CN103116037B - 石英振梁加速度计及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英振梁加速度计及其制作方法，该石英振梁加速度计包括石英振梁和质量-挠性结构，其中，质量-挠性结构包括通过挠性铰链相连的底座和质量块，在石英振梁两端、底座和质量块上各设焊盘，对应位置的焊盘之间通过金属合金键合装配，同时在与底座相对应的焊盘上连接激励电极；本发明的制作方法包括光刻技术、湿法腐蚀的微加工技术制作以及回流焊工艺。本发明的优点在于石英振梁加速度计具有加工精度高，焊盘位置、尺寸对应关系好，同时装配精度高、重复性好、装配工艺简单。

Description

石英振梁加速度计及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种加速度计及其制作方法，尤其涉及一种石英振梁加速度计及其制作方法。

背景技术

石英振梁加速度计技术自问世以来就一直是惯导仪表的一个重要发展方向，受到世界各国的普遍关注。它是将力敏石英振动梁作为敏感元件，能直接输出数字信号(频率)，避免了A/D转换引入的速度增量误差。它在成本、体积、功耗、重量、精度等方面具有突出优点，在诸如军工、卫星、勘探等中高精度领域有着广泛的应用前景。它的工作原理是通过质量块把被测量的加速度转化为惯性力作用到基于面内弯曲振动的振梁轴向方向上，从而引起振梁谐振频率发生变化，再通过谐振电路检测振梁谐振频率的变化即可以完成加速度量的测量；双端固定音叉是振梁的一种，又被成为双梁，两根梁以180度相位差反向振动，相互抵消了在连接处产生的力和力矩，防止振动能量泄露到连接底座上，因此具有很高的品质因数；同时，由于石英晶体材料本身具有很高的品质因数，又具有压电效应，不需要额外的结构即可激励起双梁的振动；因此，基于石英双梁的振梁结构在高精度振梁加速度计中得到广泛应用。从结构上分，石英振梁加速度计又分为整体式与分体式，分体式结构由振梁和质量-挠性结构组成，质量-挠性结构包括质量块，固定底座以及连接二者的柔弹性铰链，振梁的一端固定在质量块上，另一端固定在底座上，由于振梁与质量-挠性结构分别制作，制作工艺简单，容易实现高灵敏的振梁，以及高精度的加速度计。

分体式结构对振梁与质量-挠性结构的装配精度要求极高，相对位置、方向的偏差(错位)既影响加速度计的灵敏度又会增大交叉轴向的灵敏度。目前的分体式振梁加速度计主要采用胶粘接等装配方式，这对装配机器以及人员的要求很高，因此装配效果不够理想，例如加速度计的精度不高、成品率低、生产成本高等。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能克服现装配工艺中错位问题、有效消除材料间线膨胀系数差异带来的温度漂移，能够提高测量精度的石英振梁加速度计；同时，本发明的另一目的是提供该石英振梁加速度计的制作方法。

技术方案：本发明所述的石英振梁加速度计包括石英振梁和质量挠性结构，其中，质量挠性结构包括通过挠性铰链相连的底座和质量块，石英振梁的两端分别固定在底座和质量块上，具体是在石英振梁两端、底座和质量块上各设焊盘，对应位置的焊盘之间通过金属合金键合装配，同时在与底座相对应的焊盘上连接激励电极。

所述石英振梁的厚度小于质量-挠性结构的厚度，所述底座和质量块的厚度相同，所述挠性铰链的厚度小于质量块的厚度，同时挠性铰链与底座、质量块的中心线一致。

所述质量-挠性结构的材质为石英，可以有效消除材料间线膨胀系数差异带来的温度漂移，提高测量精度。

所述石英振梁为双梁结构。

所述焊盘为金属薄膜焊盘，所述激励电极为金属薄膜激励电极。

发明的石英振梁加速度计的制作方法为：质量-挠性结构采用基于光刻技术、湿法腐蚀的微加工技术制作，在底座与质量块表面预留金属薄膜焊盘；石英振梁也采用基于光刻技术、湿法腐蚀的微加工技术制作，振梁的两端连接固定处设有金属焊盘图案，其位置与大小分别与质量-挠性结构的焊盘相对应，其中，与底座焊盘相对应的振梁端焊盘金属图案在电气上与振梁激励电极金属薄膜图案相连。石英振梁与质量-挠性结构经由金属合金材料利用回流焊工艺焊接，振梁与质量-挠性结构间的间隙大小可以通过焊盘大小、焊接合金材料的量调整，在倒装焊接后，在焊接点处可以通过注入粘性固定底胶进一步加固振梁与质量-挠性结构的连接强度。

