CN112393744A - 一种具有测频功能的mems陀螺在线激光修调系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统及方法，所述系统包括修调模块，测频模块和控制计算机，其中修调模块中的对准系统包括捕捉对准光源光束在待修调MEMS陀螺芯片上的投影图像，以便进行对准操作的对准光源和图像传感器，红外图像传感器和红外物镜相对于红外光源置于待修调MEMS陀螺芯片的另一侧，用于捕捉红外图像进行对准判断。本发明采用可见光加红外通过双侧同时显像确认修调聚焦点，解决激光透过玻璃电极层对密封MEMS陀螺芯片中硅谐振结构层进行频率修调时聚焦检测困难的问题，能实时监测修调图形，实现在线修调，MEMS陀螺加工完成后无需工艺变动即可实现修调，与原有生产工艺完全兼容。

Description

一种具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统及方法

技术领域

本发明属于MEMS制造技术领域，具体涉及一种具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统及方法。

背景技术

陀螺是一种可检测角速度或者角度的测量装置。MEMS陀螺通过微电子机械系统加工工艺实现，具有体积小、重量轻、功耗低、抗过载能力强、能适用于较为恶劣的环境条件等优点。在民用有空中姿态保持系统、自主导航系统、手机移动终端、3D鼠标、游戏手柄、数码产品图像防抖等应用，在工业如高压线姿态、大型机械姿态监控等应用场景要求更高的精度，更好的稳定性。虽然近几年MEMS陀螺有了长足的进步，但对于高性能应用领域，其受到工艺本身的限制，高性能芯片良率较低。MEMS陀螺实际生产中，单一圆片内芯片的频率相差可达400～500Hz，直接导致MEMS陀螺芯片灵敏度差异较大，该问题主要是由MEMS工艺局限性造成的。

激光修调技术近几年在电容电阻等电气元件修调方面有成熟应用，但在MEMS陀螺方面，激光修调技术仅在试验阶段实现选择性去除调整MEMS陀螺的频率的功能。北京遥测技术研究所提出一种在谐振结构上配置额外纳米银浆作为修调质量块调节频率的方法(一种基于纳米银浆的音叉陀螺激光修调方法及修调系统，CN 106134432)，该方法着重介绍的是制作纳米银浆到音叉结构上，通过激光去除纳米银浆改变音叉陀螺频率的方法进行修调。由于MEMS陀螺制造工艺难以兼容纳米银浆工艺，因此纳米银浆音叉激光修调的方法无法在MEMS陀螺生产中使用。北京航天控制仪器研究所提出基于超快激光针对谐振式惯性器件的修调系统(一种谐振式惯性器件敏感功能钩尖超快激光微量修调系统，专利CN110806219)，该方法使用超快激光在真空腔内对谐振结构进行激光修调，该过程是在真空腔室对开放结构进行激光修调，去除量测量方式未明确提及。MEMS陀螺无法在工艺完成前存在，即开放结构时芯片失效风险大、且此时结构频率与最终芯片频率存在差距，因此该方法在MEMS陀螺生产中依旧无法使用。目前提及的激光修调技术均不满足MEMS陀螺实际生产的要求。MEMS陀螺完成圆片级真空封装后，在划片前实施激光修调是最佳修调时机，但对已完成真空封装的密封芯片进行修调面临修调量难测量、修调激光难定位等问题，以上问题使得激光修调技术难以在MEMS陀螺生产中实施。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统及方法，解决了在MEMS陀螺已完成划片前全部工艺后实施激光修调的修调量无法测量、难以定位等问题，使激光修调技术可以在MEMS陀螺生产中实施。

按照本发明的一个方面，提供一种具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统，用于进行MEMS陀螺芯片的圆片级激光修调，包括：

修调模块，所述修调模块包括：

可程控的工件平台，待修调MEMS陀螺芯片固定在可程控工件平台上；

输出激光脉冲光束的激光器；

光路系统，光路系统末端的激光加工头位于可程控的工件平台上方，所述光路系统使激光器和对准系统的对准光源在待修调MEMS陀螺芯片上的光点重合；

对准系统，所述对准系统包括对准光源、图像传感器、红外光源、红外图像传感器以及红外物镜，红外光源设置在激光加工头周围，其中图像传感器捕捉对准光源光束在待修调MEMS陀螺芯片上的投影图像，以便进行对准操作，其中红外图像传感器和红外物镜相对于红外光源置于待修调MEMS陀螺芯片的另一侧，用于捕捉红外图像进行对准判断；

