專利名稱：石英振梁加速度計及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加速度計及其制作方法，尤其涉及一種石英振梁加速度計及其制作方法。
背景技術(shù)：
石英振梁加速度計技術(shù)自問世以來就一直是慣導(dǎo)儀表的一個重要發(fā)展方向，受到世界各國的普遍關(guān)注。它是將力敏石英振動梁作為敏感元件，能直接輸出數(shù)字信號(頻率)，避免了 Α/D轉(zhuǎn)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(yōu)點，在諸如軍工、衛(wèi)星、勘探等中高精度領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。它的工作原理是通過質(zhì)量塊把被測量的加速度轉(zhuǎn)化為慣性力作用到基于面內(nèi)彎曲振動的振梁軸向方向上，從而引起振梁諧振頻率發(fā)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(chǎn)生的力和力矩，防止振動能量泄露到連接底座上，因此具有很高的品質(zhì)因數(shù)；同時，由于石英晶體材料本身具有很高的品質(zhì)因數(shù)，又具有壓電效應(yīng)，不需要額外的結(jié)構(gòu)即可激勵起雙梁的振動；因此，基于石英雙梁的振梁結(jié)構(gòu)在高精度振梁加速度計中得到廣泛應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)上分，石英振梁加速度計又分為整體式與分體式，分體式結(jié)構(gòu)由振梁和質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)組成，質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)包括質(zhì)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(zhì)量塊上，另一端固定在底座上，由于振梁與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)分別制作，制作工藝簡單，容易實現(xiàn)高靈敏的振梁，以及高精度的加速度計。分體式結(jié)構(gòu)對振梁與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)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采用膠粘接等裝配方式，這對裝配機(jī)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(chǎn)成本高等。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種能克服現(xiàn)裝配工藝中錯位問題、有效消除材料間線膨脹系數(shù)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(fā)明的另一目的是提供該石英振梁加速度計的制作方法。技術(shù)方案:本發(fā)明所述的石英振梁加速度計包括石英振梁和質(zhì)量撓性結(jié)構(gòu)，其中，質(zhì)量撓性結(jié)構(gòu)包括通過撓性鉸鏈相連的底座和質(zhì)量塊，石英振梁的兩端分別固定在底座和質(zhì)量塊上，具體是在石英振梁兩端、底座和質(zhì)量塊上各設(shè)焊盤，對應(yīng)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(yīng)的焊盤上連接激勵電極。所述石英振梁的厚度小于質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)的厚度，所述底座和質(zhì)量塊的厚度相同，所述撓性鉸鏈的厚度小于質(zhì)量塊的厚度，同時撓性鉸鏈與底座、質(zhì)量塊的中心線一致。所述質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為石英，可以有效消除材料間線膨脹系數(shù)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(jié)構(gòu)。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(fā)明的石英振梁加速度計的制作方法為:質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)采用基于光刻技術(shù)、濕法腐蝕的微加工技術(shù)制作，在底座與質(zhì)量塊表面預(yù)留金屬薄膜焊盤；石英振梁也采用基于光刻技術(shù)、濕法腐蝕的微加工技術(shù)制作，振梁的兩端連接固定處設(shè)有金屬焊盤圖案，其位置與大小分別與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)的焊盤相對應(yīng)，其中，與底座焊盤相對應(yīng)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(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)經(jīng)由金屬合金材料利用回流焊工藝焊接，振梁與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)間的間隙大小可以通過焊盤大小、焊接合金材料的量調(diào)整，在倒裝焊接后，在焊接點處可以通過注入粘性固定底膠進(jìn)一步加固振梁與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度。有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點在于石英振梁加速度計的振梁、質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)均采用石英材料、石英微加工工藝制作，具有加工精度高，焊盤位置、尺寸對應(yīng)關(guān)系好的優(yōu)點并消除了材料間熱膨脹系數(shù)差異帶來的溫度誤差?；亓骱腹に嚨逆I合工藝在焊接材料融化、再凝固的過程中，由于表面張力作用，具有自調(diào)整振梁與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)焊盤對應(yīng)位置的作用，因此，具有裝配精度高、重復(fù)性好、裝配工藝簡單的優(yōu)點。倒裝鍵合技術(shù)起源于集成電路與封裝盒或印刷電路板的裝配技術(shù)，利用該技術(shù)同時完成機(jī)械固定和電氣連接，具有高密度、小體積和高性能的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明雙梁振梁的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的鍵合工藝流程圖。
具體實施方式
:如圖1所示，本發(fā)明的石英振梁加速度計由石英振梁I與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)2組成，其中，質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)2由底座4、撓性鉸鏈3和質(zhì)量塊5構(gòu)成的一體式結(jié)構(gòu)，石英振梁I與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)2經(jīng)由金屬合金材料10鍵合裝配。石英振梁、質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)分別采用不同厚度的石英晶片分別制作，采用厚度小的石英晶片制作振梁以提高振梁的力頻效應(yīng)；采用厚度大的石英晶片制作質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)，以獲得足夠大的質(zhì)量，產(chǎn)生較大的慣性力，進(jìn)而通過撓性結(jié)構(gòu)的變形，提供足夠大的軸向力于振梁結(jié)構(gòu)；質(zhì)量塊的厚度與底座厚度相同，撓性結(jié)構(gòu)的厚度遠(yuǎn)小于質(zhì)量塊厚度，但其中心線一致。該加速度計檢測與質(zhì)量塊平面垂直方向的加速度信息，質(zhì)量塊在加速度作用下產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)的底座4上焊盤8的鍵合，把振梁的激勵電極引導(dǎo)至底座上。焊盤7與焊盤9相鍵合，完成振梁另一端與質(zhì)量塊的固定裝配。本發(fā)明的鍵合工藝為:
