一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石英晶片制作方法领域，尤其是涉及一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法。
【背景技术】
[0002]压电传感器用得最多的是力传感器，其中压电式传感器尤为重要。随着传感器及物联网技术的发展，对传感器的要求越来越高，用石英晶体作为相应传感器的敏感材料也越来越多地被应用，石英晶体具有时间温度稳定性好、机械强度和品质因数高、刚度大、固有频率高、动态性能好等优势，用其制作的传感器具有性能稳定、精度高、寿命长、灵敏度高、线性好、无滞后性、机械强度大、结构坚实、温域宽、受温度影响小、工作范围宽、动态性能好、体积小、重量轻、硬度高等优点。石英晶片的加工工艺也影响着其传感器的性能，然而现有的石英晶片加工工艺非常差，完全达不到技术要求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于:针对现有技术存在的问题，提供一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，解决现有英晶片加工工艺非常差的问题。
[0004]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0005](I)选材:选取腐蚀隧道小于50条的原材料；
[0006](2)材料定向切割:将挑选的原材料在X光定向仪上按所需晶向进行定向，然后用多线切割的方式将石英晶体切割成所需厚度的晶片；
[0007](3)材料成型:将晶片加工成所需形状；
[0008](4)表面处理:将成型的晶片用粒度逐渐减小的绿碳化硅磨料进行研磨，然后进行抛光；
[0009](5)应力消除。
[0010]优选的，将挑选的原材料在X光定向仪上按所需晶向进行定向时，其方法步骤如下:
[0011](21)根据材料的结晶形态确定其坐标轴，选取两个面作为基准面，两个基准面相互垂直；
[0012](22)选取与基准面最接近的原子面进行测角，将测量值与理论值进行对比、修正，从而实现定向精度在±3'以内。
[0013]优选的，当对晶片的外圆进行加工时，步骤如下:
[0014](31)将材料粘接成15?20mm厚的坨；
[0015](32)在外圆磨床上用金刚石磨轮进行外圆粗加工；
[0016](33)用树脂磨轮进行细加工；
[0017](34)最后用抛光磨轮进行精加工。
[0018]优选的，对成型的晶片进行抛光时，先用粒度D50为2 μπι的氧化铈抛光粉进行粗抛光，然后利用粒度D50为0.8 μπι的氧化铈抛光粉进行精抛光，
[0019]优选的，对成型的晶片进行抛光时，开始时采用3Κρ的压力抛光5圈，过渡时采用4Κρ压力抛光10圈，最后采用5Κρ的压力进行抛光。
[0020]优选的，对成型的晶片进行抛光时，抛光液PH值设定在10?10.5。
[0021]优选的，应力消除采用自然老化或加速老化。
[0022]优选的，加速老化的方法包括以下步骤:
[0023](51)倒边24?36小时；
[0024](52)泡酸:用I %的磷酸溶液浸泡2小时，0.1 %的氢氟酸溶液浸泡30分钟；
[0025](53)老化退火:温度100±10°C，时间24小时。
[0026]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0027]1、通过选材-材料定向切割-材料成型-表面处理-应力消除五大步骤，制作出的石英晶片精度尚、稳定性尚，完全能满足压电式传感器的需要；
[0028]2、采用独创的定向切割方法，可使定向精度控制在±3'以内，进而不会影响传感器的测量精度；
[0029]3、采用独创的晶片外圆加工工艺，可使加工精度在±0.05mm以内，进而不会影响传感器中敏感元件和外壳间的配合和传感器的精度；
