下定子薄膜电极形成悬浮质量块的活动工作腔。工作时，质量块2悬浮于工作腔的中心，质量块2与下定子1上的轴向薄膜电极11、12和上定子3上的轴向薄膜电极31、32间分别形成轴向电极间隙41，与侧向电极14间形成侧向电极间隙42。

上定子1和下定子3分别采用玻璃衬底10和30，优点是玻璃是绝缘体，作为金属和引线的载体，其分布电容较小，对测量微电容有利。上、下定子上的轴向控制电极31a～31h、11a～11h用于悬浮质量块Z轴向线位移和绕X轴或Y轴的转角位移的悬浮控制。质量块沿Z轴向线位移的检测，通过如下电极构成的差动检测电容实现：上定子轴向控制电极31a～31h构成差动检测电容的一极，下定子轴向控制电极11a～11h构成差动检测电容的另一极。以检测绕Y轴的转角位移为例绕X轴的与此类似，构成差动检测电容的轴向电极对可为：31a、31b和11e、11f构成差动检测电容的一极，而31e、31f和11a、11b构成差动检测电容的另一极。分布于悬浮质量块四周的侧向悬浮控制电极14a～14p用来控制悬浮质量块沿X轴或Y轴方向的线位移和绕Z轴的转角位移。以检测沿X轴的线位移为例沿Y轴的与此类似，构成差动检测电容的侧向电极对可为：14a、14b和14c、14d构成差动检测电容的一极，而14i、14j和14k、14l构成差动检测电容的另一极。检测绕Z轴的转角位移，构成差动检测电容的侧向电极对，可取沿X轴向或沿Y轴向布置的侧向电极；以采用沿Y轴向布置的侧向电极对为例，为：14e、14f和14m、14n构成差动检测电容的一极，而14g、14h和14o、14p构成差动检测电容的另一极。公共电极是上、下定子中间的圆形电极，用于耦合悬浮质量块的位移检测电流。为提高检测的信噪比，公共电极与质量块之间形成的公共电容要尽可能的大。下定子和上定子的轴向止挡13、33和侧向止挡15，分别用于约束质量块轴向和侧向的过大位移，避免碰到电极；在质量块的悬浮起支过程中还能减少静摩擦力；止挡为金属导电体，通过引线接地，用于质量块停歇时释放其上积累的电荷，保证起支时质量块为零电位。悬浮质量块2上设置的减阻通孔21，用于减少质量块在微小气隙腔室中运动所产生的阻尼力。

实施例2

如图3所示为本实施例静电悬浮六轴微加速度计的另一实施例。它同样采用三明治式三层键合结构，分别由下定子1，方形敏感质量块2和上定子3构成。在本实施例中，方形敏感质量块2为内部四角带方形镂空孔21的田字形形状结构。同第一实施例，定子结构同样包括薄膜金属电极、止挡、厚金属结构和引线；对应于田字形状质量块，所不同的结构主要是薄膜电极和侧向电极。即主要在田字形形状质量块的四个方孔内也设置了内侧侧向电极，以提高悬浮质量块的侧向位移检测灵敏度。图3中只画出了电极及止挡的结构。

如图3所示，在下定子1玻璃衬底10上布置的薄膜金属轴向电极包括沿X轴向布置的轴向悬浮控制电极对11a、11b和11e、11f，沿Y轴向布置的轴向悬浮控制电极对11c、11d和11g、11h，以及下定子1上对应田字形结构质量块中部的十字形梁的十字形状的公共电极12。在轴向悬浮控制电极对之间还设置高出薄膜电极平面的4个轴向止挡13。下定子1上的厚金属结构同样包括侧向电极、侧向止挡、上极板引线柱及引脚，其中：侧向电极包括田字形结构质量块外围的侧向电极14a～14p、以及四个方形孔内的侧向电极15a～15p和16a～16p，其中：沿X轴向布置的侧向悬浮控制电极对包括外侧电极对14a、14b、14c、14d、14i、14j、14k、14l、内侧电极对15a、15b、15c、15d、15i、15j、15k、15l、16a、16b、16c、16d、16i、16j和16k、16l；沿Y轴向布置的侧向悬浮控制电极对包括外侧电极对14e、14f、14g、14h、14m、14n和14o、14p、内侧电极对15e、15f、15g、15h、15m、15n、15o、15p、16e、16f、16g、16h、16m、16n、16o、16p。在外围侧向电极对14a～14p的每对电极之间设置有侧向止挡17，共八个。上定子3玻璃衬底30上布置的薄膜金属电极，包括沿X轴向布置的轴向悬浮控制电极对31a、31b和31e、31f，沿Y轴向布置的轴向悬浮控制电极对31c、31d和31g、31h，以及中心处设置的十字形形状公共电极32。每对轴向悬浮控制电极对之间设置轴向止挡33，共四个。