测频模块，所述测频模块包括用于与待修调MEMS陀螺芯片的焊盘接触的探针，和用于提供激励信号和输出检测信号的锁相放大器；

控制计算机，用于控制可程控工件平台，接收和显示图像传感器和红外图像传感器的信号，以及控制锁相放大器输出激励信号和接收分析检测信号。

其中所述MEMS陀螺芯片为硅玻璃三明治结构，其顶层为硼硅玻璃(比如BF33硼硅玻璃或7740硼硅玻璃)的玻璃电极层，中间结构层为硅层，具体地硅谐振结构层，底层为盖板层，材料为硼硅玻璃或硅材料均可，顶层的硼硅玻璃表面有完整的电极引线，施加适当电压可驱动MEMS陀螺谐振结构振荡，同时可以检测MEMS陀螺谐振结构振荡的幅值信号。

其中MEMS陀螺芯片中质量块在修调位置处设有对准标记，与对准系统配合使用可精确定位。对准标记为深度在1μm～10μm的盲槽，尺寸为10μm*10μm～200μm*400μm。

其中所述光路系统设置有稳定激光器输出激光功率的功率计。

其中所述图像传感器和红外图像传感器为CCD传感器和红外CCD传感器。

其中MEMS陀螺芯片以平铺阵列形式，形成MEMS陀螺圆片。

其中所述测频模块频率测试范围为50Hz～1MHz。

按照本发明的另一个方面，提供一种利用如上所述的MEMS陀螺在线激光修调系统的MEMS陀螺在线激光修调方法，包括以下步骤：

1对准

a)校准光路，保证激光修调的激光点与对准光源光点重合，芯片表面偏差小于3μm，

b)打开对准光源，对准光源沿光路在MEMS陀螺圆片聚焦为一个光点，通过控制计算机调整工件平台位置，使光点落在MEMS陀螺圆片中MEMS陀螺芯片硅谐振结构层谐振质量块上表面的对准标记中心处；

c)打开红外对准光源，调整红外物镜，将红外图像聚焦在硅谐振结构层上表面；

d)打开激光器，初始位置设置在谐振质量块上方1～100μm的区域，调整焦距将修调激光逐渐下移，观察红外CCD成像，当红外CCD成像出现黑点时，说明修调激光已聚焦到硅片表面，对准完成。后续可依据对准位置上下调节，精准控制聚焦位置。同时修调图案可通过红外CCD成像实时显示。

2测频

a)调整探针，将探针针尖触及MEMS陀螺圆片中的质量块焊盘、检测电极焊盘、驱动电极焊盘以及屏蔽地焊盘上，确定导通无异常；

b)控制计算机控制工件平台移动，移动步长设置为MEMS陀螺芯片的尺寸，控制计算机控制锁相放大器输出激励信号到驱动电极焊盘，同时放大检测电极焊盘输出信号，分别测量MEMS陀螺芯片驱动模态频率和检测模态频率；

c)通过扫频获得结构的频率信息，获得初始频率信息

3修调

a)激光器输出激光，通过激光加工头进行一个脉冲的修调；

b)进行第二轮测频，获得一组脉冲修调后的频率信息，通过计算差值预估该MEMS陀螺芯片频率与预设值的差距来设定修调脉冲数；

c)按照预设值进行修调，修调完成后，进行第三轮测频获得频率信息，确认频率达到修调目标，完成激光修调。

本发明针对硅玻璃三明治结构的激光修调，由于红外光可以透过硼硅玻璃和硅片，通过红外物镜由红外CCD转化为电信号，可通过计算机实时显示，当修调进行时，由于硅表面红外光线透过发生变化，可通过红外光显示修调的位置，同时红外镜头可放置在样片的下方，可与整个激光修调模块解耦，对于可见光对准与激光修调分布进行的在线激光修调系统，仍然可以通过红外光成像显示实现在线修调的功能。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、本发明采用可见光加红外通过双侧同时显像确认修调聚焦点，解决激光透过玻璃电极层对密封MEMS陀螺芯片中硅谐振结构层进行频率修调时聚焦检测困难的问题，并能够实时监测修调图形，实现在线修调；

