石英振梁加速度計及其製作方法

2023-10-08 06:12:09

專利名稱：石英振梁加速度計及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種加速度計及其製作方法，尤其涉及一種石英振梁加速度計及其製作方法。
背景技術：
石英振梁加速度計技術自問世以來就一直是慣導儀表的一個重要發展方向，受到世界各國的普遍關注。它是將力敏石英振動梁作為敏感元件，能直接輸出數位訊號(頻率)，避免了 Α/D轉換引入的速度增量誤差。它在成本、體積、功耗、重量、精度等方面具有突出優點，在諸如軍工、衛星、勘探等中高精度領域有著廣泛的應用前景。它的工作原理是通過質量塊把被測量的加速度轉化為慣性力作用到基於面內彎曲振動的振梁軸向方向上，從而引起振梁諧振頻率發生變化，再通過諧振電路檢測振梁諧振頻率的變化即可以完成加速度量的測量；雙端固定音叉是振梁的一種，又被成為雙梁，兩根梁以180度相位差反向振動，相互抵消了在連接處產生的力和力矩，防止振動能量洩露到連接底座上，因此具有很高的品質因數；同時，由於石英晶體材料本身具有很高的品質因數，又具有壓電效應，不需要額外的結構即可激勵起雙梁的振動；因此，基於石英雙梁的振梁結構在高精度振梁加速度計中得到廣泛應用。從結構上分，石英振梁加速度計又分為整體式與分體式，分體式結構由振梁和質量-撓性結構組成，質量-撓性結構包括質量塊，固定底座以及連接二者的柔彈性鉸鏈，振梁的一端固定在質量塊上，另一端固定在底座上，由于振梁與質量-撓性結構分別製作，製作工藝簡單，容易實現高靈敏的振梁，以及高精度的加速度計。分體式結構對振梁與質量-撓性結構的裝配精度要求極高，相對位置、方向的偏差(錯位)既影響加速度計的靈敏度又會增大交叉軸向的靈敏度。目前的分體式振梁加速度計主要採用膠粘接等裝配方式，這對裝配機器以及人員的要求很高，因此裝配效果不夠理想，例如加速度計的精度不高、成品率低、生產成本高等。

發明內容
發明目的:本發明的目的是提供一種能克服現裝配工藝中錯位問題、有效消除材料間線膨脹係數差異帶來的溫度漂移，能夠提高測量精度的石英振梁加速度計；同時，本發明的另一目的是提供該石英振梁加速度計的製作方法。技術方案:本發明所述的石英振梁加速度計包括石英振梁和質量撓性結構，其中，質量撓性結構包括通過撓性鉸鏈相連的底座和質量塊，石英振梁的兩端分別固定在底座和質量塊上，具體是在石英振梁兩端、底座和質量塊上各設焊盤，對應位置的焊盤之間通過金屬合金鍵合裝配，同時在與底座相對應的焊盤上連接激勵電極。所述石英振梁的厚度小於質量-撓性結構的厚度，所述底座和質量塊的厚度相同，所述撓性鉸鏈的厚度小於質量塊的厚度，同時撓性鉸鏈與底座、質量塊的中心線一致。所述質量-撓性結構的材質為石英，可以有效消除材料間線膨脹係數差異帶來的溫度漂移，提高測量精度。
所述石英振梁為雙梁結構。所述焊盤為金屬薄膜焊盤，所述激勵電極為金屬薄膜激勵電極。發明的石英振梁加速度計的製作方法為:質量-撓性結構採用基於光刻技術、溼法腐蝕的微加工技術製作，在底座與質量塊表面預留金屬薄膜焊盤；石英振梁也採用基於光刻技術、溼法腐蝕的微加工技術製作，振梁的兩端連接固定處設有金屬焊盤圖案，其位置與大小分別與質量-撓性結構的焊盤相對應，其中，與底座焊盤相對應的振梁端焊盤金屬圖案在電氣上與振梁激勵電極金屬薄膜圖案相連。石英振梁與質量-撓性結構經由金屬合金材料利用回流焊工藝焊接，振梁與質量-撓性結構間的間隙大小可以通過焊盤大小、焊接合金材料的量調整，在倒裝焊接後，在焊接點處可以通過注入粘性固定底膠進一步加固振梁與質量-撓性結構的連接強度。有益效果:本發明與現有技術相比，其優點在於石英振梁加速度計的振梁、質量-撓性結構均採用石英材料、石英微加工工藝製作，具有加工精度高，焊盤位置、尺寸對應關係好的優點並消除了材料間熱膨脹係數差異帶來的溫度誤差。