同第一实施例，上、下定子通过焊接凹坑和上极板引线焊柱焊接相连。由内外侧向电极和上、下定子薄膜电极形成田字形结构悬浮质量块的活动工作腔。工作时，质量块2悬浮于工作腔的中心，与定子上的轴向薄膜电极和侧向电极间分别形成轴向电极间隙和侧向电极间隙。上、下定子上的轴向控制电极31a～31h、11a～11h用于悬浮控制质量块Z轴向线位移和绕X轴或Y轴的转角位移。质量块沿Z轴向线位移的检测，可通过如下电极构成的差动检测电容实现：上定子轴向控制电极31a～31h构成差动检测电容的一极，下定子轴向控制电极11a～11h构成差动检测电容的另一极。以检测绕Y轴的转角位移为例绕X轴的与此类似，构成差动检测电容的轴向电极对为：31a、31b和11e、11f构成差动检测电容的一极，而31e、31f和11a、11b构成差动检测电容的另一极。分布于田字形结构质量块内外侧的侧向悬浮控制电极14a～14p、15a～15p和16a～16p用来控制质量块沿X轴或Y轴方向的线位移和绕Z轴的转角位移。以检测沿X轴的线位移为例，构成差动检测电容的侧向电极对可为：14a、14b、14c、14d、15a、15b、15c、15d、16a、16b、16c、16d构成差动检测电容的一极，而14i、15j、14k、14l、15i、15j、15k、15l、16i、16j和16k、16l构成差动检测电容的另一极。检测绕Z轴的转角位移，构成差动检测电容的侧向电极对，可取沿X轴向或沿Y轴向布置的侧向电极；以沿Y轴向布置的侧向电极对为例，为：14e、14f、15e、15f、16e、16f、14m、14n、15m、15n和16m、16n构成差动检测电容的一极，而14g、14h、15g、15h、15g、15h、14o、14p、15o、15p和16o、16p构成差动检测电容的另一极。公共电极12、32用于耦合悬浮质量块的位移检测电流。轴向止挡13、33以及侧向止挡17，用于约束质量块轴向和侧向的过大位移、减少悬浮起支过程中的静摩擦力和释放积累的净电荷。

以图1、图2所示的第一优选实施例的微加速度计结构为例，本实施例静电悬浮微加速度计的主要工作过程为：下定子上的轴向悬浮控制电极11a～11h、上定子的轴向悬浮控制电极31a～31h和悬浮质量块2之间形成4对Z轴向的轴向差动电容；悬浮质量块2与沿X轴向的侧向悬浮控制电极14a～14d、14i～14l和沿Y轴向的侧向悬浮控制电极14e～14h、14m～14p之间分别形成2对X轴向和Y轴向的侧向差动电容。工作时，在轴向和侧向悬浮控制电极对上分别施加等值异号的直流悬浮控制电压，使悬浮质量块2在轴向和侧向静电力的作用下悬浮在运动腔室的中间位置零位上；在轴向和侧向悬浮电极对上再叠加分别表示悬浮质量块线加速度和角加速度的不同频率高频的载波电压。在高频激励电压作用下，当悬浮质量块2有线加速度或者角加速度输入时，公共电极12和32上通过电容耦合将产生表示悬浮质量块相应加速度位移的交流检测信号。此检测交流信号经过前置放大电路转换成交流检测电压信号。此电压调制信号，经同步解调，滤波，产生质量块相应轴的位移信号，经计算求得相应悬浮电极对上应加的直流控制电压从而使质量块归零位。

力平衡原理实现悬浮质量块三轴线加速度的测量：当悬浮质量块2沿X或Y或Z轴向发生线位移时，构成差动电容的悬浮电极对上的直流控制电压将发生改变，即产生相应的静电悬浮控制力F使质量块2归零。由使质量块2回零位的静电反馈平衡力F，经下式可求得输入相应轴的线加速度：

a = \frac{F}{m}

式中线加速度：a＝[a_x，a_y，a_z]^T，反馈平衡力F＝[F_x，F_y，F_z]^T，m为质量块2的质量。

力矩平衡原理测量角加速度：以绕Y轴转动的角加速度的测量为例绕X轴或Z轴转动角加速度的测量与此类似，当外界输入绕加速度计Y轴向的角加速度时，悬浮质量块相对加速计壳体将产生绕Y轴转动的角位移θ_y，此时X轴向布置的轴向电极对31a、31b、11e、11f和31e、31f、11a、11b构成的差动检测电容发生变化，经检测、静电悬浮反馈控制后，悬浮质量块将受到绕Y轴相应控制力矩M_y的作用，使产生的相对壳体的角位移归零。控制力矩M_y由悬浮反馈控制电压得到，经下式可求得输入的相应角加速度：