第一步，選用厚度為50 μ m-100 μ m的石英晶片制作石英振梁1: (a)用硫酸雙氧水清洗石英晶片，然后依次濺射鉻、金薄膜，作為石英腐蝕時的保護(hù)膜；(b)利用兩面光刻工藝制作石英振梁的結(jié)構(gòu)圖案，并腐蝕金、鉻金屬薄膜，去除光刻膠；(C)利用光刻工藝制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，然后腐蝕金、鉻薄膜，去除光刻膠；第二步:選用厚度為300 μ m-500 μ m的石英晶片制作質(zhì)量_撓性結(jié)構(gòu)2: (a)用硫酸雙氧水清洗石英晶片，然后依次濺射鉻、金薄膜，作為石英腐蝕時的保護(hù)膜；(b)利用兩面光刻工藝制作質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖案，并腐蝕金、鉻金屬薄膜，去除光刻膠；(C)利用光刻工藝制作各焊盤的圖案；(d)用氟化氫銨腐蝕石英，然后腐蝕金、鉻薄膜，以去除光刻膠；第三步:鍵合裝配石英振梁與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)，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(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)2的焊盤上制作焊點；(2)把石英振梁I反轉(zhuǎn)，使其兩端的焊盤6、7分別與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)的底座和質(zhì)量塊上的焊盤8、9對置，此時，允許有少許錯位，但應(yīng)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，融化后的合金材料覆蓋石英振梁I上的焊盤表面，由于表面張力作用，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(zhì)量塊的焊盤精確對應(yīng)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(jìn)一步加固石英振梁與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種石英振梁加速度計，其特征在于:包括石英振梁(I)和質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)(2);其中，質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)(2)包括通過撓性鉸鏈(3)相連的底座(4)和質(zhì)量塊(5)，石英振梁(I)兩端各設(shè)焊盤(6)和焊盤(7)，底座(4)上設(shè)焊盤(8)，質(zhì)量塊(5)上設(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的石英振梁加速度計，其特征在于:所述石英振梁(I)的厚度小于質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)⑵的厚度，所述底座⑷和質(zhì)量塊(5)的厚度相同，所述撓性鉸鏈(3)的厚度小于質(zhì)量塊的厚度，同時撓性鉸鏈(3)與底座(4)、質(zhì)量塊(5)的中心線一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英振梁加速度計，其特征在于:所述質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)(2)的材質(zhì)為石英。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英振梁加速度計，其特征在于:所述石英振梁(I)為雙梁結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英振梁加速度計，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求1所述石英振梁加速度計的制作方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)制作石英振梁(1):(a)清洗石英晶片，然后依次濺射鉻、金薄膜，作為石英腐蝕時的保護(hù)膜；(b)利用兩面光刻工藝制作石英振梁(I)的結(jié)構(gòu)圖案，并腐蝕金、鉻金屬薄膜，去除光刻膠；(C)利用光刻工藝制作石英振梁(I)兩端焊盤和激勵電極的圖案；(d)腐蝕石英，然后腐蝕金、鉻薄膜，以去除光刻膠； (2)制作質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)(2):(a)清洗石英晶片，然后依次濺射鉻、金薄膜，作為石英腐蝕時的保護(hù)膜；(b)利用兩面光刻工藝制作質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)(2)的結(jié)構(gòu)圖案，并腐蝕金、鉻金屬薄膜，去除光刻膠；(C)利用光刻工藝制作各焊盤的圖案；(d)腐蝕石英，然后腐蝕金、鉻薄膜，去除光刻膠； (3)鍵合裝配石英振梁(1)與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)(2):(a)利用合金材料通過回流焊工藝在質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)(2)的焊盤上制作焊點；(b)把石英振梁(1)反轉(zhuǎn)，使其焊盤(6)、焊盤(7)分別與質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)(2)的焊盤(8)、焊盤(9)對置，此時，應(yīng)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，融化后的合金材料覆蓋焊盤￠)、焊盤(7)表面，由于表面張力作用，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(yīng)的位置，裝配工藝即完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述石英振梁加速度計的制作方法，其特征在于:步驟(I)或步驟(2)中采用硫酸雙氧水對石英晶片洗凈。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述石英振梁加速度計的制作方法，其特征在于:步驟(I)或步驟(2)采用氟化氫銨溶液對石英、金、鉻薄膜腐蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述石英振梁加速度計的制作方法，其特征在于:步驟(I)中制作石英振梁⑴的石英晶片厚度為50μπι-100μπι;步驟⑵中制作質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)(2)的石英晶片的厚度為300 μ m-500 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述石英振梁加速度計的制作方法，其特征在于:步驟(3)的分步驟(a)、(C)中使用助焊劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石英振梁加速度計及其制作方法，該石英振梁加速度計包括石英振梁和質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)，其中，質(zhì)量-撓性結(jié)構(gòu)包括通過撓性鉸鏈相連的底座和質(zhì)量塊，在石英振梁兩端、底座和質(zhì)量塊上各設(shè)焊盤，對應(yīng)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(yīng)的焊盤上連接激勵電極；本發(fā)明的制作方法包括光刻技術(shù)、濕法腐蝕的微加工技術(shù)制作以及回流焊工藝。本發(fā)明的優(yōu)點在于石英振梁加速度計具有加工精度高，焊盤位置、尺寸對應(yīng)關(guān)系好，同時裝配精度高、重復(fù)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(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者梁金星, 張儷園, 崔粟晉, 孟廣嬋 申請人:東南大學(xué)