[發明專利]一種基于金金鍵合的石英振梁加速度計敏感芯片

有效

• 申請號: 201710567179.2
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107478862B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 楊挺;陳艷;楊貴玉;楊雅榮;劉平;金小鋒
• 申請（專利權）人: 北京遙測技術研究所;航天長征火箭技術有限公司
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 李晶堯

一種基于金金鍵合的石英振梁加速度計敏感芯片，涉及石英振梁加速度計敏感芯片加工領域；每個敏感芯片包括敏感單元層、上防護單元層和下防護單元層；上防護單元層設置在敏感單元層的上表面，下防護單元層設置在敏感單元層的上表面；敏感單元層上表面安裝有第一密封環，下表面固定安裝有第二密封環；上防護單元層下表面固定安裝有第三密封環；下防護單元層的上表面固定安裝有第四密封環；上防護單元層的一側對稱設置有兩個方孔；下防護單元層的上表面在對應位置對稱設置有兩個凸臺；本發明有效解決了氣密封裝與內部電極引出難以兼容的矛盾；同時具有優良的可移植性，可推廣至其他以石英、硅、玻璃等材料作為基材的MEMS器件制備工藝中。

技術領域

本發明涉及一種石英振梁加速度計敏感芯片氣密封裝領域，特別是一種基于金金鍵合的石英振梁加速度計敏感芯片。

背景技術

石英振梁加速度計是一種利用諧振式測量原理，將被測加速度轉換成石英振梁固有頻率變化的傳感器，因其具有大量程、高精度、小體積、低功耗、準數字輸出等優勢在低成本組合導航系統、天線平臺穩定系統、石油鉆井、地震測量等領域有著廣泛的應用。

從敏感芯片結構上分類，石英振梁加速度計包括一體式和分體式兩種，其中分體式主要采用石英振梁與金屬擺片結構粘接而成，其典型產品為美國Honeywell公司的RBA500，由于石英材料與金屬擺片熱膨脹系數存在差異，限制了其在全溫范圍內工作的穩定性和重復性，目前分體式石英振梁加速度計發展方向是采用石英擺片代替金屬擺片構成全石英結構；一體式結構的主要特點為振梁和擺片通過MEMS加工工藝在同一石英敏感芯片上制備而成，具有小體積、低成本、重復性好等優勢，是石英振梁加速度計的重要發展方向，其典型產品為法國Thales公司的A100和Sagem公司的AD301；專利201420020970.3在傳統經典一體式石英振梁加速度計敏感芯片結構的基礎上，進一步增加了上下防護限位單元，旨在實現高靈敏度和惡劣力學環境適應性的統一，該方案是目前國內一體式石英振梁加速度計的主流結構。

目前一體式石英振梁加速度計敏感芯片的氣密封裝工藝以芯片為單位，包括多層微結構裝配、貼片、引線、密封等工序，與以敏感芯片為單位的MEMS前道加工工藝如光刻、刻蝕等相比，封裝工藝的生產和篩選效率提升空間有限；敏感芯片微結構裝配主要為敏感單元和上下防護單元的裝配，目前通常采用環氧膠粘接的方式，限制了敏感芯片的重復性和長期可靠性，同時由于環氧膠固化前具有流動性，可能導致各層間發生側滑，由此導致層間對準精度較差；敏感芯片的密封可以減少環境的干擾，保證芯片工作在穩定的諧振狀態，部分廠商如法國Thales、Sagem等采用真空密封進一步提高敏感芯片的Q值以實現優異的零偏穩定性和分辨率指標，封裝方法主要基于金屬管殼真空焊接工藝，該方法技術成熟度高，但基于切削或沖壓獲得的金屬管殼尺寸較大，明顯弱化了一體式石英振梁加速度計敏感芯片的小型化、集成化優勢。

針對傳統的“芯片級”封裝工藝的不足，法國宇航局ONERA提出基于石英-硅熔融鍵合技術的“敏感芯片級”封裝工藝，即以敏感芯片為單位實現敏感芯片封裝，將MEMS批量化生產的優勢拓展至封裝階段，同時可以實現石英敏感芯片與硅微芯片的混合集成，但是該方案存在三個主要問題：第一，石英-硅熔融鍵合技術對于敏感芯片表面粗糙度和潔凈度的要求極高，經過前續工藝以后的敏感芯片較難滿足；第二，石英和硅材料熱膨脹系數差異大，限制了敏感芯片的全溫穩定性；第三，內部電極引出和真空密封的矛盾不易解決，即內部電極穿過石英-硅鍵合密封環將對低漏率真空密封產生挑戰。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種基于金金鍵合的石英振梁加速度計敏感芯片，有效解決了氣密封裝與內部電極引出難以兼容的矛盾；通過晶片級鍵合工藝實現了批量化加工；同時具有優良的可移植性，可推廣至其他以石英、硅、玻璃等材料作為基材的MEMS器件制備工藝中。

本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的：