一體式石英振梁加速度計(jì)工程化研究進(jìn)展*

楊 挺，劉 平，楊貴玉，路文一，金小鋒

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一體式石英振梁加速度計(jì)工程化研究進(jìn)展*

楊 挺，劉 平，楊貴玉，路文一，金小鋒

（航天長征火箭技術(shù)有限公司 北京 100076）

一體式石英振梁加速度計(jì)是一種高精度諧振式MEMS慣性傳感器。針對現(xiàn)有石英振梁加速度計(jì)存在的體積大、全溫及力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性不足等問題，提出一種基于三層石英結(jié)構(gòu)的一體式石英振梁加速度計(jì)的設(shè)計(jì)方案。通過突破高精度薄梁腐蝕及晶圓級鍵合兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出加速度計(jì)樣機(jī)。經(jīng)測試，產(chǎn)品全溫穩(wěn)定性優(yōu)于0.5mg，振動(dòng)整流誤差優(yōu)于200μg/g2（@15.68g rms），可以滿足中高精度慣性導(dǎo)航應(yīng)用需求。后續(xù)期望通過原位溫度補(bǔ)償及直接鍵合等技術(shù)進(jìn)一步提升一體式石英振梁加速度計(jì)的全溫精度及長期穩(wěn)定性。

石英振梁加速度計(jì)；晶圓級鍵合；全溫穩(wěn)定性；振動(dòng)整流誤差

引 言

眾所周知，中高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的主流加速度測量儀表是石英撓性加速度計(jì)和硅電容加速度計(jì)[1]，分別以Honeywell公司的QA系列[2]和Colibrys公司的MS系列[3]為典型代表。其中石英撓性加速度計(jì)雖技術(shù)成熟，但是存在重量大、功耗高等不足，同時(shí)由于其內(nèi)部零部件多、裝配工藝復(fù)雜，成本無法得到有效控制；硅電容式加速度計(jì)雖成本和功耗較低，但是難以實(shí)現(xiàn)大量程和高精度的統(tǒng)一。而上述二者共同存在的劣勢是必須通過AD轉(zhuǎn)換器將其輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量從而與上一級系統(tǒng)連接，因此必須承擔(dān)增加高精度AD轉(zhuǎn)換器及高精度電壓基準(zhǔn)源所帶來的空間、成本消耗。

基于上述產(chǎn)品的不足，歐美等國家早在上個(gè)世紀(jì)八十年代就開始開展諧振式加速度計(jì)的研制工作。石英振梁加速度計(jì)是一種基于壓電諧振式測量原理的慣性儀表，其基本原理是加速度變化通過杠桿放大結(jié)構(gòu)作用于壓電振梁引起梁固有頻率改變，從而輸出與加速度成正比的方波頻率信號[4]。為了提高靈敏度，同時(shí)抑制共模干擾，此類加速度計(jì)通常由兩個(gè)工作在差分模式的振梁結(jié)構(gòu)組成。從本質(zhì)上說，石英振梁加速度計(jì)是一種敏感加速度參數(shù)的石英晶體振蕩器。

基于石英晶體振蕩器優(yōu)秀的選頻能力及長期穩(wěn)定性，同時(shí)兼具大量程、寬頻帶、低功耗、準(zhǔn)數(shù)字輸出等優(yōu)勢，石英振梁加速度計(jì)一直以來被業(yè)界公認(rèn)為新一代中高精度導(dǎo)航系統(tǒng)的首選加速度測量儀表，甚至具有進(jìn)入高精度導(dǎo)航系統(tǒng)的潛在能力[5]。

目前實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的石英振梁加速度計(jì)有分體式和一體式兩種結(jié)構(gòu)，其中分體式結(jié)構(gòu)以Honeywell公司的RBA500為典型代表[6]，敏感結(jié)構(gòu)由石英雙諧振梁和金屬質(zhì)量塊裝配組成，目前主要應(yīng)用于慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，年產(chǎn)量超十萬只；而一體式結(jié)構(gòu)以法國ONERA研制的VIA系列產(chǎn)品為代表[7,8]，整個(gè)敏感結(jié)構(gòu)由石英晶片一體式加工而成，諧振梁與敏感質(zhì)量塊同為一片石英晶片，完全通過MEMS工藝制備，目前VIA系列產(chǎn)品的相關(guān)專利技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給Thales、Sagem和iXBlue等公司并在其導(dǎo)航系統(tǒng)上應(yīng)用。

