CN113252944B - 基于微型力矩器的石英挠性加速度计及其制造方法 - Google Patents

基于微型力矩器的石英挠性加速度计及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计及其制造方法，该加速度计包括石英挠性摆片，所述石英挠性摆片的上下侧均依次放置有永磁薄膜、电容极板和硅基线圈，从而使得所述石英挠性加速度计形成为以石英挠性摆片为对称中心、上下两侧对称的推挽式结构，整个加速度计呈扁平形状。该制造方法包括以下步骤：S1.微纳加工制备石英挠性摆片；S2.制备多极充磁的永磁薄膜；S3.微纳加工制备电容极板；S4.微纳加工制备硅基线圈；S5.集成石英挠性摆片、永磁薄膜、电容极板和硅基线圈从而形成加速度计。本发明能够缓解现有石英挠性加速度计中温度漂移问题，同时实现了器件制备与微纳工艺相兼容，有利于促进我国高精度、小型化的石英挠性加速度计的研制。

Description

基于微型力矩器的石英挠性加速度计及其制造方法
技术领域
本发明属于微纳传感器技术领域，具体涉及一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计及其制造方法。
背景技术
石英挠性加速度计作为国际上主流的工程应用加速度计，广泛应用于航天、航空、武器的导航和控制系统中。
传统的石英挠性加速度计包括上轭铁组件-石英摆组件-下轭铁组件三部分。上、下轭铁组件由磁钢、磁极帽和轭铁等零件组成，构成闭环磁路，提供气隙磁场；石英组件由石英摆片和粘结在双侧的力矩线圈组成。由于其轭铁组件零件繁多、关键结构件（石英摆片）和热源（力矩线圈）直接接触等原因，导致加速度计体积庞大、制备工艺周期长、温度漂移难以抑制等问题，限制了加速度计量程、精度和体积等各方面性能的协同提升。
2007年浙江大学宋开臣课题组直接在石英摆片双面光刻螺旋线圈，并使用该通电线圈代替磁钢提供磁场。2019年专利CN 109164273 A公开了一种基于硅基线圈的挠性加速度计，采用硅基线圈代替原有漆包线绕制线圈并用线圈垫块固定石英摆片两侧。上述两种结构虽然在一定程度上提升了器件稳定性，但均没有解决因关键结构件（石英摆片）和热源（力矩线圈）的接触导致的温度漂移问题；此外，两种结构的制备仍无法实现与微纳工艺的兼容。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计及其制造方法。
一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计，所述加速度计包括石英挠性摆片，所述石英挠性摆片的上下侧均依次放置有永磁薄膜、电容极板和硅基线圈，从而使得所述石英挠性加速度计形成为以石英挠性摆片为对称中心、上下两侧对称的推挽式结构，整个加速度计芯呈扁平形状；
其中，所述电容极板为单侧蒸镀Au金属层的硅片，硅片厚度不小于永磁薄膜的厚度，硅片中心开设镂空部，镂空部径向尺寸大于永磁薄膜径向尺寸；
石英挠性摆片上侧、下侧的电容极板的金属层与石英挠性摆片的摆舌两侧的金属层构成差分电容，检测摆舌运动位置；
所述永磁薄膜分别键合在石英摆片的摆舌两侧构成检测质量块；永磁薄膜和硅基线圈共同构成微型反馈力矩器，为加速度计提供电磁反馈力矩。
优选地，所述永磁薄膜为经过多极充磁的NdFeB或SmCo永磁薄膜。
优选地，所述永磁薄膜尺寸为8×8×0.5mm3。
优选地，所述永磁薄膜包括若干充磁单元，相邻充磁单元的N极和S极交替排列，形成棋盘状永磁薄膜的磁化图案。
优选地，每个充磁单元的厚度为500μm、径向尺寸为800μm。
所述硅基线圈为内嵌金属导线的硅片，其中金属导线为双层平面螺旋结构。
优选地，所述硅基线圈包含在硅片上制备的若干绕制单元，且绕制单元与永磁薄膜的充磁单元一一对应，相邻绕制单元的绕线方向呈顺时针/逆时针交替排列。每一个绕制单元共有8匝线圈，呈双层分布在硅片的上、下两侧，每侧4匝；同一层的绕制线圈呈边长渐变的同心、正方螺旋形状；上、下层之间的线圈由中心点穿通相连。
