一种微加速度计及制造方法与流程

本申请涉及微加速度计领域，具体涉及一种差分电容式微加速度计及其制造方法。

背景技术：

微加速度计由于体积小、重量轻、测量精度高、单件价格低廉、便于大规模批量生产等优势，广泛应用于军用和民用等多个领域，具有广阔的市场前景和研究价值。现有的微加速度计尺寸不够大，而悬臂梁占用过多空间，微加速度计测量结果漂移严重，受温度等外界因素影响大，灵敏度较低，综合性能差。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供一种微加速度计，其包括上盖板、质量块、下盖板、悬臂梁、围框。所述上盖板与下盖板相对设置形成一空间；所述围框的一端连接于所述上盖板的下表面，另一端连接于所述下盖板的上表面，用于支撑所述上盖板与下盖板；所述质量块通过悬臂梁与所述围框相连，以设置于所述上盖板与下盖板形成的空间内；所述悬臂梁为弯曲形状，用于支撑所述质量块在所述上盖板与下盖板形成的空间内上下移动。

根据本发明的另一方面，提供一种微加速度计的制造方法，包括以下过程：

流延：将已经调配好的浆料转移到基带上从而形成均匀的膜浆，进而形成LTCC(低温共烧陶瓷，Low Temperature Co-fired Ceramic)生瓷片；

打孔与通孔填充：在LTCC生瓷片进行打孔，然后进行通孔填充；

对准：将各层LTCC生瓷片对准；

层压：将对准后的多层LTCC生瓷片叠放在一起，在一定的温度和压力下完成层压；

共烧；将层压后的LTCC生瓷片按照既定的烧结曲线烧结，使得LTCC生瓷片和金属浆料一次性烧结成型从而形成陶瓷基板；

装配和检测；对于加工成型的陶瓷基板，将集成芯片、有源元器件等贴装在基板表面从而形成具有一定功能的电路器件。

本发明的微加速度计其悬臂梁采用弯曲形状。

本发明的LTCC差分电容式微加速度计，其悬臂梁采用弯曲形状，例如U形结构，制备简单，满足小型化的需求，微加速度计测量结果漂移低，温度效应很小，灵敏度相对较高，检测模态刚度小，交叉耦合小，综合性能好。

附图说明

图1为本发明一实施例的微加速度计侧视图；

图2为本发明一实施例的微加速度计俯视图；

图3为本发明一实施例的微加速度计制造方法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本实施例公开了一种微加速计，其主要包括上盖板10，质量块20，下盖板30，第一悬臂梁401、第二悬臂梁402、第三悬臂梁403、第四悬臂梁404，第一围框501、第二围框502，外壳80。

上盖板10与下盖板30相对设置形成一空间。

第一围框501与第二围框502相对设置，用于支撑上盖板10与下盖板30。第一围框501的一端连接于上盖板10的下表面的边沿，另一端连接于下盖板30的上表面的边沿，此处，第一围框501连接的上盖板10的下表面的边沿与下盖板30的上表面的边沿，两者相对。第二围框502的一端连接于上盖板10的下表面的边沿，另一端连接于下盖板30的上表面的边沿，此处，第二围框502连接的上盖板10的下表面的边沿与下盖板30的上表面的边沿，两者相对。上盖板10的下表面连接第一围框501的边沿与连接第二围框502的边沿，两者为上盖板10的下表面相对的两边沿。

质量块20通过四条悬臂梁与围框相连，以使得质量块20被设置于上盖板10与下盖板30形成的空间内。具体地，第一悬臂梁401与第二悬臂梁402的第一端分别连接至第一围框501，第一悬臂梁401与第二悬臂梁402的第二端分别连接至质量块20；第三悬臂梁403与第四悬臂梁404的第一端分别连接至第二围框502，第三悬臂梁403与第四悬臂梁404的第二端分别连接至质量块20。