{\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{y} = \frac{M_{y}}{I_{y}}

其中I_y为质量块绕Y轴的转动惯量。

实现本实施例静电悬浮六轴微加速度计结构的一种微加工制造方法，包括下定子的工艺、上定子的工艺、质量块的工艺和微装配键合工艺。该制造方法对图1和图3所示的两种实施例结构都适用，下面以图1、图2所示的第一实施例为例，阐述工艺流程。

下定子的微制造工艺：①.首先对玻璃基片进行标准清洗，接着在玻璃基片上依次溅射沉积Cr/Pt/Au层，厚度分别为30nm/100nm/100nm。这里Cr/Pt/Au层既作为电镀的种子层，又作为后续的薄膜电极层，其中：Cr为粘附层，Pt为中间过渡层，防止Au/Cr扩散，Au为导电层。②.旋涂正性光刻胶进行第一次光刻，电镀Ni或Cu形成轴向止挡柱13和厚Ni结构14～16底层的金属桩基，丙酮去胶。此金属桩基有利于提高与厚Ni结构的结合力，抵御后续去除厚光刻胶模所产生的破坏性应力。③.旋涂正性光刻胶进行第二次光刻，干刻如Ar离子束刻蚀图形化Cr/Pt/Au层形成薄膜电极11a～11h、12及引线，去胶。④.在薄膜电极上磁控溅射沉积一层0.5μm厚的氧化铝钝化层18。⑤.旋涂正性光刻胶进行第三次光刻，用热浓磷酸65℃水浴腐蚀氧化铝层18，刻露出轴向止挡柱13和金属桩基的表面，去胶；⑥.溅射沉积厚度30nm/300nm的Cr/Au种子层19；⑦.旋涂数百微米厚的SU-8负性光刻胶，采用紫外UV光曝光光刻第四次；或者浇注数百微米厚的PMMA正胶，采用同步辐射装置进行X射线曝光光刻。⑧.采用氨基磺酸镍为主的电镀液电铸厚Ni金属结构包括侧向电极、侧向止挡、上极板引线柱及引脚，磨平镀超的Ni至胶模平面。⑨去SU-8或PMMA厚胶模，干法刻蚀去除Cr/Au种子层，完成下定子的制造。其中去除SU-8厚胶模采用发烟硫酸氧化刻蚀的方法。

上定子的微制造工艺：①.首先准备Pyrex硼硅玻璃基片，进行标准清洗；接着在玻璃基片上溅射沉积Cr/Au层，厚度分别为30nm/300nm。这里Cr/Au层作为玻璃凹坑34a湿法腐蚀的掩膜，须厚些。②.旋涂正性光刻胶进行第一次光刻，干刻如Ar离子束刻蚀图形化Cr/Au层形成玻璃凹坑腐蚀的窗口。③.采用腐蚀液49％HF∶70％HNO3∶H2O体积比20∶14∶66，40℃湿法刻蚀玻璃25分钟，形成深约23μm的焊接凹坑34a，去胶、去Cr/Au掩膜。④.在玻璃基片上依次溅射沉积Cr/Pt/Au层，厚度分别为30nm/100nm/100nm。这里Cr/Pt/Au层既作为电镀的种子层，又作为后续工艺的薄膜电极层。⑤.旋涂正性光刻胶进行第二次光刻，电镀Ni或Cu形成轴向止挡柱13及凹坑焊盘34b，丙酮去胶。⑥.旋涂正性光刻胶进行第三次光刻，在凹坑内焊盘上接着电镀无铅SnAg3.5焊块34c，去胶。⑦.旋涂正性光刻胶进行第四次光刻，干刻如Ar离子束刻蚀图形化Cr/Pt/Au层形成薄膜电极31a～31h，32及引线，去胶。⑧.在薄膜电极上磁控溅射沉积一层0.5μm厚的氧化铝钝化层36。⑧.旋涂正性光刻胶进行第五次光刻，用热浓磷酸65摄氏度水浴腐蚀氧化铝钝化层36刻露出轴向止挡柱13和焊盘焊块34，去胶。完成上定子的制造。