有益效果：本发明与现有技术相比，其优点在于石英振梁加速度计的振梁、质量-挠性结构均采用石英材料、石英微加工工艺制作，具有加工精度高，焊盘位置、尺寸对应关系好的优点并消除了材料间热膨胀系数差异带来的温度误差。回流焊工艺的键合工艺在焊接材料融化、再凝固的过程中，由于表面张力作用，具有自调整振梁与质量-挠性结构焊盘对应位置的作用，因此，具有装配精度高、重复性好、装配工艺简单的优点。倒装键合技术起源于集成电路与封装盒或印刷电路板的装配技术，利用该技术同时完成机械固定和电气连接，具有高密度、小体积和高性能的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明双梁振梁的结构示意图；

图3为本发明的键合工艺流程图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的石英振梁加速度计由石英振梁1与质量-挠性结构2组成，其中，质量-挠性结构2由底座4、挠性铰链3和质量块5构成的一体式结构，石英振梁1与质量-挠性结构2经由金属合金材料10键合装配。石英振梁、质量-挠性结构分别采用不同厚度的石英晶片分别制作，采用厚度小的石英晶片制作振梁以提高振梁的力频效应；采用厚度大的石英晶片制作质量-挠性结构，以获得足够大的质量，产生较大的惯性力，进而通过挠性结构的变形，提供足够大的轴向力于振梁结构；质量块的厚度与底座厚度相同，挠性结构的厚度远小于质量块厚度，但其中心线一致。该加速度计检测与质量块平面垂直方向的加速度信息，质量块在加速度作用下产生惯性力，从而造成柔性铰链3的弯曲变形，该变形将对石英振梁1产生轴向的拉力或压力，增大或减小振梁的谐振频率，通过谐振电路测得石英振梁的谐振频率变化，可得加速度信息。

如图2所示，在石英振梁1的两端固分别有两个金属薄膜焊盘6和两个金属薄膜焊盘7，其中，焊盘6与石英振梁1上的两个金属薄膜激励电极相连。因此，通过焊盘6与质量-挠性结构的底座4上焊盘8的键合，把振梁的激励电极引导至底座上。焊盘7与焊盘9相键合，完成振梁另一端与质量块的固定装配。

本发明的键合工艺为：

第一步，选用厚度为50μm-100μm的石英晶片制作石英振梁1：(a)用硫酸双氧水清洗石英晶片，然后依次溅射铬、金薄膜，作为石英腐蚀时的保护膜；(b)利用两面光刻工艺制作石英振梁的结构图案，并腐蚀金、铬金属薄膜，去除光刻胶；(c)利用光刻工艺制作石英振梁两端焊盘和激励电极的图案；(d)用氟化氢铵腐蚀石英，然后腐蚀金、铬薄膜，去除光刻胶；

第二步：选用厚度为300μm-500μm的石英晶片制作质量-挠性结构2：(a)用硫酸双氧水清洗石英晶片，然后依次溅射铬、金薄膜，作为石英腐蚀时的保护膜；(b)利用两面光刻工艺制作质量-挠性结构的结构图案，并腐蚀金、铬金属薄膜，去除光刻胶；(c)利用光刻工艺制作各焊盘的图案；(d)用氟化氢铵腐蚀石英，然后腐蚀金、铬薄膜，以去除光刻胶；