2、MEMS陀螺加工完成后无需工艺变动即可实现修调，与原有MEMS陀螺芯片生产工艺完全兼容；

3、本发明测频模块，频率测试范围为50Hz～1MHz，采用探针接触MEMS陀螺芯片焊盘由锁相放大器提供激励信号并输出检测信号，通过检测幅值信号峰值确定频率。通过频率确定修调量，解决了激光修调量可通过频率数据可实时测量，实现精确加工；

附图说明

图1为本发明的具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统的架构图；

图2为本发明实施例中的MEMS陀螺芯片的截面结构示意图；

图3为本发明实施例中的MEMS陀螺芯片敏感结构层的俯视示意图；

图4为本发明实施例中的MEMS陀螺芯片玻璃电极层的俯视示意图；

图5为本发明系统中的测频模块关于异常芯片的输出曲线；

图6为本发明系统中的测频模块关于正常芯片的输出曲线。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明公开了一种具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统，该系统可实现在线测频，定位等功能，解决MEMS陀螺在划片前面临的修调量无法测量，难以定位等问题。另外，结合所述具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统，本发明还提出MEMS陀螺在线激光修调方法。本发明可解决目前MEMS陀螺修调仅针对开放结构无法适配生产的问题，由于修调在芯片密封后实施，因此与现有MEMS陀螺生产完全兼容。

下面以单质量MEMS陀螺芯片为例，对本发明的具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统和方法进行说明。

图1为本发明的具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统的架构图。如图所示，本发明的具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统主要包括修调模块、测频模块及控制计算机6。其中，修调模块包括激光器1、对准系统、逃跑系统2和可程控的工件平台9，其中对准系统包括对准光源29、图像传感器(CCD)5、红外光源15、红外图像传感器(CCD)32和红外物镜31；测频模块为电学测频，频率测试范围为50Hz～1MHz，包括探针10和锁相放大器8，锁相放大器8与控制计算机6连接，以上均放置在设备架14上。

激光器1为皮秒激光器或飞秒激光器，平均功率为10W～40W，波长范围300nm～1600nm，脉宽200fs～500ps。激光器1输出激光脉冲光束，该光束通过光路系统2送入激光加工头4进行激光聚焦。光路系统2中设置有功率计3，用于稳定激光器1的输出激光功率，光路系统2末端的激光加工头4放大倍率在2X～50X范围内，为聚焦物镜。由待修调MEMS陀螺芯片11(参见图2)的平铺阵列形成的MEMS陀螺圆片30固定在可程控的工件平台9上，可程控的工件平台9在XYZ方向的行程为200mm*200mm*20mm。可程控的工件平台9上方为激光加工头4，激光加工头4周围放置采用环形光源形式的红外光源15，红外光源15的输出波长范围为400nm～3000nm。可程控的工件平台9下方设置有红外物镜31，红外物镜31与激光加工头4同轴，红外物镜31在系统底部与红外CCD 32相连，红外CCD 32的图像信息传回至控制计算机6进行对准判断，所述可程控的工件平台固定装置呈环形，仅在MEMS陀螺圆片30边缘5mm的区域支承，MEMS陀螺圆片30的芯片区悬空，从而避免阻挡红外物镜视野。在修调系统顶部设置有输出波长范围为500nm～600nm的对准光源29，对准光源29的光束借助光路13投影到MEMS陀螺圆片30上，该图像信息由CCD 5捕捉并传回控制计算机6进行对准操作，从而，待修调MEMS陀螺芯片11正面可通过光点借助CCD图像传感器5画面对准，另外可以通过背面红外物镜31聚焦进行对准。测频模块包括探针10和锁相放大器8，锁相放大器8通过信号线12与控制计算机6连接。如图所示，在系统的一侧放置锁相放大器8，其一端与探针10相连，探针10置于激光加工头4的四周，并置于可程控的工件平台9四周独立固定的平台上，另一端与控制计算机6相连，用于记录分析测试数据。