悬浮质量块的微制造工艺，分两种材料阐述，一种是金属镍，另一种是硅。

金属镍质量块的微制造工艺：①.准备玻璃基片并清洗，然后磁控溅射2μm厚的钛种子层并作为牺牲层，并用氢氧化钠和双氧水的溶液进行表面氧化以增强与光刻胶的粘附力；②.旋涂数百微米的SU-8负胶进行UV曝光光刻，或浇注数百微米的PMMA正胶进行同步辐射x射线曝光光刻；③.电铸镍质量块，磨平镍及胶模至所需厚度并精细抛光，使表面粗糙度达到亚微米级。④.去SU-8或PMMA厚胶模，其中：去除SU-8厚胶模采用发烟硫酸氧化刻蚀的方法。⑤.采用稀释的氢氟酸溶液刻蚀去除钛牺牲层，释放获得镍质量块零件。

硅质量块的微制造工艺，采用一次刻穿双抛硅片的方法：①.根据设计的质量块厚度，选择双面抛光的重掺杂低阻电阻率0.002～0.004Ω.cm100晶向的单晶硅片，并准备玻璃或硅的陪片；二片进行标准清洗。②.在陪片上旋涂3-5μm厚的BCB胶，65-95℃下烘5分钟，然后在键合机上真空下加压键合待刻硅片，逐步升温至250℃并保持2h固化BCB胶。③.旋涂正性光刻胶光刻，在感应耦合等离子体ICP刻蚀机上深反应离子刻蚀DRIE刻穿硅片至BCB胶层。④.在浓硫酸双氧水混合液中浸泡去除BCB胶，释放硅质量块零件。

微装配及焊接键合工艺：①.根据设计的轴向和侧向间隙大小，选择与下定子侧向电极高度和横向尺寸稍小且匹配的质量块，放入下定子厚镍结构围成的腔中；然后将完成的上定子倒置，在显微镜下根据设计的对准符号与下定子对准装配。②.在氮气保护回流焊机上根据回流温度曲线完成SnAg3.5焊块的共熔回流熔点221℃焊接键合。③.切片。即获得本实施例静电悬浮加速度计的芯片。

为实现静电悬浮微加速度计的正常功能，芯片还需完成真空封装和测控电路的制作。

本实施例静电悬浮微加速度计制造方法实施方案的显著特点是：下定子、上定子和悬浮质量块分别流片加工，并通过微装配和回流焊接键合工艺，来形成悬浮质量块与定子轴向电极和侧向电极之间的轴向间隙和侧向间隙。定子厚镍结构可采用基于SU-8厚胶的低成本UV-LIGA技术制造。质量块设计灵活，可采用硅、镍或其它超精密加工的金属材料。

Claims

1.一种静电悬浮六轴微加速度计，其特征在于，为下定子、悬浮质量块和上定子的三明治式三层键合结构，其中：上定子和下定子均采用玻璃作为衬底，悬浮质量块位于上定子和下定子之间的键合空腔中，悬浮质量块所处的位置为键合空腔的中心且不与上定子或下定子接触以实现沿XYZ轴平移或绕XYZ轴转动，悬浮质量块的中心即为惯性坐标系OXYZ的原点O，OZ方向垂直于上下定子所在的平面；

2.根据权利要求1所述的静电悬浮六轴微加速度计，其特征是，所述的下定子或上定子上的薄膜金属轴向电极包括：位于中心部位的公共电极以及两组分别沿X轴和Y轴的正向和负向且关于X轴和Y轴对称布置的轴向悬浮控制电极对，其中：轴向悬浮控制电极对是由两个大小和形状完全相同的轴向电极组成，用于悬浮质量块Z轴向线位移和绕X轴或Y轴的转角位移的悬浮控制；所述的下定子上的厚金属侧向电极分布在方体质量块的四周，包括：八对分别沿X轴和Y轴正向和负向且关于X轴和Y轴对称布置的四对侧向悬浮控制电极对，其中：侧向悬浮控制电极对由两个形状和大小完全相同的侧向电极组成，用于控制悬浮质量块沿X轴或Y轴方向的线位移和绕Z轴的转角位移。

3.根据权利要求2所述的静电悬浮六轴微加速度计，其特征是，所述的上定子和所述的下定子上分别设置若干轴向止挡，且所述下定子的侧向悬浮控制电极对之间分别均匀设有侧向止挡，用于约束质量块轴向和侧向的过大位移、减少悬浮起支过程中的静摩擦力和释放积累的净电荷。