本发明还提供了一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1.微纳加工制备石英挠性摆片；
S2.制备多极充磁的永磁薄膜；
S3.微纳加工制备电容极板；
S4.微纳加工制备硅基线圈；
S5.集成石英挠性摆片、永磁薄膜、电容极板和硅基线圈，形成基于微型力矩器的石英挠性加速度计。
优选地，S2制备多极充磁的永磁薄膜，具体是：
S2.1：采用线切割和研磨工艺将永磁块体材料制备成永磁薄膜；
S2.2：使用充磁机在室温下将永磁薄膜沿平面法向磁化，完成单方向充磁；
S2.3：将磁化后的永磁薄膜在充磁机中调转180°；
S2.4：使用激光发生器，调节激光斑点尺寸，将激光斑点逐一照射在需要反向充磁的永磁薄膜区域上，利用激光局部加热永磁薄膜，完成激光加热区域的反相充磁，而激光未照射/加热区域仍保持步骤S2.2中的充磁方向，实现永磁薄膜的多极充磁。
优选地，其特征在于，S4使用微纳加工制备硅基线圈，具体是：
S4.1：正面光刻、腐蚀硅片，背面光刻、腐蚀硅片，形成双面带有若干个同心、正方螺旋形状沟槽的硅片；
S4.2：光刻、刻蚀硅片，将硅片双面的同心、正方螺旋形状沟槽的中心处贯通连接；
S4.3：电镀Cu填充硅片露出的沟槽和中心贯通处；
S4.4：研磨硅片，去除表面多余金属Cu，实现硅基线圈的制备。
本发明能够抑制现有石英挠性加速度计中关键结构和热源直接接触导致的温度漂移问题，同时实现了器件制备与微纳工艺相兼容，有利于促进我国高精度、小型化的石英挠性加速度计的研制。
附图说明
图1是基于微型力矩器的石英挠性加速度计的结构爆炸图；
图2是基于微型力矩器的石英挠性加速度计的结构剖面图；
图3是本发明经多极磁化的永磁薄膜截面磁化示意图；
图4是本发明硅基线圈的上、下层线圈剖切示意图；
图中，1.石英摆片 2.永磁薄膜 3.电容极板 4.硅基线圈。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-图2所示，本发明基于微型力矩器的石英挠性加速度计包括石英挠性摆片1，所述石英挠性摆片1的上下侧均依次放置有永磁薄膜2、电容极板3和硅基线圈4，从而使得所述石英挠性加速度计为以石英挠性摆片1为对称中心、上下两侧对称的推挽式结构，整个加速度计呈扁平形状；
其中，所述电容极板3为单侧蒸镀Au金属层的硅片，硅片厚度不小于永磁薄膜2的厚度，硅片中心开设镂空部，镂空部径向尺寸大于永磁薄膜径向尺寸；
石英挠性摆片1上侧、下侧的电容极板3的金属层与石英挠性摆片的摆舌两侧的金属层构成差分电容，检测摆舌运动位置；
所述永磁薄膜2分别键合在石英摆片的摆舌两侧构成检测质量块；永磁薄膜2和硅基线圈4共同构成微型反馈力矩器，为加速度计提供电磁反馈力矩。
优选地，所述永磁薄膜2为经过多极充磁的NdFeB或SmCo永磁薄膜。
优选地，所述永磁薄膜2尺寸为8×8×0.5mm3。
优选地，所述永磁薄膜2包括若干充磁单元，相邻充磁单元的N极和S极交替排列，形成棋盘状永磁薄膜的磁化图案。
优选地，每个充磁单元的厚度为500μm、径向尺寸为800μm。
优选地，所述硅基线圈4为内嵌金属导线的硅片，其中金属导线为双层平面螺旋结构。
优选地，所述硅基线圈4包含若干绕制单元，且绕制单元与永磁薄膜2的充磁单元一一对应，相邻绕制单元的绕线方向呈顺时针/逆时针交替排列；每一绕制单元共有8匝线圈，呈双层分布在硅片的上、下两侧，每侧4匝；同一层的绕制线圈呈边长渐变的同心、正方螺旋形状；上、下层之间的线圈由中心点穿通相连。
本发明还提供一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
S1.微纳加工制备石英挠性摆片1；
S2.制备多极充磁的永磁薄膜2；
S3.微纳加工制备电容极板3；
S4.微纳加工制备硅基线圈4；
S5. 石英挠性摆片1、永磁薄膜2、电容极板3和硅基线圈4的集成。
其中石英挠性摆片1由石英材料一体加工而成，外圆直径为Φ22.2mm，包含安装环、挠性梁和摆舌结构，S1.微纳加工制备石英挠性摆片具体制备方法是：
S1.1：落料、研磨单晶石英，制备圆形石英片；
S1.2：激光加工去除多余物料，露出挠性梁和摆舌基本结构；