國內(nèi)于上個(gè)世紀(jì)九十年代開始開展石英振梁加速度計(jì)研制工作[9-13]，在分體式和一體式兩種結(jié)構(gòu)上均進(jìn)行了廣泛的研究，實(shí)驗(yàn)室測試性能指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品持平。但是由于國內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足、加工工藝積累少，基本處在工程化關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和小規(guī)模應(yīng)用階段。

正如上述分析，石英振梁加速度計(jì)問世至今已超過三十年，但是與成為中高精度慣性導(dǎo)航主流加速度測量儀表的預(yù)期仍存在較大差距，主要瓶頸有：①石英振梁加速度計(jì)在常態(tài)性能指標(biāo)上雖可達(dá)到傳統(tǒng)的撓性加速度計(jì)的水平，但是在環(huán)境適應(yīng)性特別是全溫及力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性方面仍然存在短板；②分體式和一體式結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在體積與重量方面相比撓性加速度計(jì)均無明顯優(yōu)勢。

本文設(shè)計(jì)了一種新型一體式石英振梁加速度計(jì)，通過芯片式設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化及輕量化，通過優(yōu)化腐蝕工藝及晶圓級鍵合等關(guān)鍵技術(shù)改善全溫零位穩(wěn)定性及振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)的有效性，為石英振梁加速度計(jì)的大規(guī)模工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 傳感器設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)石英振梁加速度計(jì)采用芯片式設(shè)計(jì)方案，見圖1，由敏感元件、混合集成電路及金屬封裝管殼組成，產(chǎn)品實(shí)物及內(nèi)部照片見圖2。敏感元件為全石英材料，混合集成電路內(nèi)部與敏感元件互連構(gòu)成閉合自激振蕩回路，電路同時(shí)集成了一個(gè)溫度檢測芯片，用于實(shí)現(xiàn)傳感器溫度補(bǔ)償，封裝采用金屬雙列直插形式，具有良好的電磁屏蔽效果。

圖1 石英振梁加速度計(jì)芯片式設(shè)計(jì)方案示意圖

1.2 敏感元件設(shè)計(jì)方案

敏感元件為三層結(jié)構(gòu)，中間層為核心敏感層，上下兩層為防護(hù)止擋層，如圖3所示。其中核心敏感層采用單梁與外圍隔振框組合結(jié)構(gòu)，降低諧振結(jié)構(gòu)的錨點(diǎn)損耗；上下防護(hù)止擋層起到限位作用，通過有限元仿真確定理想的止擋間隙，即滿足測量范圍指標(biāo)要求，同時(shí)提高敏感元件在振動(dòng)和沖擊力學(xué)環(huán)境下的適應(yīng)性。敏感元件各層均為同種材料，可以降低封裝應(yīng)力的影響。

1.3 傳感器制造工藝流程

傳感器的制造工藝流程如圖4所示，其中敏感元件基于MEMS批量化加工工藝，具有低成本、高效率、工藝一致性好等優(yōu)勢，混合集成電路和管殼封裝分別采用厚膜集成和真空儲能封焊工藝，均為成熟技術(shù)，整個(gè)工藝流程易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性的平衡，具備批量生產(chǎn)的能力。

圖2 MDIP8封裝石英振梁加速度計(jì)實(shí)物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片

圖3 石英振梁加速度計(jì)敏感元件三層結(jié)構(gòu)

圖4 石英振梁加速度計(jì)制造工藝流程

2 工程化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高光潔度薄梁腐蝕技術(shù)

