CN108152534B - 具有自检功能的石英振梁加速度计及其制作与自检方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自检功能的石英振梁加速度计及其制作与自检方法，其中，加速度计包括石英振梁、质量‑挠性结构和安装框，其中，质量‑挠性结构包括活动连接的质量块和底座，质量块的上方和/或下方设极板，该极板的两端与安装框连接，极板中部与质量块之间存在间距，同时，极板中部和质量块相对的各自表面设有导电薄膜。本发明的加速度计增加了自检功能，能够及时发现加速度计的缺陷和故障，从而大大提高石英振梁加速度计的可靠性；同时本发明制作工艺在成本、体积、功耗、精度等方面都具有不可比拟的优点，可广泛应用于高精度惯性导航和军工领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种石英振梁加速度计及其制作方法，尤其涉及一种具有自检功能的石英振梁加速度计，同时涉及一种需要精确机械定位同时实现电气连接的芯片键合方法，以及该加速度计的自检方法。
背景技术
随着传感器技术和微电子技术的飞速发展，MEMS传感器不断创新和发展。MEMS传感器的体积越来越小、结构越来越复杂、精度不断提高，对可靠性的要求也越来越高，这就需要有更高精度和更稳定的加工工艺来为它保驾护航。
石英振梁加速度计是基于振梁谐振器力频效应以及石英材料的压电效应进行工作的一种加速度传感器，直接输出数字频率信号，便于传输与处理，结构简单，长期可靠性高，温度稳定性好，耐恶劣环境，特别适用于武器惯性导航、石油钻井、地震监测等高精度应用领域。现有技术中的石英振梁加速度计结构如图1所示，包括石英振梁1和质量-挠性结构2，质量-挠性结构2包括底座202、质量块201和挠性铰链203。当然，石英振梁加速度计在生产工艺过程中难免会存在一些误差，会产生出一些功能不完善的器件，同时微机械加速度计在受到冲击载荷以及温度变化也会引起失效。因此，有必要提出一种具有自检功能的加速度计。
在当前静电结构的加工中，常常通过键合的方式来实现极板间的连接。常用的键合技术主要有四种：直接键合、阳极键合、粘结剂键合和共晶键合。直接键合是由分子间相互吸引的范德华力产生的，对接触表面的光滑度和平整度要求很高；阳极键合对键合界面的要求不高，但速率慢，容易出现空洞，同时需要高温高压的加工条件，且可能会存在电信号干扰；粘结剂键合的优点是键合温度低，成本低，工艺简单等，常用的粘结剂是有机物粘结剂，存在长期稳定性低的缺点；共晶键合利用某些合金熔融温度较低的特点，利用其作为中间介质层加热熔融形成共晶键合，但一般需要在真空或者惰性气体环境中进行，且对温度的控制要求较高。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种具有自检功能、提高精准度及可靠性的石英振梁加速度计；本发明的第二目的是提供该加速度计的制作方法；本发明的第三目的是提供该加速度计的自检方法。
技术方案：本发明所述具有自检功能的石英振梁加速度计，包括石英振梁、质量-挠性结构和安装框，其中，所述质量-挠性结构包括活动连接的质量块和底座，所述质量块的上方和/或下方设极板，该极板的两端与安装框连接，所述极板中部与质量块之间存在间距，同时，极板中部和质量块相对的各自表面设有导电薄膜。
优选的，所述极板中部表面向内腐蚀出与质量块形成间距的第一凹槽，并在该第一凹槽内设导电薄膜。
进一步地，所述极板两端表面向内腐蚀出用于与安装框键合的第二凹槽，并在该第二凹槽内设导电薄膜。
同时，所述第一凹槽的宽度小于等于安装框内边框的宽度，并大于质量块的宽度，能保证石英加速度计的正常起振。
本发明所述石英振梁加速度计的方法，包括如下步骤：
(1)采用石英晶片制作石英振梁、质量-挠性结构和安装框；
(2)采用石英晶片制作极板；
(3)将极板两端与安装框通过键合连接。
其中，步骤(3)中，在极板两端腐蚀出第二凹槽，并在该第二凹槽内设导电薄膜并填入导电银胶，在安装框对应第二凹槽的位置设有电极，通过导电薄膜、导电银胶和电极实现粘接和导电。