利用上面所述的具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调方法具体如下：

通过将MEMS陀螺圆片30固定在工件平台9上，通过光路系统2中显微镜7以及CCD 5传回的图像信息，控制计算机6控制工件平台9平移到修调的位置，此时将探针10调整至轻触芯片焊盘保证良好连接，锁相放大器8开始按照设定频率段7kHz～15kHz，频率步进设为7Hz，重复扫频，此时通过控制计算机6可以观察到MEMS陀螺芯片11驱动模态的波形。所修调的MEMS陀螺芯片11结构如图2所示，MEMS陀螺芯片11为硅玻璃三明治结构，顶层为玻璃电极层22(具体结构参见图4)，为BF33硼硅玻璃或7740硼硅玻璃，具有玻璃通孔24，MEMS陀螺芯片11表面有质量块焊盘25、检测电极焊盘26、驱动电极焊盘27以及屏蔽地焊盘28作为电信号引出接口，中间层为硅谐振结构层16(具体结构参见图3)，底部为盖板层23，材料为硅或硼硅玻璃均可

打开对准光源29，在MEMS陀螺圆片30上投影一个光点，移动工件平台9将光点移到需要修调的位置，调整探针10，将探针10针尖触及MEMS陀螺圆片30中的质量块焊盘25、检测电极焊盘26以及驱动电极焊盘27上，确定导通无异常。此时通过调整红外物镜31焦距，将红外物镜31聚焦至硅谐振结构层16上表面，并通过红外CCD32在控制计算机6中成像，打开激光器1，将修调激光聚焦初始位置调整到谐振质量块上方1～100μm的区域，调整焦距将修调激光焦点逐渐下移，观察红外CCD 32成像，激光焦点接触MEMS陀螺圆片5时修调发生时，红外CCD 32成像会出现黑点，说明修调激光已聚焦到硅片表面，对准完成，关闭激光器。后续可依据对准位置上下调节，精准控制聚焦位置。同时修调图案可通过红外CCD 32成像实时显示。

MEMS陀螺芯片11中间的硅谐振结构层16结构简单示意如图3所示，谐振质量块17与支承梁21连接悬浮在盖板层23顶部，锚点20与支承梁21相连并与玻璃电极层22(参见图4)固联，检测电极18和驱动电极19均与玻璃电极层22固联，谐振质量块17表面有预先制作的对准标记33用于确定修调位置，对准标记33为深度在1μm～10μm的盲槽，尺寸为10μm*10μm～200μm*400μm，该标记可通过红外物镜31清晰可辨，修调位置位于对准标记33具有一定相对距离的位置，控制工件平台9进行水平面以及水平面法向运动至需要修调的相对位置，通过控制计算机6将工件平台移动9步进设置为MEMS陀螺芯片11的尺寸，其中MEMS陀螺圆片30由MEMS陀螺芯片11平铺阵列形成。控制计算机6控制锁相放大器8输出激励信号到驱动电极焊盘27，同时检测检测电极焊盘26输出信号，将探针10针尖触及MEMS陀螺圆片30中的质量块焊盘25、检测电极焊盘26、驱动电极焊盘27以及屏蔽地焊盘28上，确定导通无异常，第一轮扫频获得初始频率信息，频率输出如图6所示，此时激光器1启动，通过功率计3实时检测激光功率强度以稳定激光输出，通过控制计算机6实时观察对准标记33红外成像的变化，调整激光加工头4聚焦激光直到红外成像中对准标记33中心出现新的黑点时，此时进行一个脉冲的修调，修调量约为0.1μg，开始第二轮扫频获得一个脉冲修调后的频率信息，通过计算差值预估该MEMS陀螺芯片11频率与预设值的差距设定修调脉冲数，移动工作平台9按照预设路径进行修调，修调完成后，第三轮扫频获得频率信息确认，频率达到修调目标，完成激光修调。此时控制计算机6控制工件平台9下降，探针10保持不动，工件平台9平移一个芯片后上升至前次高度，探针10重新接触质量块焊盘25、检测电极焊盘26以及驱动电极焊盘27上开始新的MEMS陀螺芯片11频率修调。如果频率曲线无尖峰如图5所示则该表为故障表，直接进入下一个芯片进行修调。