S1.3：采用掩膜、腐蚀工艺露出双侧的安装凸台；
S1.4：采用掩膜、腐蚀工艺释放挠性梁；
S1.5：在摆舌两侧蒸发Au金属层，该金属层作为差分电容的一个电极层。
石英挠性摆片1的结构和制备工艺可直接沿用经典的石英挠性摆片设计和加工工艺。
其中永磁薄膜2尺寸为8×8×0.5mm3，包括若干充磁单元，相邻充磁单元的N极和S极交替排列（如图3所示），从而使永磁薄膜的磁化图案呈棋盘状结构；每个充磁单元的纵向尺寸为500μm、充磁单元沿径向的尺寸为800μm；永磁材料选取NdFeB或SmCo永磁体。
S2.制备多极充磁的永磁薄膜2具体制备方法为：
S2.1：采用线切割和研磨工艺将永磁块体材料制备成永磁薄膜，永磁薄膜厚度为亚毫米级；
S2.2：使用充磁机在室温下将永磁薄膜沿平面法向磁化，完成单方向充磁；
S2.3：将磁化后的永磁薄膜在充磁机中调转180°；
S2.4：使用激光发生器，调节激光斑点尺寸，将激光斑点逐一照射在需要反向充磁的永磁薄膜区域上，利用激光局部加热永磁薄膜，完成激光加热区域的反相充磁，而激光未照射/加热区域仍保持S2.2中的充磁方向，实现永磁薄膜的多极充磁。
其中电容极板3为单侧蒸镀Au金属层的硅片，硅片厚度不小于永磁薄膜2的厚度；硅片中心开设镂空部，硅片镂空部径向尺寸大于永磁薄膜2径向尺寸，为永磁薄膜2预留可运动的空间。S3.微纳加工制备电容极板3具体制备方法是：
S3.1：采用光刻、刻蚀/腐蚀硅片，制备电容极板的镂空部；
S3.2：在硅片的某一面蒸发Au金属层，该金属层作为差分电容中的电极层；实现电容极板3的制备。
其中硅基线圈4为内嵌金属导线的硅片，其中金属导线为双层平面螺旋结构；硅基线圈4包含若干绕制单元，且绕制单元与永磁薄膜2的充磁单元一一对应，相邻绕制单元的绕线方向呈顺时针/逆时针交替排列。每一个绕制单元共有8匝线圈，呈双层分布在硅片的上、下两侧，每侧4匝；同一层的绕制线圈呈边长渐变的同心、正方螺旋形状；上、下层之间的线圈由中心点穿通相连，如图4所示。S4.微纳加工制备硅基线圈4具体制备方法是：
S4.1：光刻、腐蚀硅片，背面光刻、腐蚀硅片，形成双面带有若干个同心、正方螺旋形状沟槽的硅片；
S4.2：光刻、刻蚀硅片，将硅片双面的同心、正方螺旋形状沟槽的中心处贯通连接；
S4.3：电镀Cu填充硅片露出的沟槽和中心贯通处；
S4.4：研磨硅片，去除表面多余金属Cu，实现硅基线圈4的制备。
其中S5. 石英挠性摆片1、永磁薄膜2、电容极板3和硅基线圈4的集成，实现石英挠性加速度计整个结构的形成，具体实施方法是：
S5.1：采用光学方法将石英挠性摆片1的摆舌中心点和永磁薄膜2的质心对准并键合，键合方式为金属共晶键合；采用同样方法将另一个永磁薄膜2对准并键合在石英挠性摆片1的另一侧；两个永磁薄膜2和石英挠性摆片1中的摆舌共同构成检测质量块；
S5.2：采用光学方法将两个电容极板3分别对准并键合在石英挠性摆片1两侧：定位对准需保证两侧永磁薄膜2处于各自电容极板3的镂空部，且两侧电容极板3的金属层面向石英挠性摆片1，构成电容极板-石英挠性摆片摆舌-电容极板的差分电容结构；键合方式为金属共晶键合。
S5.3：采用光学方法将硅基线圈4的绕制单元与永磁薄膜2的充磁单元对准，使硅基线圈4和永磁薄膜2共同构成微型反馈力矩器；并将硅基线圈4与电容极板3键合，键合方式为金属共晶键合。采用同样方法对准并键合石英挠性摆片1的另一侧硅基线圈4。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、永磁薄膜采用微米量级的多极充磁提升了永磁材料利用率，缩小了提供同量级磁感应强度所需的永磁材料质量，将石英摆片和永磁材料的集成变为可能。此结构最大化地隔绝了线圈焦耳热对石英摆片的影响，有助于抑制温度漂移现象。
2、本发明制备技术兼容微纳工艺，可降低了零件间的尺寸和定位偏差，不但可以加速度计的稳定性和良品率，而且可以大幅缩短产品制备工期。
3、采用本发明的石英挠性加速度计，其体积可缩小为传统结构的1/5，易于产品小型化，符合未来加速度计的发展趋势。

Claims (10)

