CN106405152A - 一种微加速度计及制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微加速度计，其包括上盖板、质量块、下盖板、悬臂梁、围框。上盖板与下盖板相对设置形成一空间；围框的一端连接于上盖板的下表面，另一端连接于下盖板的上表面；质量块通过悬臂梁与围框相连，以设置于上盖板与下盖板形成的空间内；悬臂梁为弯曲形状，用于支撑质量块在上盖板与下盖板形成的空间内上下移动。本申请还公开了制备上述微加速度计的方法，包括流延、打孔与通孔填充、对准、层压、共烧、装配和检测步骤。本发明的LTCC差分电容式微加速度计，其悬臂梁采用弯曲形状，例如U形结构，制备简单，微加速度计测量结果漂移低，温度效应很小，灵敏度相对较高，检测模态刚度小，交叉耦合小，综合性能好。

Description

一种微加速度计及制造方法

技术领域

本申请涉及微加速度计领域，具体涉及一种差分电容式微加速度计及其制造方法。

背景技术

微加速度计由于体积小、重量轻、测量精度高、单件价格低廉、便于大规模批量生产等优势，广泛应用于军用和民用等多个领域，具有广阔的市场前景和研究价值。现有的微加速度计尺寸不够大，而悬臂梁占用过多空间，微加速度计测量结果漂移严重，受温度等外界因素影响大，灵敏度较低，综合性能差。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种微加速度计，其包括上盖板、质量块、下盖板、悬臂梁、围框。所述上盖板与下盖板相对设置形成一空间；所述围框的一端连接于所述上盖板的下表面，另一端连接于所述下盖板的上表面，用于支撑所述上盖板与下盖板；所述质量块通过悬臂梁与所述围框相连，以设置于所述上盖板与下盖板形成的空间内；所述悬臂梁为弯曲形状，用于支撑所述质量块在所述上盖板与下盖板形成的空间内上下移动。

根据本发明的另一方面，提供一种微加速度计的制造方法，包括以下过程：

流延：将已经调配好的浆料转移到基带上从而形成均匀的膜浆，进而形成LTCC(低温共烧陶瓷，Low Temperature Co-fired Ceramic)生瓷片；

打孔与通孔填充：在LTCC生瓷片进行打孔，然后进行通孔填充；

对准：将各层LTCC生瓷片对准；

层压：将对准后的多层LTCC生瓷片叠放在一起，在一定的温度和压力下完成层压；

共烧；将层压后的LTCC生瓷片按照既定的烧结曲线烧结，使得LTCC生瓷片和金属浆料一次性烧结成型从而形成陶瓷基板；

装配和检测；对于加工成型的陶瓷基板，将集成芯片、有源元器件等贴装在基板表面从而形成具有一定功能的电路器件。

本发明的微加速度计其悬臂梁采用弯曲形状。

本发明的LTCC差分电容式微加速度计，其悬臂梁采用弯曲形状，例如U形结构，制备简单，满足小型化的需求，微加速度计测量结果漂移低，温度效应很小，灵敏度相对较高，检测模态刚度小，交叉耦合小，综合性能好。

附图说明

图1为本发明一实施例的微加速度计侧视图；

图2为本发明一实施例的微加速度计俯视图；

图3为本发明一实施例的微加速度计制造方法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本实施例公开了一种微加速计，其主要包括上盖板10，质量块20，下盖板30，第一悬臂梁401、第二悬臂梁402、第三悬臂梁403、第四悬臂梁404，第一围框501、第二围框502，外壳80。

上盖板10与下盖板30相对设置形成一空间。

第一围框501与第二围框502相对设置，用于支撑上盖板10与下盖板30。第一围框501的一端连接于上盖板10的下表面的边沿，另一端连接于下盖板30的上表面的边沿，此处，第一围框501连接的上盖板10的下表面的边沿与下盖板30的上表面的边沿，两者相对。第二围框502的一端连接于上盖板10的下表面的边沿，另一端连接于下盖板30的上表面的边沿，此处，第二围框502连接的上盖板10的下表面的边沿与下盖板30的上表面的边沿，两者相对。上盖板10的下表面连接第一围框501的边沿与连接第二围框502的边沿，两者为上盖板10的下表面相对的两边沿。

