一体式石英振梁加速度计工程化研究进展*

杨 挺，刘 平，杨贵玉，路文一，金小锋



一体式石英振梁加速度计工程化研究进展*

杨 挺，刘 平，杨贵玉，路文一，金小锋

（航天长征火箭技术有限公司 北京 100076）

一体式石英振梁加速度计是一种高精度谐振式MEMS惯性传感器。针对现有石英振梁加速度计存在的体积大、全温及力学环境适应性不足等问题，提出一种基于三层石英结构的一体式石英振梁加速度计的设计方案。通过突破高精度薄梁腐蚀及晶圆级键合两项关键技术，成功研制出加速度计样机。经测试，产品全温稳定性优于0.5mg，振动整流误差优于200μg/g2（@15.68g rms），可以满足中高精度惯性导航应用需求。后续期望通过原位温度补偿及直接键合等技术进一步提升一体式石英振梁加速度计的全温精度及长期稳定性。

石英振梁加速度计；晶圆级键合；全温稳定性；振动整流误差

引 言

众所周知，中高精度惯性导航领域的主流加速度测量仪表是石英挠性加速度计和硅电容加速度计[1]，分别以Honeywell公司的QA系列[2]和Colibrys公司的MS系列[3]为典型代表。其中石英挠性加速度计虽技术成熟，但是存在重量大、功耗高等不足，同时由于其内部零部件多、装配工艺复杂，成本无法得到有效控制；硅电容式加速度计虽成本和功耗较低，但是难以实现大量程和高精度的统一。而上述二者共同存在的劣势是必须通过AD转换器将其输出信号转换为数字量从而与上一级系统连接，因此必须承担增加高精度AD转换器及高精度电压基准源所带来的空间、成本消耗。

基于上述产品的不足，欧美等国家早在上个世纪八十年代就开始开展谐振式加速度计的研制工作。石英振梁加速度计是一种基于压电谐振式测量原理的惯性仪表，其基本原理是加速度变化通过杠杆放大结构作用于压电振梁引起梁固有频率改变，从而输出与加速度成正比的方波频率信号[4]。为了提高灵敏度，同时抑制共模干扰，此类加速度计通常由两个工作在差分模式的振梁结构组成。从本质上说，石英振梁加速度计是一种敏感加速度参数的石英晶体振荡器。

基于石英晶体振荡器优秀的选频能力及长期稳定性，同时兼具大量程、宽频带、低功耗、准数字输出等优势，石英振梁加速度计一直以来被业界公认为新一代中高精度导航系统的首选加速度测量仪表，甚至具有进入高精度导航系统的潜在能力[5]。

目前实现工程化应用的石英振梁加速度计有分体式和一体式两种结构，其中分体式结构以Honeywell公司的RBA500为典型代表[6]，敏感结构由石英双谐振梁和金属质量块装配组成，目前主要应用于惯性导航领域，年产量超十万只；而一体式结构以法国ONERA研制的VIA系列产品为代表[7,8]，整个敏感结构由石英晶片一体式加工而成，谐振梁与敏感质量块同为一片石英晶片，完全通过MEMS工艺制备，目前VIA系列产品的相关专利技术已转让给Thales、Sagem和iXBlue等公司并在其导航系统上应用。

国内于上个世纪九十年代开始开展石英振梁加速度计研制工作[9-13]，在分体式和一体式两种结构上均进行了广泛的研究，实验室测试性能指标与国外同类产品持平。但是由于国内设计经验不足、加工工艺积累少，基本处在工程化关键技术攻关和小规模应用阶段。

正如上述分析，石英振梁加速度计问世至今已超过三十年，但是与成为中高精度惯性导航主流加速度测量仪表的预期仍存在较大差距，主要瓶颈有：①石英振梁加速度计在常态性能指标上虽可达到传统的挠性加速度计的水平，但是在环境适应性特别是全温及力学环境适应性方面仍然存在短板；②分体式和一体式结构产品在体积与重量方面相比挠性加速度计均无明显优势。

本文设计了一种新型一体式石英振梁加速度计，通过芯片式设计方案实现了产品的小型化及轻量化，通过优化腐蚀工艺及晶圆级键合等关键技术改善全温零位稳定性及振动环境适应性，试验结果验证了设计方案及关键技术的有效性，为石英振梁加速度计的大规模工程应用奠定基础。

1 传感器设计方案

1.1 总体设计方案

整个石英振梁加速度计采用芯片式设计方案，见图1，由敏感元件、混合集成电路及金属封装管壳组成，产品实物及内部照片见图2。敏感元件为全石英材料，混合集成电路内部与敏感元件互连构成闭合自激振荡回路，电路同时集成了一个温度检测芯片，用于实现传感器温度补偿，封装采用金属双列直插形式，具有良好的电磁屏蔽效果。

图1 石英振梁加速度计芯片式设计方案示意图

1.2 敏感元件设计方案

敏感元件为三层结构，中间层为核心敏感层，上下两层为防护止挡层，如图3所示。其中核心敏感层采用单梁与外围隔振框组合结构，降低谐振结构的锚点损耗；上下防护止挡层起到限位作用，通过有限元仿真确定理想的止挡间隙，即满足测量范围指标要求，同时提高敏感元件在振动和冲击力学环境下的适应性。敏感元件各层均为同种材料，可以降低封装应力的影响。

1.3 传感器制造工艺流程

传感器的制造工艺流程如图4所示，其中敏感元件基于MEMS批量化加工工艺，具有低成本、高效率、工艺一致性好等优势，混合集成电路和管壳封装分别采用厚膜集成和真空储能封焊工艺，均为成熟技术，整个工艺流程易于实现产品性能质量和经济性的平衡，具备批量生产的能力。