如图2所示，本实施例的质量块20为四方形，第一悬臂梁401、第三悬臂梁403连接在质量块20的一条边上，第二悬臂梁402、第四悬臂梁404连接在质量块20的与该条边相对的另一条边上。本领域技术人员还可以设计成四条悬臂梁悬臂梁连接在质量块20中部位置，或者分别连接在质量块20的四个角处。或者。质量块20还可以采取其它形状，悬臂梁的条数不限于四条，悬臂梁与质量块20的连接方式只要满足质量块20靠悬臂梁的支撑悬空于上盖板10与下盖板30之间的空间内且质量块20与上盖板10和下盖板30都保持一定距离即可。

悬臂梁为“U”形直线曲折或者弧线弯曲的形状，用于支撑质量块20在上盖板10与下盖板30形成的空间内上下移动。悬臂梁优选地由直线构成，但也可以采用弧线方式，本领域技术人员应当理解，类似的“L”形、“<”形、“(”形或“∏”形等都属于“U”范畴，仍然属于本发明的保护范围。悬臂梁的宽度和长度对微加速度计的谐振频率等具有显著影响，悬臂梁总长度越长，质量块20的活动范围越大，悬臂梁的宽度越大，则悬臂梁结构本身更稳定。

质量块上表面和上盖板下表面分别设置第二电极602、第一电极601从而组成上电容对；质量块下表面和下盖板上表面分别设置第三电极603、第四电极604从而组成下电容对；各电极与传递电信号的导线70连通，导线70在悬臂梁内部或表面沿悬臂梁走线，导线70从上盖板10引出。在测量加速度时，质量块20偏离平衡位置，从而导致上电容对和下电容对发生变化并形成电容差，根据电容差即可测得加速度，此系微加速度计测量加速度的基本原理，故不再赘述。

本实施例的微加速度计的上盖板10、质量块20、下盖板30、悬臂梁采用LTCC材料，具体地，上盖板10、质量块20、下盖板30、悬臂梁分别由不同层数的LTCC生瓷片堆叠而成，且各LTCC生瓷片被制备成上盖板10、质量块20、下盖板30、悬臂梁适配的形状。在本发明的其它实施方式中，围框也可由LTCC生瓷片堆叠而成，且LTCC生瓷片具有与围框适配的形状

上盖板10、质量块20、下盖板30、悬臂梁的LTCC生瓷片的层数分别为3层、30层、3层、3层。即，本实施例的微加速度计共由36层LTCC生瓷片堆叠而成，其中第1层至第3层为上盖板10，LTCC生瓷片为方形片状；第4层至第33层为中间质量20块及悬臂梁结构，悬臂梁在第17至第19层，由3层LTCC堆叠而成，第4层至第16层以及第20层至第33层LTCC生瓷片为方形片状，第17至第19层LTCC生瓷片的形状根据质量块20形状与悬臂梁形状进行结合设计；第34层至第36层为下盖板30，LTCC生瓷片为方形片状。

上盖板10与质量块20之间，以及质量块20与下盖板30之间留出一定距离，例如一层LTCC生瓷片的距离即100um从而允许质量块20上下移动。

本实施例的LTCC材料采用杜邦公司951系列，其杨氏模量为120GPa，泊松比为0.17，抗弯强度为320MPa，导线及微加速度计外部所贴PAD采用配套印刷浆料。

如图3所示，本实施例的LTCC差分电容式微加速度计的制备工艺采用如下过程：

S1、流延。

本领域技术人员可采用常规的流延技术制作密度均匀的LTCC生瓷带，例如，将已经调配好的浆料转移到基带上从而形成均匀的膜浆，进而形成LTCC生瓷片，以刀片刮或者其它方式进行涂覆。浆料的调配是其中的关键一点，根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在一个很大的范围内变化，这一特殊的优势使得其在基板电路的设计中得到更加灵活的应用。流延设备对加工出的生瓷片的质量会有一定的影响。

S2、打孔与通孔填充。

在LTCC生瓷片上进行打孔(冲孔)的方式分激光冲孔和机械冲孔，本领域技术人员可根据需要选择合适的冲孔方案。采用激光冲孔，其打孔速度快，最小打孔孔径可达0.1mm，精度可达±10μm，但其缺点是打盲孔的概率高；机械打孔孔径一般为0.25mm，对于LTCC工艺，一般通孔直径范围处于0.15-0.25mm为最佳，其优点是有利于提高基板布线密度和改善通孔的金属化。完成打孔后即进行通孔填充，通孔金属浆料的填充方式有掩膜印刷、丝网印刷和流延印刷三种类型，其中丝网印刷最常用。通孔的填充质量影响电路的有效性，因此是相对关键的一步；电路中传输线的形成可以采用丝网印刷的方式，通常可达到的线条宽度和线条间距小于0.1mm，通过使用高电导率的金属作为传输系统导体材料，有利于提高电路的品质因数。