一體式石英振梁加速度計(jì)敏感層通常采用濕法腐蝕工藝制備，其中諧振梁結(jié)構(gòu)通過單面腐蝕獲得，其表面粗糙度對傳感器輸出頻率-溫度特性有直接影響[14]，實(shí)現(xiàn)具有良好重復(fù)性的高表面光潔度濕法腐蝕工藝可以明顯提升差分元件對于共模溫度誤差的抑制效果。

石英晶體本質(zhì)為二氧化硅單晶，對多數(shù)強(qiáng)酸表現(xiàn)出極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，但溶于氫氟酸及一些含有氟離子的鹽溶液中。腐蝕液常采用HF、HF+HAc、NH4HF2、HF+NH4F等溶液，其成份組成、溶液配比、腐蝕溫度、液體流動(dòng)性以及石英晶體本身的質(zhì)量等因素均會(huì)對腐蝕光潔度產(chǎn)生影響。通過分析各項(xiàng)因素及對不同腐蝕液配比、不同溫度條件下腐蝕結(jié)果的對比，最終獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)。圖5給出了優(yōu)化前后腐蝕表面照片，可見腐蝕表面粗糙度已得到明顯改善。

圖5 優(yōu)化前后腐蝕表面照片

2.2 晶圓級對準(zhǔn)鍵合技術(shù)

按照第1.2節(jié)敏感元件設(shè)計(jì)方案，需實(shí)現(xiàn)核心敏感層與上下防護(hù)止擋層的組裝。組裝出現(xiàn)橫向偏移將導(dǎo)致敏感層固支狀態(tài)差異，影響敏感元件性能參數(shù)的一致性；縱向偏移將導(dǎo)致止擋間隙偏離設(shè)計(jì)值，從而達(dá)不到理想的止擋效果。

通過采用晶圓級對準(zhǔn)鍵合技術(shù)，以整個(gè)石英晶片作為單位實(shí)現(xiàn)三層組裝，可以借助光刻對準(zhǔn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)層與層之間的微米級高精度對準(zhǔn)，明顯提高了組裝的一致性、質(zhì)量和加工效率，如圖6所示。

圖6 石英振梁加速度計(jì)晶圓級鍵合工藝

3 關(guān)鍵性能試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 溫度性能測試

對研制石英振梁加速度計(jì)的溫度性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)過程如下：

①石英振梁加速度計(jì)固定安裝在精密溫控箱內(nèi)，設(shè)置溫箱程序使溫箱從室溫升高到+60℃，恒溫1h，然后降溫到–40℃，恒溫1h，然后再升溫到+60℃，恒溫1h。升溫和降溫變化率均為1℃/min。

②試驗(yàn)過程中持續(xù)記錄振梁加速度計(jì)輸出值和溫度值。

③重復(fù)步驟①兩次，考察重復(fù)性。

圖7（a）和圖7（b）分別給出了2臺產(chǎn)品的溫度性能測試結(jié)果?？梢钥闯觯珳胤秶鷥?nèi)零位偏值K0最大絕對變化量優(yōu)于±2mg。對整個(gè)過程中K0結(jié)果取標(biāo)準(zhǔn)差，可以獲得產(chǎn)品在全溫范圍內(nèi)的K0穩(wěn)定性，如表1所示。結(jié)果表明，其值優(yōu)于0.5mg。該溫度性能測試結(jié)果可以滿足常規(guī)中高精度導(dǎo)航系統(tǒng)對加速度計(jì)的要求。

3.2 振動(dòng)性能測試

對研制的石英振梁加速度計(jì)的振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)條件如表2所示。

圖7 石英振梁加速度計(jì)全溫零位K0輸出

表1 石英振梁加速度計(jì)全溫零位K0穩(wěn)定性

表2 石英振梁加速度計(jì)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件

圖8和圖9分別給出了2臺產(chǎn)品在Z向（敏感方向）引入隨機(jī)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)品零位K0輸出曲線及1s平滑結(jié)果，可見曲線本身對稱性較好，振動(dòng)過程中未出現(xiàn)明顯零位偏移的現(xiàn)象。