图2 MDIP8封装石英振梁加速度计实物及内部结构照片

图3 石英振梁加速度计敏感元件三层结构

图4 石英振梁加速度计制造工艺流程

2 工程化关键技术

2.1 高光洁度薄梁腐蚀技术

一体式石英振梁加速度计敏感层通常采用湿法腐蚀工艺制备，其中谐振梁结构通过单面腐蚀获得，其表面粗糙度对传感器输出频率-温度特性有直接影响[14]，实现具有良好重复性的高表面光洁度湿法腐蚀工艺可以明显提升差分元件对于共模温度误差的抑制效果。

石英晶体本质为二氧化硅单晶，对多数强酸表现出极强的化学稳定性，但溶于氢氟酸及一些含有氟离子的盐溶液中。腐蚀液常采用HF、HF+HAc、NH4HF2、HF+NH4F等溶液，其成份组成、溶液配比、腐蚀温度、液体流动性以及石英晶体本身的质量等因素均会对腐蚀光洁度产生影响。通过分析各项因素及对不同腐蚀液配比、不同温度条件下腐蚀结果的对比，最终获得了优化的工艺参数。图5给出了优化前后腐蚀表面照片，可见腐蚀表面粗糙度已得到明显改善。

图5 优化前后腐蚀表面照片

2.2 晶圆级对准键合技术

按照第1.2节敏感元件设计方案，需实现核心敏感层与上下防护止挡层的组装。组装出现横向偏移将导致敏感层固支状态差异，影响敏感元件性能参数的一致性；纵向偏移将导致止挡间隙偏离设计值，从而达不到理想的止挡效果。

通过采用晶圆级对准键合技术，以整个石英晶片作为单位实现三层组装，可以借助光刻对准设备实现层与层之间的微米级高精度对准，明显提高了组装的一致性、质量和加工效率，如图6所示。

图6 石英振梁加速度计晶圆级键合工艺

3 关键性能试验验证

3.1 温度性能测试

对研制石英振梁加速度计的温度性能进行试验验证，试验过程如下：

①石英振梁加速度计固定安装在精密温控箱内，设置温箱程序使温箱从室温升高到+60℃，恒温1h，然后降温到–40℃，恒温1h，然后再升温到+60℃，恒温1h。升温和降温变化率均为1℃/min。

②试验过程中持续记录振梁加速度计输出值和温度值。

③重复步骤①两次，考察重复性。

图7（a）和图7（b）分别给出了2台产品的温度性能测试结果。可以看出，全温范围内零位偏值K0最大绝对变化量优于±2mg。对整个过程中K0结果取标准差，可以获得产品在全温范围内的K0稳定性，如表1所示。结果表明，其值优于0.5mg。该温度性能测试结果可以满足常规中高精度导航系统对加速度计的要求。

3.2 振动性能测试

对研制的石英振梁加速度计的振动环境适应性进行试验验证，试验条件如表2所示。

图7 石英振梁加速度计全温零位K0输出

表1 石英振梁加速度计全温零位K0稳定性

表2 石英振梁加速度计随机振动环境试验条件

图8和图9分别给出了2台产品在Z向（敏感方向）引入随机振动时产品零位K0输出曲线及1s平滑结果，可见曲线本身对称性较好，振动过程中未出现明显零位偏移的现象。

表3进一步给出了根据上述试验数据获得的产品振动整流误差结果，为了保证试验的充分性，非敏感向的测试结果也同时给出。结果表明产品各方向振动前后变化优于2mg，敏感向振动整流误差优于200μg/(g rms)2，非敏感向优于10μg/(g rms)2。

4 结束语

本文在国内外业界首次推出了一款芯片式石英振梁加速度计，其设计方案融合了现有分体式和一体式结构各自的特点，具有体积小、重量轻、可靠性高、适合于批量生产等优势。通过优化薄梁腐蚀工艺及晶圆级键合等关键技术提升全温零位稳定性及振动环境适应性。试验结果表明，产品全温稳定性优于0.5mg，振动整流误差优于200μg/g2（@15.68g rms），可以满足常规中高精度导航系统的要求。

图8 1#产品随机振动零位K0输出

图9 2#产品随机振动零位K0输出

表3 石英振梁加速度计振动试验测试结果

面对中高精度导航系统对配套惯性仪表提出的高全温精度及12年以上免标校的需求，石英振梁加速度计在设计和加工工艺方面需要进一步优化改进，其中设计改进主要体现在将温度传感器与核心敏感结构单片集成[15]，减小温度测量的滞后性，提高温度补偿精度；工艺改进主要体现在取消现有的所有有机胶黏剂粘接工艺，引入更先进的晶圆级石英熔融键合和金属热压键合工艺[16]，在真空气密封装的同时实现腔体内部电信号引出。由于石英晶体和金属材料本身具有优异的长期稳定性，因此产品的校验期有望延长至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

基金项目：总装预研项目

2019-01-14

2019-02-07

杨 挺 1985年生，硕士，工程师，主要研究方向为高精度MEMS谐振式传感器设计与应用。

刘 平 1982年生，硕士，工程师，主要研究方向为高精度加速度传感器设计与应用。

杨贵玉 1977年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为MEMS加速度传感器设计与应用。

路文一 1981年生，博士，高级工程师，主要研究方向为MEMS惯性传感器技术。

金小锋 1977年生，硕士，研究员，主要研究方向为微惯性仪器仪表与射频MEMS技术。