S3、对准。

对准的精度直接影响产品的质量，本实施例采用图形识别和定位孔来定位将各层LTCC生瓷片对准，在通常布线密度下对准精度能达到±50μm。

S4、层压。

将多层LTCC生瓷片对准后叠放在一起，在一定的温度和压力下完成层压。压头的温度和压力的大小都将影响最终产品的质量，层压的压力大小必须均匀，否则陶瓷生瓷片会由于压力的不均匀而崩裂，因此该过程需要严格的关注。在此过程中，可以同时对每一层的布线和通孔进行检查，有利于提高LTCC生瓷片多层基板的成品率，可以缩短生产周期，降低生产成本。

S5、共烧。

将层压后的LTCC生瓷片放入高温炉中，按照既定的烧结曲线烧结，使得LTCC生瓷片和金属浆料一次性烧结成型，排除其中的有机胶，从而得到烧结后的陶瓷基板。对于成功的共烧过程，烧结曲线和炉膛温度的均匀性是重要的前提条件，如何控制不同材料之间的收缩失配及界面反应也是关键问题。烧结时升温不能太快，否则烧结后LTCC基板的收缩率大，使得基板平整度差。对于低温共烧陶瓷来讲，烧结条件(如温度)由金属导体材料的熔点和阻止其导体材料氧化决定。本实施例在制作过程中选用银、银钯、金作为金属材料。

S6、装配和检测。

对于加工成型的陶瓷基板，将集成芯片、有源元器件或导线贴装在基板表面即可形成一定功能的电路器件。在装配时可采用回流焊工艺，因为相对于树脂材料印刷电路板，低温共烧陶瓷基板的耐热性更好，在高温时也有优良的可靠性，且其热膨胀系数较低，使其具有更好的稳定性。各连接部分采用玻璃辅助键合。

本发明的LTCC差分电容式微加速度计，其悬臂梁采用U形梁结构，制备简单，与其它形式的悬臂梁相比，在相同梁尺寸下可大幅度降低占用的空间；微加速度计测量结果漂移低，温度效应很小，灵敏度相对较高，检测模态刚度小，交叉耦合小，综合性能好。U形梁参数对微加速度计的性能起着十分重要的作用，随着弹性悬臂梁宽度的增加，微加速度计的谐振频率不断增大；而随着悬臂梁长度的增加，微加速度计的谐振频率不断减少，因此U形梁的宽度和长度对微加速度计结构谐振频率的影响作用十分显著。增大悬臂梁的长度，减小悬臂梁的宽度，微加速度计其结构的谐振频率减小，但能够提高器件的分辨率；减小梁的长度，增大梁的宽度，微加速度计其结构的谐振频率加大，稳定性得以提高，但器件的分辨率和开环灵敏度会降低。本领域技术人员可以根据实际需求对悬臂梁的长度与宽度进行设计，从而使得微加速度计的整体性能达到最佳状态。另外，悬臂梁采用U形结构，能够使微加速度计的工作稳定性得到有效改善，降低测量误差，使得器件整体性能大大提高。

LTCC材料作为先进封装基板，能够满足微系统的高密度三维集成，LTCC材料优良的特性，可将以LTCC材料为基板的MEMS器件应用于极端的恶劣环境。与现有技术中微加速度计所采取的硅结构相比，本发明采用LTCC材料，使得微加速度计的结构尺寸要大得多，是现有技术的10-100倍，本发明的LTCC差分式微加速度计应用到相应领域进行测量，LTCC材料的悬臂梁的尺寸更大、稳定性更好，能够使用的主动载荷更大，具有比现有技术更好的应用前景。

以上内容是结合具体的实施方式对所作的进一步详细说明，不能认定的具体实施只局限于这些说明。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。