1.一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计，其特征在于，所述加速度计包括石英挠性摆片（1），所述石英挠性摆片（1）的上下侧均依次放置有经多极充磁的永磁薄膜（2）、电容极板（3）和硅基线圈（4），从而使得所述石英挠性加速度计形成为以石英挠性摆片（1）为对称中心、上下两侧对称的推挽式结构，整个加速度计呈扁平形状；
其中，所述电容极板（3）为单侧蒸镀Au金属层的硅片，硅片厚度不小于永磁薄膜（2）的厚度，硅片中心开设镂空部，镂空部径向尺寸大于永磁薄膜径向尺寸；
石英挠性摆片（1）上侧、下侧的电容极板（3）的金属层与石英挠性摆片的摆舌两侧的金属层构成差分电容，检测摆舌运动位置；
所述永磁薄膜（2）分别键合在石英摆片的摆舌两侧构成检测质量块；永磁薄膜（2）和硅基线圈（4）共同构成微型反馈力矩器，为加速度计提供电磁反馈力矩；
所述永磁薄膜（2）包括若干充磁单元，相邻充磁单元的N极和S极交替排列；所述硅基线圈（4）为内嵌金属导线的硅片；所述硅基线圈（4）包含若干绕制单元，且绕制单元与永磁薄膜（2）的充磁单元一一对应。
2.如权利要求1所述的基于微型力矩器的石英挠性加速度计，其特征在于，所述永磁薄膜（2）为经过多极充磁的NdFeB或SmCo永磁薄膜。
3.如权利要求1所述的基于微型力矩器的石英挠性加速度计，其特征在于，所述永磁薄膜（2）尺寸为8×8×0.5mm3。
4.如权利要求1或2所述的基于微型力矩器的石英挠性加速度计，其特征在于，所述永磁薄膜（2）包括若干充磁单元，相邻充磁单元的N极和S极交替排列，形成棋盘状永磁薄膜的磁化图案。
5.如权利要求4所述的基于微型力矩器的石英挠性加速度计，其特征在于，每个充磁单元的厚度为500μm、径向尺寸为800μm。
6.如权利要求1所述的基于微型力矩器的石英挠性加速度计，其特征在于，所述硅基线圈（4）为内嵌金属导线的硅片，其中金属导线为双层平面螺旋结构。
7.如权利要求6所述的基于微型力矩器的石英挠性加速度计，其特征在于，所述硅基线圈（4）包含在硅片上制备的若干绕制单元，且绕制单元与永磁薄膜（2）的充磁单元一一对应，相邻绕制单元的绕线方向呈顺时针/逆时针交替排列；每一绕制单元共有8匝线圈，呈双层分布在硅片的上、下两侧，每侧4匝；同一层的绕制线圈呈边长渐变的同心、正方螺旋形状；上、下层之间的线圈由中心点穿通相连。
8.一种根据权利要求1-7任意一项所述的基于微型力矩器的石英挠性加速度计的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1.微纳加工制备石英挠性摆片（1）；
S2.制备多极充磁的永磁薄膜（2）；
S3.微纳加工制备电容极板（3）；
S4.微纳加工制备硅基线圈（4）；
S5.集成石英挠性摆片（1）、永磁薄膜（2）、电容极板（3）和硅基线圈（4），形成基于微型力矩器的石英挠性加速度计。
9.如权利要求8所述的基于微型力矩器的石英挠性加速度计的制备方法，其特征在于，S2制备多极充磁的永磁薄膜，具体是：
S2.1：采用线切割和研磨工艺将永磁块体材料制备成永磁薄膜；
S2.2：使用充磁机在室温下将永磁薄膜沿平面法向磁化，完成单方向充磁；
S2.3：将磁化后的永磁薄膜在充磁机中调转180°；
S2.4：使用激光发生器，调节激光斑点尺寸，将激光斑点逐一照射在需要反向充磁的永磁薄膜区域上，利用激光局部加热永磁薄膜，完成激光加热区域的反相充磁，而激光未照射/加热区域仍保持S2.2中的充磁方向，实现永磁薄膜的多极充磁。
10.如权利要求8所述的基于微型力矩器的石英挠性加速度计的制备方法，其特征在于，S4使用微纳加工制备硅基线圈（4），具体是：
S4.1：正面光刻、腐蚀硅片，背面光刻、腐蚀硅片，形成双面带有若干个同心、正方螺旋形状沟槽的硅片；
S4.2：光刻、刻蚀硅片，将硅片双面的同心、正方螺旋形状沟槽的中心处贯通连接；
S4.3：电镀Cu填充硅片露出的沟槽和中心贯通处；
S4.4：研磨硅片，去除表面多余金属Cu，实现硅基线圈（4）的制备。
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