[發明專利]基于QoS工藝的加速度計芯片及加工工藝和加速度計

有效

• 申請號: 201811626393.1
• 申請日: 2018-12-28
• 公開（公告）號: CN109765404B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 李村;韓超;趙玉龍;李波;張全偉;白冰
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明提供基于QoS工藝的加速度計芯片及加工工藝和加速度計，芯片包括鍵合在硅基結構兩側的第一、第二石英結構，石英結構包括石英框架、雙端固定石英音叉、石英支撐梁和石英質量塊，硅基結構包括硅基框架和硅質量塊；在石英框架和硅基框架處，以及石英質量塊和硅質量塊處完全鍵合，形成第一石英結構、硅基結構、第二石英結構的三明治形式；加工工藝是先進行硅基初加工，再進行硅基和兩個石英片雙面鍵合，兩個石英片減薄和拋光，然后進行石英振梁電極及石英結構的制作，最后進行硅基結構的釋放。本發明具有靈敏度高、成本低等特點。

技術領域

本發明屬于微機械電子(MEMS)數字式加速度計技術領域，具體涉及基于QoS(Quartz on Silicon)工藝的Z向敏感石英振梁加速度計芯片及加工工藝和加速度計。

背景技術

傳統的石英振梁式加速度計受石英加工工藝的限制，只能采用濕法腐蝕工藝實現一體化石英結構的加工，而濕法腐蝕對于精度控制較差，難以實現微型化高精度復雜結構的精確可靠加工。另外一種解決方法是，采用石英振梁和其它基底材料相結合的分體式結構，石英振梁作為敏感元件，其它基底材料用來加工彈性元件，常用的基底材料有硅和金屬等。分體式結構的一般加工流程為：先通過濕法腐蝕石英片獲得石英振梁，然后微加工硅片或者線切割金屬材料等得到基底彈性部件，最后將制作好的兩個部件以膠粘的方式結合到一起。這種方法的缺點在于：石英濕法腐蝕精度較低，難以把結構做??；其次，獨立加工后再微裝配會引入裝配誤差，裝配一般采用膠粘的方式，而這種方法很難保證兩根振梁的狀態完全一致，往往由于粘貼導致兩根梁之間存在較大的差異，從而大大降低了差動的效果，且膠中含有的水汽等雜質也會對加速度計的精度和穩定性產生影響；此外，分體式加工方法得到的芯片由于兩種材料的熱膨脹系數差異較大，當外界環境溫度變化時，石英振梁軸向產生熱應力，導致加速度計輸出產生溫漂。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供基于QoS工藝的Z向敏感石英振梁加速度計芯片及加工工藝和加速度計，Z向為加速度計芯片的厚度方向，能夠獲得小而精確的加速度計。

本發明是通過以下技術方案來實現：

基于QoS工藝的Z向敏感石英振梁加速度計芯片，自上而下依次包括第一石英結構、硅基結構和第二石英結構；第一石英結構和第二石英結構結構相同；

第一石英結構包括石英框架、雙端固定石英音叉、石英支撐梁和石英質量塊；石英支撐梁和雙端固定石英音叉平行設置；石英質量塊位于石英框架內，石英支撐梁的一端連接石英質量塊，另一端連接石英框架；雙端固定石英音叉的一端連接石英質量塊，另一端連接石英框架；石英框架與石英質量塊之間形成石英刻蝕槽；

硅基結構包括硅基框架和硅質量塊，硅質量塊位于硅基框架內，硅質量塊與硅基框架之間形成硅釋放槽和硅基刻蝕槽；

硅基框架與兩側的石英框架分別對應并鍵合連接，硅質量塊與兩側的石英質量塊分別對應并鍵合連接，硅釋放槽為第一石英結構和第二石英結構的雙端固定石英音叉和石英支撐梁提供可動空間。

優選的，石英支撐梁設置兩根，兩根石英支撐梁對稱布置在雙端固定石英音叉的兩側。

優選的，石英框架為矩形框結構，石英質量塊為矩形結構，且石英框架和石英質量塊的各矩形邊對應平行；硅基框架為矩形框結構，硅質量塊為矩形結構，且硅基框架和硅質量塊各矩形邊對應平行。

進一步的，硅基框架的長度和寬度與石英框架的長度和寬度分別相同，硅質量塊的長度和寬度與石英質量塊的長度和寬度分別相同，硅釋放槽的長度與石英支撐梁的長度相同，硅基刻蝕槽的寬度與石英刻蝕槽(8)的寬度相同。

進一步的，石英支撐梁設置兩根，兩根石英支撐梁分別位于石英質量塊相對的兩矩形邊的延長線上。

優選的，第一石英結構的厚度為10-50μm。

優選的，硅基結構的厚度為100-500μm。