质量块20通过四条悬臂梁与围框相连，以使得质量块20被设置于上盖板10与下盖板30形成的空间内。具体地，第一悬臂梁401与第二悬臂梁402的第一端分别连接至第一围框501，第一悬臂梁401与第二悬臂梁402的第二端分别连接至质量块20；第三悬臂梁403与第四悬臂梁404的第一端分别连接至第二围框502，第三悬臂梁403与第四悬臂梁404的第二端分别连接至质量块20。

如图2所示，本实施例的质量块20为四方形，第一悬臂梁401、第三悬臂梁403连接在质量块20的一条边上，第二悬臂梁402、第四悬臂梁404连接在质量块20的与该条边相对的另一条边上。本领域技术人员还可以设计成四条悬臂梁悬臂梁连接在质量块20中部位置，或者分别连接在质量块20的四个角处。或者。质量块20还可以采取其它形状，悬臂梁的条数不限于四条，悬臂梁与质量块20的连接方式只要满足质量块20靠悬臂梁的支撑悬空于上盖板10与下盖板30之间的空间内且质量块20与上盖板10和下盖板30都保持一定距离即可。

悬臂梁为“U”形直线曲折或者弧线弯曲的形状，用于支撑质量块20在上盖板10与下盖板30形成的空间内上下移动。悬臂梁优选地由直线构成，但也可以采用弧线方式，本领域技术人员应当理解，类似的“L”形、“<”形、“(”形或“∏”形等都属于“U”范畴，仍然属于本发明的保护范围。悬臂梁的宽度和长度对微加速度计的谐振频率等具有显著影响，悬臂梁总长度越长，质量块20的活动范围越大，悬臂梁的宽度越大，则悬臂梁结构本身更稳定。

质量块上表面和上盖板下表面分别设置第二电极602、第一电极601从而组成上电容对；质量块下表面和下盖板上表面分别设置第三电极603、第四电极604从而组成下电容对；各电极与传递电信号的导线70连通，导线70在悬臂梁内部或表面沿悬臂梁走线，导线70从上盖板10引出。在测量加速度时，质量块20偏离平衡位置，从而导致上电容对和下电容对发生变化并形成电容差，根据电容差即可测得加速度，此系微加速度计测量加速度的基本原理，故不再赘述。

本实施例的微加速度计的上盖板10、质量块20、下盖板30、悬臂梁采用LTCC材料，具体地，上盖板10、质量块20、下盖板30、悬臂梁分别由不同层数的LTCC生瓷片堆叠而成，且各LTCC生瓷片被制备成上盖板10、质量块20、下盖板30、悬臂梁适配的形状。在本发明的其它实施方式中，围框也可由LTCC生瓷片堆叠而成，且LTCC生瓷片具有与围框适配的形状

上盖板10、质量块20、下盖板30、悬臂梁的LTCC生瓷片的层数分别为3层、30层、3层、3层。即，本实施例的微加速度计共由36层LTCC生瓷片堆叠而成，其中第1层至第3层为上盖板10，LTCC生瓷片为方形片状；第4层至第33层为中间质量20块及悬臂梁结构，悬臂梁在第17至第19层，由3层LTCC堆叠而成，第4层至第16层以及第20层至第33层LTCC生瓷片为方形片状，第17至第19层LTCC生瓷片的形状根据质量块20形状与悬臂梁形状进行结合设计；第34层至第36层为下盖板30，LTCC生瓷片为方形片状。

上盖板10与质量块20之间，以及质量块20与下盖板30之间留出一定距离，例如一层LTCC生瓷片的距离即100um从而允许质量块20上下移动。

本实施例的LTCC材料采用杜邦公司951系列，其杨氏模量为120GPa，泊松比为0.17，抗弯强度为320MPa，导线及微加速度计外部所贴PAD采用配套印刷浆料。

如图3所示，本实施例的LTCC差分电容式微加速度计的制备工艺采用如下过程：

S1、流延。

本领域技术人员可采用常规的流延技术制作密度均匀的LTCC生瓷带，例如，将已经调配好的浆料转移到基带上从而形成均匀的膜浆，进而形成LTCC生瓷片，以刀片刮或者其它方式进行涂覆。浆料的调配是其中的关键一点，根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在一个很大的范围内变化，这一特殊的优势使得其在基板电路的设计中得到更加灵活的应用。流延设备对加工出的生瓷片的质量会有一定的影响。