假设MEMS陀螺芯片11的基础频率为10kHz，其质量为2.5e-7kg，最小修调量为0.1μg，根据频率公式：

其中f为基础频率，k为刚度，m为质量，一个脉冲修调量可改变频率9.88Hz。由于整个圆片的频率范围约在±200Hz，修调目标位将频率范围缩减至±100Hz，最小修调量远小于频率波动范围，完全满足频率修调的要求。图5和图6为分别表示了本发明系统中的测频模块对于异常芯片和正常芯片的输出曲线的示图，图中横坐标均为频率(Hz)，纵坐标均为振幅幅值。

Claims (10)

1.一种具有测频功能的MEMS陀螺在线激光修调系统，用于进行MEMS陀螺芯片的圆片级激光修调，包括：

修调模块，所述修调模块包括：

可程控的工件平台，待修调MEMS陀螺芯片固定在可程控工件平台上，

输出激光脉冲光束的激光器，

光路系统，光路系统末端的激光加工头位于可程控的工件平台上方，所述光路系统使激光器和对准系统的对准光源在待修调MEMS陀螺芯片上的光点重合，

对准系统，所述对准系统包括对准光源、图像传感器、红外光源、红外图像传感器以及红外物镜，红外光源设置在激光加工头周围，其中图像传感器捕捉对准光源光束在待修调MEMS陀螺芯片上的投影图像，以便进行对准操作，其中红外图像传感器和红外物镜相对于红外光源置于待修调MEMS陀螺芯片的另一侧，用于捕捉红外图像进行对准判断；

测频模块，所述测频模块包括用于与待修调MEMS陀螺芯片的焊盘接触的探针，和用于提供激励信号和输出检测信号的锁相放大器；

控制计算机，用于控制可程控工件平台，接收和显示图像传感器和红外图像传感器的信号，以及控制锁相放大器输出激励信号和接收分别检测信号。

2.按照权利要求1所述的系统，其中所述MEMS陀螺芯片为硅玻璃三明治结构。

3.按照权利要求2所述的系统，其中所述硅玻璃三明治结构的顶层为硼硅玻璃的玻璃电极层，中间结构层为硅谐振结构层，底层为盖板层。

4.按照权利要求3所述的系统，其中所述硼硅玻璃为BF33硼硅玻璃或7740硼硅玻璃，所述盖板层的材料为硼硅玻璃或硅。

5.按照权利要求1所述的系统，其中MEMS陀螺芯片中质量块在修调位置处设有对准标记。

6.按照权利要求5所述的系统，其中所述对准标记为深度在1μm～10μm的盲槽，尺寸为10μm*10μm～200μm*400μm。

7.按照权利要求1所述的系统，其中所述光路系统设置有稳定激光器输出激光功率的功率计。

8.按照权利要求1所述的系统，其中MEMS陀螺芯片以平铺阵列形式，形成MEMS陀螺圆片。

9.按照权利要求1所述的系统，其中所述测频模块频率测试范围为50Hz～1MHz。

10.一种利用按照权利要求1所述的MEMS陀螺在线激光修调系统的MEMS陀螺在线激光修调方法，包括以下步骤：

1.对准

a)校准光路，保证激光修调的激光点与对准光源光点重合，

b)打开对准光源，使光点落在待修调MEMS陀螺芯片硅谐振结构层谐振质量块上表面的对准标记中心处，

c)打开红外对准光源，调整红外物镜，将红外图像聚焦在硅谐振结构层上表面，

d)打开激光器，调整焦距将修调激光逐渐下移，同时观察红外图像传感器成像，直到红外图像传感器成像出现黑点为止；

2.测频

a)使探针触及MEMS陀螺芯片中的相应焊盘上，确定导通无异常，

b)控制计算机控制锁相放大器输出激励信号到驱动电极焊盘，同时放大检测电极焊盘输出信号，分别测量MEMS陀螺芯片驱动模态频率和检测模态频率，

c)通过扫频获得MEMS陀螺芯片的频率信息，获得初始频率信息；

3.修调

a)激光器输出激光，通过激光加工头进行一个脉冲的修调，

b)进行第二轮测频，获得一组脉冲修调后的频率信息，通过计算差值预估该MEMS陀螺芯片频率与预设值的差距来设定修调脉冲数，

c)按照预设值进行修调，修调完成后，进行第三轮测频获得频率信息，确认频率达到修调目标，完成激光修调。

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