表3進(jìn)一步給出了根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的產(chǎn)品振動(dòng)整流誤差結(jié)果，為了保證試驗(yàn)的充分性，非敏感向的測試結(jié)果也同時(shí)給出。結(jié)果表明產(chǎn)品各方向振動(dòng)前后變化優(yōu)于2mg，敏感向振動(dòng)整流誤差優(yōu)于200μg/(g rms)2，非敏感向優(yōu)于10μg/(g rms)2。

4 結(jié)束語

本文在國內(nèi)外業(yè)界首次推出了一款芯片式石英振梁加速度計(jì)，其設(shè)計(jì)方案融合了現(xiàn)有分體式和一體式結(jié)構(gòu)各自的特點(diǎn)，具有體積小、重量輕、可靠性高、適合于批量生產(chǎn)等優(yōu)勢。通過優(yōu)化薄梁腐蝕工藝及晶圓級鍵合等關(guān)鍵技術(shù)提升全溫零位穩(wěn)定性及振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)品全溫穩(wěn)定性優(yōu)于0.5mg，振動(dòng)整流誤差優(yōu)于200μg/g2（@15.68g rms），可以滿足常規(guī)中高精度導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。

圖8 1#產(chǎn)品隨機(jī)振動(dòng)零位K0輸出

圖9 2#產(chǎn)品隨機(jī)振動(dòng)零位K0輸出

表3 石英振梁加速度計(jì)振動(dòng)試驗(yàn)測試結(jié)果

面對中高精度導(dǎo)航系統(tǒng)對配套慣性儀表提出的高全溫精度及12年以上免標(biāo)校的需求，石英振梁加速度計(jì)在設(shè)計(jì)和加工工藝方面需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，其中設(shè)計(jì)改進(jìn)主要體現(xiàn)在將溫度傳感器與核心敏感結(jié)構(gòu)單片集成[15]，減小溫度測量的滯后性，提高溫度補(bǔ)償精度；工藝改進(jìn)主要體現(xiàn)在取消現(xiàn)有的所有有機(jī)膠黏劑粘接工藝，引入更先進(jìn)的晶圓級石英熔融鍵合和金屬熱壓鍵合工藝[16]，在真空氣密封裝的同時(shí)實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)部電信號引出。由于石英晶體和金屬材料本身具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，因此產(chǎn)品的校驗(yàn)期有望延長至12年以上。

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Engineering progress of monolithic quartz vibrating beam accelerometer

YANG Ting, LIU Ping, YANG Guiyu, LU Wenyi, JIN Xiaofeng

（Aerospace Long March Launch Vehicle Technology CO.,LTD, Beijing 100076, China）

Monolithic quartz vibrating beam accelerometer is a kind of high-accuracy resonant MEMS inertial sensor. A new structure of monolithic quartz vibrating beam accelerometer based on triple quartz layers is presented to solve the problems such as large size and bad performances during the tests of full-temperature and mechanical environment. The accelerometer prototype is obtained with high-precision thin cantilever etching and wafer bonding. The test results of full-temperature stability and vibration rectification error of the prototype are better than 0.5mg and200μg/g2(@15.68g rms) respectively, which can meet the needs of medium and high precision inertial navigation. The full-temperature accuracy and long-term stability of monolithic quartz vibrating beam accelerometer are expected to improve through some important techniques such as in-situ temperature compensation and direct bonding.

Quartz vibrating beam accelerometer; Wafer bonding; Full-temperature stability; Vibration rectification error

TP212

A

CN11-1780(2019)02-0039-07

基金項(xiàng)目：總裝預(yù)研項(xiàng)目

2019-01-14

2019-02-07

楊 挺 1985年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楦呔萂EMS諧振式傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

劉 平 1982年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楦呔燃铀俣葌鞲衅髟O(shè)計(jì)與應(yīng)用。

楊貴玉 1977年生，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)镸EMS加速度傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

路文一 1981年生，博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)镸EMS慣性傳感器技術(shù)。

金小鋒 1977年生，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)槲T性儀器儀表與射頻MEMS技術(shù)。