回流焊工藝的鍵合工藝在焊接材料融化、再凝固的過程中，由於表面張力作用，具有自調整振梁與質量-撓性結構焊盤對應位置的作用，因此，具有裝配精度高、重複性好、裝配工藝簡單的優點。倒裝鍵合技術起源於集成電路與封裝盒或印刷電路板的裝配技術，利用該技術同時完成機械固定和電氣連接，具有高密度、小體積和高性能的優點。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明雙梁振梁的結構示意圖；圖3為本發明的鍵合工藝流程圖。
具體實施方式
:如圖1所示，本發明的石英振梁加速度計由石英振梁I與質量-撓性結構2組成，其中，質量-撓性結構2由底座4、撓性鉸鏈3和質量塊5構成的一體式結構，石英振梁I與質量-撓性結構2經由金屬合金材料10鍵合裝配。石英振梁、質量-撓性結構分別採用不同厚度的石英晶片分別製作，採用厚度小的石英晶片製作振梁以提高振梁的力頻效應；採用厚度大的石英晶片製作質量-撓性結構，以獲得足夠大的質量，產生較大的慣性力，進而通過撓性結構的變形，提供足夠大的軸向力于振梁結構；質量塊的厚度與底座厚度相同，撓性結構的厚度遠小於質量塊厚度，但其中心線一致。該加速度計檢測與質量塊平面垂直方向的加速度信息，質量塊在加速度作用下產生慣性力，從而造成柔性鉸鏈3的彎曲變形，該變形將對石英振梁I產生軸向的拉力或壓力，增大或減小振梁的諧振頻率，通過諧振電路測得石英振梁的諧振頻率變化，可得加速度信息。如圖2所示，在石英振梁I的兩端固分別有兩個金屬薄膜焊盤6和兩個金屬薄膜焊盤7，其中，焊盤6與石英振梁I上的兩個金屬薄膜激勵電極相連。因此，通過焊盤6與質量-撓性結構的底座4上焊盤8的鍵合，把振梁的激勵電極引導至底座上。焊盤7與焊盤9相鍵合，完成振梁另一端與質量塊的固定裝配。本發明的鍵合工藝為:
第一步，選用厚度為50 μ m-100 μ m的石英晶片製作石英振梁1: (a)用硫酸雙氧水清洗石英晶片，然後依次濺射鉻、金薄膜，作為石英腐蝕時的保護膜；(b)利用兩面光刻工藝製作石英振梁的結構圖案，並腐蝕金、鉻金屬薄膜，去除光刻膠；(C)利用光刻工藝製作石英振梁兩端焊盤和激勵電極的圖案；(d)用氟化氫銨腐蝕石英，然後腐蝕金、鉻薄膜，去除光刻膠；第二步:選用厚度為300 μ m-500 μ m的石英晶片製作質量_撓性結構2: (a)用硫酸雙氧水清洗石英晶片，然後依次濺射鉻、金薄膜，作為石英腐蝕時的保護膜；(b)利用兩面光刻工藝製作質量-撓性結構的結構圖案，並腐蝕金、鉻金屬薄膜，去除光刻膠；(C)利用光刻工藝製作各焊盤的圖案；(d)用氟化氫銨腐蝕石英，然後腐蝕金、鉻薄膜，以去除光刻膠；第三步:鍵合裝配石英振梁與質量-撓性結構，如圖3:(1)利用合金材料例如金錫合金(AuSn)通過回流焊工藝在質量-撓性結構2的焊盤上製作焊點；(2)把石英振梁I反轉，使其兩端的焊盤6、7分別與質量-撓性結構的底座和質量塊上的焊盤8、9對置，此時，允許有少許錯位，但應保證焊點合金材料與石英振梁I上的焊盤接觸；(3)再次通過回流焊工藝融化焊點合金材料，融化後的合金材料覆蓋石英振梁I上的焊盤表面，由於表面張力作用，在合金材料冷卻過程中把石英振梁I上的焊盤拉到與底座、質量塊的焊盤精確對應的位置，裝配工藝即完成。其中，在分步驟(a)、(c)中使用助焊劑，可以注入粘性固定底膠進一步加固石英振梁與質量-撓性結構的連接強度。
權利要求
1.一種石英振梁加速度計，其特徵在於:包括石英振梁(I)和質量-撓性結構(2);其中，質量-撓性結構(2)包括通過撓性鉸鏈(3)相連的底座(4)和質量塊(5)，石英振梁(I)兩端各設焊盤(6)和焊盤(7)，底座(4)上設焊盤(8)，質量塊(5)上設焊盤(9)，焊盤(6)、焊盤(7)通過金屬合金(10)分別與焊盤(8)、焊盤(9)鍵合裝配，同時，在焊盤(6)上連接激勵電極。