4.根据上述任一权利要求所述的静电悬浮六轴微加速度计，其特征是，所述的悬浮质量块为正方形板状结构或内部四角方形镂空的田字形结构，其中：

5.根据权利要求4所述的静电悬浮六轴微加速度计，其特征是，所述的减阻通孔的位置正对所述的圆形公共电极。

6.根据权利要求4所述的静电悬浮六轴微加速度计，其特征是，所述的轴向悬浮控制电极对之间均设有轴向止挡，且在悬浮质量块外围的每一对侧向电极对之间均设有侧向止挡。

7.一种根据上述任一权利要求所述静电悬浮六轴微加速度计的制备方法，其特征在于，通过非硅MEMS工艺分别制备下定子、悬浮质量块以及上定子，并最终通过微装配键合实现静电悬浮六轴微加速度计的制备；

所述的下定子具体通过以下方式制备得到：

1.1）玻璃基片清洗，依次溅射沉积30nm/100nm/100nm 厚的Cr/Pt/Au层；

1.2）光刻，电镀镍或铜形成轴向止挡和厚镍结构的金属桩基，去胶；

1.3）第二次光刻，干刻图形化Cr/Pt/Au层形成薄膜电极及引线，去胶；

1.4）溅射沉积0.5μm厚的氧化铝钝化层；

1.5）第三次光刻，热浓磷酸腐蚀氧化铝层刻露出轴向止挡和金属桩基的表面，去胶；

1.6）溅射沉积30nm/300nm厚的 Cr/Au种子层；

1.7）旋涂数百微米厚的SU-8负胶，采用紫外UV光光刻第四次；或者浇注厚PMMA正胶，采用同步辐射装置X射线曝光光刻；

1.8）电铸厚镍金属结构，磨平镍至胶模平面；

1.9）去SU-8或PMMA厚胶模，干法刻除Cr/Au种子层，完成下定子的制造；其中去除SU-8厚胶模采用发烟硫酸氧化刻蚀的方法；

所述的上定子具体通过以下方式制备得到：

2.1）Pyrex硼硅玻璃基片清洗，溅射沉积30nm/300nm 的Cr/ Au掩膜层；

2.2）光刻，干刻图形化Cr/ Au层形成玻璃凹坑腐蚀窗口；

2.3）采用腐蚀液49%HF:70%HNO3:H2O 体积比20:14:66,40℃湿法刻蚀玻璃，形成深约23μm的焊接凹坑，去胶、去Cr/ Au掩膜；

2.4）依次溅射沉积30nm/100nm/100nm的 Cr/Pt/Au层；

2.5）第二次光刻，电镀镍或铜形成轴向止挡及凹坑焊盘，去胶；

2.6）第三次光刻，在凹坑内焊盘上电镀无铅SnAg焊块，去胶；

2.7）第四次光刻，干刻图形化Cr/Pt/Au形成薄膜电极及引线，去胶；

2.8）溅射沉积一层0.5μm厚的氧化铝钝化层；

2.9）第五次光刻，用热浓磷酸腐蚀氧化铝层刻露出轴向止挡和焊盘焊块，去胶；完成上定子的制造。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是，所述的悬浮质量块为金属镍质量块或硅质量块中的任意一种，其中：

所述的金属镍质量块通过以下方式制备得到：

3.1）玻璃基片清洗，溅射2μm厚的钛种子层并作为牺牲层，并表面氧化；

3.2）旋涂数百微米的SU-8负胶进行UV曝光光刻，或浇注数百微米的PMMA正胶进行同步辐射x射线曝光光刻；

3.3）电铸镍质量块，磨平并抛光镍及胶模至所需厚度；

3.4）去SU-8或PMMA厚胶模，其中：去除SU-8胶采用发烟硫酸氧化刻蚀的方法；

3.5）氢氟酸溶液刻除钛牺牲层，释放镍质量块；

4.1）根据设计的质量块厚度，选择双面抛光的重掺杂低阻100晶向的单晶硅片，并准备陪片；清洗；

4.2）在陪片上旋涂3-5μm厚的BCB胶，65-95℃下烘5分钟，然后真空下加压键合待刻硅片，250℃固化BCB胶；

4.3）光刻，采用ICP DRIE工艺刻穿硅片至BCB胶层；

4.4）在浓硫酸双氧水混合液中浸泡去除BCB胶，释放硅质量块。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是，所述的微装配键合通过以下步骤实现：

5.1）根据设计的轴向和侧向间隙，选择与下定子侧向电极高度和横向尺寸稍小且匹配的质量块，放入下定子厚镍结构围成的腔中；然后将上定子倒置，在显微镜下与下定子对准装配；

5.2）在回流焊机上根据回流温度曲线完成SnAg焊块的共熔回流熔点221℃焊接键合；

5.3）切片，即获得本发明静电微加速度计的芯片。