S2、打孔与通孔填充。

在LTCC生瓷片上进行打孔(冲孔)的方式分激光冲孔和机械冲孔，本领域技术人员可根据需要选择合适的冲孔方案。采用激光冲孔，其打孔速度快，最小打孔孔径可达0.1mm，精度可达±10μm，但其缺点是打盲孔的概率高；机械打孔孔径一般为0.25mm，对于LTCC工艺，一般通孔直径范围处于0.15-0.25mm为最佳，其优点是有利于提高基板布线密度和改善通孔的金属化。完成打孔后即进行通孔填充，通孔金属浆料的填充方式有掩膜印刷、丝网印刷和流延印刷三种类型，其中丝网印刷最常用。通孔的填充质量影响电路的有效性，因此是相对关键的一步；电路中传输线的形成可以采用丝网印刷的方式，通常可达到的线条宽度和线条间距小于0.1mm，通过使用高电导率的金属作为传输系统导体材料，有利于提高电路的品质因数。

S3、对准。

对准的精度直接影响产品的质量，本实施例采用图形识别和定位孔来定位将各层LTCC生瓷片对准，在通常布线密度下对准精度能达到±50μm。

S4、层压。

将多层LTCC生瓷片对准后叠放在一起，在一定的温度和压力下完成层压。压头的温度和压力的大小都将影响最终产品的质量，层压的压力大小必须均匀，否则陶瓷生瓷片会由于压力的不均匀而崩裂，因此该过程需要严格的关注。在此过程中，可以同时对每一层的布线和通孔进行检查，有利于提高LTCC生瓷片多层基板的成品率，可以缩短生产周期，降低生产成本。

S5、共烧。

将层压后的LTCC生瓷片放入高温炉中，按照既定的烧结曲线烧结，使得LTCC生瓷片和金属浆料一次性烧结成型，排除其中的有机胶，从而得到烧结后的陶瓷基板。对于成功的共烧过程，烧结曲线和炉膛温度的均匀性是重要的前提条件，如何控制不同材料之间的收缩失配及界面反应也是关键问题。烧结时升温不能太快，否则烧结后LTCC基板的收缩率大，使得基板平整度差。对于低温共烧陶瓷来讲，烧结条件(如温度)由金属导体材料的熔点和阻止其导体材料氧化决定。本实施例在制作过程中选用银、银钯、金作为金属材料。

S6、装配和检测。

对于加工成型的陶瓷基板，将集成芯片、有源元器件或导线贴装在基板表面即可形成一定功能的电路器件。在装配时可采用回流焊工艺，因为相对于树脂材料印刷电路板，低温共烧陶瓷基板的耐热性更好，在高温时也有优良的可靠性，且其热膨胀系数较低，使其具有更好的稳定性。各连接部分采用玻璃辅助键合。

本发明的LTCC差分电容式微加速度计，其悬臂梁采用U形梁结构，制备简单，与其它形式的悬臂梁相比，在相同梁尺寸下可大幅度降低占用的空间；微加速度计测量结果漂移低，温度效应很小，灵敏度相对较高，检测模态刚度小，交叉耦合小，综合性能好。U形梁参数对微加速度计的性能起着十分重要的作用，随着弹性悬臂梁宽度的增加，微加速度计的谐振频率不断增大；而随着悬臂梁长度的增加，微加速度计的谐振频率不断减少，因此U形梁的宽度和长度对微加速度计结构谐振频率的影响作用十分显著。增大悬臂梁的长度，减小悬臂梁的宽度，微加速度计其结构的谐振频率减小，但能够提高器件的分辨率；减小梁的长度，增大梁的宽度，微加速度计其结构的谐振频率加大，稳定性得以提高，但器件的分辨率和开环灵敏度会降低。本领域技术人员可以根据实际需求对悬臂梁的长度与宽度进行设计，从而使得微加速度计的整体性能达到最佳状态。另外，悬臂梁采用U形结构，能够使微加速度计的工作稳定性得到有效改善，降低测量误差，使得器件整体性能大大提高。

LTCC材料作为先进封装基板，能够满足微系统的高密度三维集成，LTCC材料优良的特性，可将以LTCC材料为基板的MEMS器件应用于极端的恶劣环境。与现有技术中微加速度计所采取的硅结构相比，本发明采用LTCC材料，使得微加速度计的结构尺寸要大得多，是现有技术的10-100倍，本发明的LTCC差分式微加速度计应用到相应领域进行测量，LTCC材料的悬臂梁的尺寸更大、稳定性更好，能够使用的主动载荷更大，具有比现有技术更好的应用前景。

以上内容是结合具体的实施方式对所作的进一步详细说明，不能认定的具体实施只局限于这些说明。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种微加速度计，其特征在于，包括上盖板、质量块、下盖板、悬臂梁和围框；