步骤(2)中，所述极板中部表面湿法腐蚀形成第一凹槽。
本发明所述石英振梁加速度计的自检方法，包括如下步骤：启用自检功能，在质量块和极板之间施加电压，质量块受到静电力的作用，如果输出频率发生变化，则表明石英振梁加速度计结构完好；反之表明结构受损。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)石英振梁加速度计增加了自检功能，通过使用前的自检能够及时发现加速度计的缺陷和故障，从而大大提高石英振梁加速度计的可靠性，对运行系统的安全作出了有效的保障；(2)通过采用廉价的湿法腐蚀工艺和导电银胶连接，可以大大降低键合的成本，同时也降低了对键合环境的要求，同时，不同浓度的石英腐蚀溶液可以严格控制极板间间距，可以大大提高静电结构的精度；(3)本发明制作工艺简单，工艺兼容性要求低，解决了结构复杂，工艺复杂繁琐、装配精度低的问题，在成本、体积、功耗、精度等方面都具有不可比拟的优点，在诸如惯性导航、军工等中高精度领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是现有技术石英振梁加速度计的结构示意图；
图2是本发明具有自检功能的石英振梁加速度计的整体结构图；
图3是本发明石英振梁、质量-挠性结构和极板的结构示意图；
图4是本发明上下两个极板与安装框位置关系的示意图；
图5是本发明极板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图2所示，本发明的石英振梁加速度计，包括石英振梁加速度计模块和自检模块。石英振梁加速度计模块包括石英振梁1和质量-挠性结构2，两者可以为一体式或分体式结构，其中，质量-挠性结构2包括活动连接的质量块201和底座202，优选的，质量块201和底座202通过挠性铰链203连接。本发明中，石英振梁1和质量挠性结构2可以但不限于设置于隔离框5内，具体是底座202连接在隔离框5上，隔离框5连接在安装框3内。自检模块是通过在质量块201的上方和/或下方(本专利中，上下方是沿质量块的厚度方向，即图1-2中垂直面内方向，或图3中极板位于质量块的上方和下方)设极板4，即极板4可以是一块，位于质量块201的上方或下方，也可以是两块，同时位于质量块201的上方和下方，如图3-4所示，极板可以采用石英晶片制作而成；如图2所示，极板两端402与安装框3连接，极板中部401与质量块201之间存在间距403，同时，极板中部401和质量块201相对的各自表面设有导电薄膜。如图4-5所示，极板中部401表面向内腐蚀出第一凹槽404，该第一凹槽404可以与质量块201形成间距403(图4所示)，并在该第一凹槽404内设导电薄膜。优选的，上下极板的宽度与安装框的宽度一致，第一凹槽404的宽度小于等于安装框内边框301的宽度，并大于质量块201的宽度，以保证石英振梁加速度计的正常起振；此外，挠性铰链、质量块、振梁、上下极板的中心线应在同一平面内。本发明采用全石英材料，可以消除材料间热膨胀系数不匹配所带来的影响。
极板两端402表面向内腐蚀出第二凹槽405，如图5中所示四个六边形的第二凹槽但不限于六边形形状，该第二凹槽405内设导电薄膜，用于与安装框键合。在极板两端的第二凹槽405内设导电薄膜后填入导电银胶，并且在第二凹槽405和与安装框3相对的表面制作电极来进行粘接和导电，第二凹槽分别与安装框上激励电极的正负极相连，并通过电极引出线6引出，通过在第二凹槽上施加电压，可以实现对石英振梁加速度计的激励。第二凹槽将质量块的电极引出，通过在质量块与极板间施加电压，可以实现静电激励，质量块受到静电力使输出频率发生变化，实现对加速度计的自检。
当在质量块及极板间施加一定的电压时，由于极板两端固定而质量块一端固定一端自由，所以质量块将受到静电力从而使输出频率发生变化，该输出频率的变化可以等效为加速度计在受到外界加速度时所发生的变化，通过观察频率值是否发生变化从而可以实现对加速度计的自检。