2.根據權利要求1所述的石英振梁加速度計，其特徵在於:所述石英振梁(I)的厚度小於質量-撓性結構⑵的厚度，所述底座⑷和質量塊(5)的厚度相同，所述撓性鉸鏈(3)的厚度小於質量塊的厚度，同時撓性鉸鏈(3)與底座(4)、質量塊(5)的中心線一致。
3.根據權利要求1所述的石英振梁加速度計，其特徵在於:所述質量-撓性結構(2)的材質為石英。
4.根據權利要求1所述的石英振梁加速度計，其特徵在於:所述石英振梁(I)為雙梁結構。
5.根據權利要求1所述的石英振梁加速度計，其特徵在於:所述焊盤為金屬薄膜焊盤，所述激勵電極為金屬薄膜激勵電極。
6.根據權利要求1所述石英振梁加速度計的製作方法，其特徵在於:包括以下步驟: (1)製作石英振梁(1):(a)清洗石英晶片，然後依次濺射鉻、金薄膜，作為石英腐蝕時的保護膜；(b)利用兩面光刻工藝製作石英振梁(I)的結構圖案，並腐蝕金、鉻金屬薄膜，去除光刻膠；(C)利用光刻工藝製作石英振梁(I)兩端焊盤和激勵電極的圖案；(d)腐蝕石英，然後腐蝕金、鉻薄膜，以去除光刻膠； (2)製作質量-撓性結構(2):(a)清洗石英晶片，然後依次濺射鉻、金薄膜，作為石英腐蝕時的保護膜；(b)利用兩面光刻工藝製作質量-撓性結構(2)的結構圖案，並腐蝕金、鉻金屬薄膜，去除光刻膠；(C)利用光刻工藝製作各焊盤的圖案；(d)腐蝕石英，然後腐蝕金、鉻薄膜，去除光刻膠； (3)鍵合裝配石英振梁(1)與質量-撓性結構(2):(a)利用合金材料通過回流焊工藝在質量-撓性結構(2)的焊盤上製作焊點；(b)把石英振梁(1)反轉，使其焊盤(6)、焊盤(7)分別與質量-撓性結構(2)的焊盤(8)、焊盤(9)對置，此時，應保證焊點合金材料與焊盤(6)、焊盤(7)接觸；(c)再次通過回流焊工藝融化焊點合金材料，融化後的合金材料覆蓋焊盤￠)、焊盤(7)表面，由於表面張力作用，在合金材料冷卻過程中把焊盤￠)、焊盤(7)拉到與焊盤(8)、焊盤(9)精確對應的位置，裝配工藝即完成。
7.根據權利要求6所述石英振梁加速度計的製作方法，其特徵在於:步驟(I)或步驟(2)中採用硫酸雙氧水對石英晶片洗淨。
8.根據權利要求6所述石英振梁加速度計的製作方法，其特徵在於:步驟(I)或步驟(2)採用氟化氫銨溶液對石英、金、鉻薄膜腐蝕。
9.根據權利要求6所述石英振梁加速度計的製作方法，其特徵在於:步驟(I)中製作石英振梁⑴的石英晶片厚度為50μπι-100μπι;步驟⑵中製作質量-撓性結構(2)的石英晶片的厚度為300 μ m-500 μ m。
10.根據權利要求6所述石英振梁加速度計的製作方法，其特徵在於:步驟(3)的分步驟(a)、(C)中使用助焊劑。
全文摘要
本發明公開了一種石英振梁加速度計及其製作方法，該石英振梁加速度計包括石英振梁和質量-撓性結構，其中，質量-撓性結構包括通過撓性鉸鏈相連的底座和質量塊，在石英振梁兩端、底座和質量塊上各設焊盤，對應位置的焊盤之間通過金屬合金鍵合裝配，同時在與底座相對應的焊盤上連接激勵電極；本發明的製作方法包括光刻技術、溼法腐蝕的微加工技術製作以及回流焊工藝。本發明的優點在於石英振梁加速度計具有加工精度高，焊盤位置、尺寸對應關係好，同時裝配精度高、重複性好、裝配工藝簡單。
文檔編號B81C1/00GK103116037SQ20131002085
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月21日 優先權日2013年1月21日
發明者梁金星, 張儷園, 崔粟晉, 孟廣嬋 申請人:東南大學