第三步：键合装配石英振梁与质量-挠性结构，如图3：(1)利用合金材料例如金锡合金(AuSn)通过回流焊工艺在质量-挠性结构2的焊盘上制作焊点；(2)把石英振梁1反转，使其两端的焊盘6、7分别与质量-挠性结构的底座和质量块上的焊盘8、9对置，此时，允许有少许错位，但应保证焊点合金材料与石英振梁1上的焊盘接触；(3)再次通过回流焊工艺融化焊点合金材料，融化后的合金材料覆盖石英振梁1上的焊盘表面，由于表面张力作用，在合金材料冷却过程中把石英振梁1上的焊盘拉到与底座、质量块的焊盘精确对应的位置，装配工艺即完成。其中，在分步骤(a)、(c)中使用助焊剂，可以注入粘性固定底胶进一步加固石英振梁与质量-挠性结构的连接强度。

Claims (9)

1.一种石英振梁加速度计，其特征在于：包括石英振梁(1)和质量—挠性结构(2)，所述质量—挠性结构(2)的材质为石英；其中，质量—挠性结构(2)包括通过挠性铰链(3)相连的底座(4)和质量块(5)，石英振梁(1)两端各设第一焊盘(6)和第二焊盘(7)，底座(4)上设第三焊盘(8)，质量块(5)上设第四焊盘(9)，第一焊盘(6)、第二焊盘(7)通过金属合金(10)分别与第三焊盘(8)、第四焊盘(9)键合装配，所述键合装配是利用回流焊工艺焊接的，同时，在第一焊盘(6)上连接激励电极。

2.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计，其特征在于：所述石英振梁(1)的厚度小于质量—挠性结构(2)的厚度，所述底座(4)和质量块(5)的厚度相同，所述挠性铰链(3)的厚度小于质量块的厚度，同时挠性铰链(3)与底座(4)、质量块(5)的中心线一致。

3.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计，其特征在于：所述石英振梁(1)为双梁结构。

4.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计，其特征在于：所述焊盘为金属薄膜焊盘，所述激励电极为金属薄膜激励电极。

5.根据权利要求1所述石英振梁加速度计的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)制作石英振梁(1)：(a)清洗石英晶片，然后依次溅射铬、金薄膜，作为石英腐蚀时的保护膜；(b)利用两面光刻工艺制作石英振梁(1)的结构图案，并腐蚀金、铬金属薄膜，去除光刻胶；(c)利用光刻工艺制作石英振梁(1)两端焊盘和激励电极的图案；(d)腐蚀石英，然后腐蚀金、铬薄膜，以去除光刻胶；

(2)制作质量—挠性结构(2)：(a)清洗石英晶片，然后依次溅射铬、金薄膜，作为石英腐蚀时的保护膜；(b)利用两面光刻工艺制作质量—挠性结构(2)的结构图案，并腐蚀金、铬金属薄膜，去除光刻胶；(c)利用光刻工艺制作各焊盘的图案；(d)腐蚀石英，然后腐蚀金、铬薄膜，去除光刻胶；

(3)键合装配石英振梁(1)与质量—挠性结构(2)：(a)利用合金材料通过回流焊工艺在质量-挠性结构(2)的焊盘上制作焊点；(b)把石英振梁(1)反转，使其第一焊盘(6)、第二焊盘(7)分别与质量-挠性结构(2)的第三焊盘(8)、第四焊盘(9)对置，此时，应保证焊点合金材料与第一焊盘(6)、第二焊盘(7)接触；(c)再次通过回流焊工艺融化焊点合金材料，融化后的合金材料覆盖第一焊盘(6)、第二焊盘(7)表面，由于表面张力作用，在合金材料冷却过程中把第一焊盘(6)、第二焊盘(7)拉到与第三焊盘(8)、第四焊盘(9)精确对应的位置，装配工艺即完成。

6.根据权利要求5所述石英振梁加速度计的制作方法，其特征在于：步骤(1)或步骤(2)中采用硫酸双氧水对石英晶片洗净。

7.根据权利要求6所述石英振梁加速度计的制作方法，其特征在于：步骤(1)或步骤(2)采用氟化氢铵溶液对石英、金、铬薄膜腐蚀。

8.根据权利要求6所述石英振梁加速度计的制作方法，其特征在于：步骤(1)中制作石英振梁(1)的石英晶片厚度为50μm-100μm；步骤(2)中制作质量—挠性结构(2)的石英晶片的厚度为300μm-500μm。

9.根据权利要求6所述石英振梁加速度计的制作方法，其特征在于：步骤(3)的分步骤(a)、(c)中使用助焊剂。