为解决上下极板与质量块间间距的控制和装配精度问题，本发明提供了一种实现难度相对较低、加工环境要求较低，且低成本高精度的加工方式，在实现精确机械装配的同时满足加速度计的电气连接要求。
具体的键合工艺为：
第一步，选用厚度为300μm-500μm的石英晶片制作石英振梁加速度计：(1)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；(2)旋涂光刻胶并通过光刻和腐蚀金铬的方式制作加速度计的结构图案；(3)腐蚀石英，腐蚀金铬，制作出加速度计的结构，去除光刻胶并再次旋涂光刻胶；(4)通过光刻制作出激励电极的图案，腐蚀金铬；(5)去除光刻胶，并利用掩膜版镀金、铬薄膜，完善电极。
第二步，选用厚度为50μm-500μm的石英晶片制作静电极板：(1)用硫酸双氧水清洗石英晶片，然后依次溅射铬、金薄膜(即导电薄膜)，作为石英腐蚀时的保护膜；(2)旋涂光刻胶并通过光刻和腐蚀金铬的方式制作出腐蚀区域第一凹槽和极板两端第二凹槽的图案；(3)腐蚀石英，并再次用硫酸双氧水清洗石英晶片,然后依次溅射铬、金薄膜；(4)旋涂光刻胶并再次光刻，腐蚀金铬制作出电极图案；(5)用硫酸双氧水清洗石英晶片。
第三步，通过点胶机控制点胶量，在极板第二凹槽内填入适量导电银胶，并配合贴片机进行精准定位，使得安装框上的电极和极板上的电极精确对准，完成加速度计与上下极板的键合。
为实现上述制作工艺，首先，通过配置不同浓度比的氢氟酸和氟化铵的溶液可以控制石英的腐蚀速率，从而可以通过廉价的湿法腐蚀工艺来精确控制腐蚀深度；其次，在腐蚀石英的同时在安装框的位置腐蚀出几个相同大小的第二凹槽用于后续的填胶；最后，在第二凹槽里填上导电银胶，并配合贴片机完成贴片，既能实现上下极板的键合，又使得上下极板间的间距仍然保持为极板第一凹槽的深度，从而实现精确控制极板与质量块间间距的目的。
Claims (6)
1.一种具有自检功能的石英振梁加速度计，包括石英振梁、质量-挠性结构和安装框，其中，所述质量-挠性结构包括活动连接的质量块和底座，其特征在于：所述质量块的上方和/或下方设极板，该极板的两端与安装框连接，所述极板中部与质量块之间存在间距，同时，极板中部和质量块相对的各自表面设有导电薄膜；所述极板中部表面向内腐蚀出与质量块形成间距的第一凹槽，并在该第一凹槽内设导电薄膜；所述极板两端表面向内腐蚀出用于与安装框键合的第二凹槽，并在该第二凹槽内设导电薄膜。
2.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计，其特征在于：所述第一凹槽的宽度小于等于安装框内边框的宽度，并大于质量块的宽度。
3.一种制作权利要求1所述石英振梁加速度计的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用石英晶片制作石英振梁、质量-挠性结构和安装框；
(2)采用石英晶片制作极板；
(3)将极板两端与安装框通过键合连接。
4.根据权利要求3所述石英振梁加速度计的方法，其特征在于：步骤(3)中，在极板两端腐蚀出第二凹槽，并在该第二凹槽内设导电薄膜并填入导电银胶，在安装框对应第二凹槽的位置设有电极，通过导电薄膜、导电银胶和电极实现粘接和导电。
5.根据权利要求3所述石英振梁加速度计的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述极板中部表面湿法腐蚀形成第一凹槽。
6.一种实现权利要求1所述石英振梁加速度计的自检方法，其特征在于包括如下步骤：启用自检功能，在质量块和极板之间施加电压，质量块受到静电力的作用，如果输出频率发生变化，则表明石英振梁加速度计结构完好；反之表明结构受损。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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