所述上盖板与下盖板相对设置形成一空间；

所述围框的一端连接于所述上盖板的下表面，另一端连接于所述下盖板的上表面，用于支撑所述上盖板与下盖板；

所述质量块通过悬臂梁与所述围框相连，以设置于所述上盖板与下盖板形成的空间内；

所述悬臂梁为弯曲形状，用于支撑所述质量块在所述上盖板与下盖板形成的空间内上下移动。

2.如权利要求1所述的微加速度计，其特征在于，

所述质量块上表面和所述上盖板下表面分别设置电极从而组成上电容对；

所述质量块下表面和所述下盖板上表面分别设置电极从而组成下电容对；

各电极与传递电信号的导线连通，所述导线在所述悬臂梁内部或表面沿所述悬臂梁走线。

3.如权利要求1所述的微加速度计，其特征在于，

所述悬臂梁为“U”形直线曲折或者弧线弯曲的形状。

4.如权利要求1-3任一项所述的微加速度计，其特征在于，

所述围框包括第一围框和第二围框，所述悬臂梁包括第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第四悬臂梁；

所述第一围框与所述第二围框相对设置；所述第一围框的一端连接于所述上盖板的下表面的边沿，另一端连接于所述下盖板的上表面的边沿，其中第一围框连接的上盖板的下表面的边沿与下盖板的上表面的边沿，两者相对；所述第二围框的一端连接于所述上盖板的下表面的边沿，另一端连接于所述下盖板的上表面的边沿，其中第二围框连接的上盖板的下表面的边沿与下盖板的上表面的边沿，两者相对；所述上盖板的下表面连接第一围框的边沿与连接第二围框的边沿，两者为上盖板的下表面相对的两边沿。

所述第一悬臂梁与所述第二悬臂梁的第一端分别连接至所述第一围框，所述第一悬臂梁与所述第二悬臂梁的第二端分别连接至所述质量块；

所述第三悬臂梁与所述第四悬臂梁的第一端分别连接至所述第二围框，所述第三悬臂梁与所述第四悬臂梁的第二端分别连接至所述质量块。

5.如权利要求4所述的微加速度计，其特征在于，

所述质量块为四方形；

所述第一悬臂梁、所述第二悬臂梁、所述第三悬臂梁、所述第四悬臂梁连接在所述质量块中部位置，或者分别连接在所述质量块的四个角处；

或者，所述第一悬臂梁、所述第三悬臂梁连接在所述质量块的一条边上，所述第二悬臂梁、所述第四悬臂梁连接在所述质量块的与该条边相对的另一条边上。

6.如权利要求1-5任一项所述的微加速度计，其特征在于，

所述上盖板、所述质量块、所述下盖板、所述悬臂梁均采用LTCC材料。

7.如权利要求6所述的微加速度计，其特征在于，

所述上盖板、所述质量块、所述下盖板、所述悬臂梁分别由不同层数的LTCC生瓷片堆叠而成；

各LTCC生瓷片被制备成所述上盖板、所述质量块、所述下盖板、所述悬臂梁适配的形状。

8.如权利要求7所述的微加速度计，其特征在于，

所述上盖板、所述质量块、所述下盖板、所述悬臂梁的LTCC生瓷片的层数分别为3层、30层、3层、3层；

所述上盖板与所述质量块之间，以及所述质量块与所述下盖板之间留出一层LTCC生瓷片的距离。

9.一种微加速度计的制造方法，其特征在于，包括以下过程：

流延：将已经调配好的浆料转移到基带上从而形成均匀的膜浆，进而形成LTCC生瓷片；

打孔与通孔填充：在LTCC生瓷片上进行打孔，然后进行通孔填充；

对准：将各层LTCC生瓷片对准；

层压：将对准后的多层LTCC生瓷片叠放在一起，在一定的温度和压力下完成层压；

共烧；将层压后的LTCC生瓷片按照既定的烧结曲线烧结，使得LTCC生瓷片和金属浆料一次性烧结成型从而形成陶瓷基板；

装配和检测；对于加工成型的陶瓷基板，将集成芯片、有源元器件或导线等贴装在陶瓷基板表面从而形成具有一定功能的电路器件。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述打孔方式采用激光冲孔或机械冲孔，所述通孔填充方式采用掩膜印刷、丝网印刷或流延印刷；

所述对准方式采用图形识别或定位孔定位。