[发明专利]一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片

说明书

一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，涉及石英振梁加速度计敏感芯片加工领域；每个敏感芯片包括敏感单元层、上防护单元层和下防护单元层；上防护单元层设置在敏感单元层的上表面，下防护单元层设置在敏感单元层的上表面；敏感单元层上表面安装有第一密封环，下表面固定安装有第二密封环；上防护单元层下表面固定安装有第三密封环；下防护单元层的上表面固定安装有第四密封环；上防护单元层的一侧对称设置有两个方孔；下防护单元层的上表面在对应位置对称设置有两个凸台；本发明有效解决了气密封装与内部电极引出难以兼容的矛盾；同时具有优良的可移植性，可推广至其他以石英、硅、玻璃等材料作为基材的MEMS器件制备工艺中。

技术领域

本发明涉及一种石英振梁加速度计敏感芯片气密封装领域，特别是一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片。

背景技术

石英振梁加速度计是一种利用谐振式测量原理，将被测加速度转换成石英振梁固有频率变化的传感器，因其具有大量程、高精度、小体积、低功耗、准数字输出等优势在低成本组合导航系统、天线平台稳定系统、石油钻井、地震测量等领域有着广泛的应用。

从敏感芯片结构上分类，石英振梁加速度计包括一体式和分体式两种，其中分体式主要采用石英振梁与金属摆片结构粘接而成，其典型产品为美国Honeywell公司的RBA500，由于石英材料与金属摆片热膨胀系数存在差异，限制了其在全温范围内工作的稳定性和重复性，目前分体式石英振梁加速度计发展方向是采用石英摆片代替金属摆片构成全石英结构；一体式结构的主要特点为振梁和摆片通过MEMS加工工艺在同一石英敏感芯片上制备而成，具有小体积、低成本、重复性好等优势，是石英振梁加速度计的重要发展方向，其典型产品为法国Thales公司的A100和Sagem公司的AD301；专利201420020970.3在传统经典一体式石英振梁加速度计敏感芯片结构的基础上，进一步增加了上下防护限位单元，旨在实现高灵敏度和恶劣力学环境适应性的统一，该方案是目前国内一体式石英振梁加速度计的主流结构。

目前一体式石英振梁加速度计敏感芯片的气密封装工艺以芯片为单位，包括多层微结构装配、贴片、引线、密封等工序，与以敏感芯片为单位的MEMS前道加工工艺如光刻、刻蚀等相比，封装工艺的生产和筛选效率提升空间有限；敏感芯片微结构装配主要为敏感单元和上下防护单元的装配，目前通常采用环氧胶粘接的方式，限制了敏感芯片的重复性和长期可靠性，同时由于环氧胶固化前具有流动性，可能导致各层间发生侧滑，由此导致层间对准精度较差；敏感芯片的密封可以减少环境的干扰，保证芯片工作在稳定的谐振状态，部分厂商如法国Thales、Sagem等采用真空密封进一步提高敏感芯片的Q值以实现优异的零偏稳定性和分辨率指标，封装方法主要基于金属管壳真空焊接工艺，该方法技术成熟度高，但基于切削或冲压获得的金属管壳尺寸较大，明显弱化了一体式石英振梁加速度计敏感芯片的小型化、集成化优势。

针对传统的“芯片级”封装工艺的不足，法国宇航局ONERA提出基于石英-硅熔融键合技术的“敏感芯片级”封装工艺，即以敏感芯片为单位实现敏感芯片封装，将MEMS批量化生产的优势拓展至封装阶段，同时可以实现石英敏感芯片与硅微芯片的混合集成，但是该方案存在三个主要问题：第一，石英-硅熔融键合技术对于敏感芯片表面粗糙度和洁净度的要求极高，经过前续工艺以后的敏感芯片较难满足；第二，石英和硅材料热膨胀系数差异大，限制了敏感芯片的全温稳定性；第三，内部电极引出和真空密封的矛盾不易解决，即内部电极穿过石英-硅键合密封环将对低漏率真空密封产生挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，有效解决了气密封装与内部电极引出难以兼容的矛盾；通过晶片级键合工艺实现了批量化加工；同时具有优良的可移植性，可推广至其他以石英、硅、玻璃等材料作为基材的MEMS器件制备工艺中。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：