[0030]4、采用独创的表面处理工艺，可让最终晶片的表面粗糙度达到0.5nm以内，翘曲度达到10 μπι以内，进而不会对传感器的精度和稳定性产生重大影响；
[0031]5、采用独创的应力消除工艺，可快速高效的消除应力。
【具体实施方式】
[0032]下面以具体实施例对本发明进行详细说明。
[0033]实施例
[0034]本发明提供了一种高精度、高稳定性的压电式传感器用石英晶片的制备方法，该方法包括步骤如下:
[0035]步骤一:首先要对原材料(人造水晶)进行挑选，选取腐蚀隧道小于50条、能满足晶片设计尺寸的原材料。
[0036]步骤二:材料定向切割。
[0037]将挑选的原材料在X光定向仪上按所需晶向进行定向(XY切、YX切)，定向精度将最终影响其传感器的测量精度，因此要求定向精度在±3'以内。为了将定向精度控制在±3'以内，首先根据材料的结晶形态确定其坐标轴，选取两个面作为基准面(一个切割面、一个粘胶面)，要求切割面垂直于粘胶面，选取与基准面最接近的原子面进行测角，将测量值与理论值进行对比、修正。最后，将磨好基准面的材料在0°对角器上粘料，用多线切割的方式将石英晶体切割成所需厚度(0.1?5.0mm)。
[0038]步骤三:材料成型。
[0039]根据设计要求将晶片加工成所需形状(圆形、圆环、圆柱、半圆柱、方形、方形带孔等)，加工精度将影响传感器中敏感元件和外壳间的配合和传感器的精度，要求精度在±0.05mm以内。本实施例提供一种加工精度在±0.05mm以内的对外圆的加工工艺技术:首先将材料粘接成15?20mm厚的坨，在外圆磨床上用金刚石磨轮进行外圆粗加工，再用树脂磨轮进行细加工，最后用抛光磨轮进行精加工，以达到精度要求。对内孔的加工采用自制的立式高速内孔磨床加工(该磨床为ZL2014204077949公开的磨床)。
[0040]步骤四:表面处理。
[0041]将成型的晶片用粒度逐渐减小的绿碳化硅磨料(CG1000# — GC4000#)进行研磨，用粒度D50为2 μ m的氧化钟抛光粉进行粗抛光，最后用粒度D50为0.8 μ m的氧化钟抛光粉进行精抛光。根据我们的加工经验及抛光粉颗粒分析得知，在粒度D50为0.8 μ m的抛光粉中如果含有5 μ m以上粗颗粒抛光粉，将会造成晶片表面划伤，而现在市面上D50为0.8 μ m的抛光粉均含有不同比例5 μπι以上的粗颗粒，因此要想得到更好的抛光效果，必须对精抛光的抛光粉进行精密分级。我们采用自制的塔式水分级器对购买的D50为0.8 μπι的抛光粉进行分级，通过改变操作条件来控制粒度上限5 μ m，从而避免了粗颗粒对晶片造成划伤。
[0042]晶片的表面质量将对传感器的精度和稳定性产生重大影响。在表面加工过程中不能产生划伤、双晶，需要逐步提高晶片的平行度和平面度，让最终晶片的表面粗糙度达到0.5nm以内，翘曲度达到10 μπι以内。要达到该精度要求除了前述对抛光粉的粒度要求外，还需注意以下几点:1、抛光压力的设定，压力过小、过大都会产生抛光缺陷，通过验证，压力设定为:开始采用3Κρ压力抛光5圈，过渡时采用4Κρ的压力抛光10圈)，最后抛光时控制为5Κρ。2、抛光液PH值设定在10?10.5。
[0043]步骤五:应力消除。
[0044]石英晶片在长时间的加工过程中积累了大量应力，如果这些应力得不到消除，将大大降低传感器的精度和灵敏度。应力消除一般是采用自然老化的方式，但这种方式周期长，不能快速反应市场。本发明提供一种加速老化的工艺，通过倒边(CG1000#—CG2000#，时间24—36小时)、泡酸(用I %的磷酸溶液浸泡2小时，0.1 %的氢氟酸溶液浸泡30分钟)、老化退火(温度100±10°C，时间:24小时)等方式对晶片进行加速老化，以消除应力。
[0045]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)选材:选取腐蚀隧道小于50条的原材料； (2)材料定向切割:将挑选的原材料在X光定向仪上按所需晶向进行定向，然后用多线切割的方式将石英晶体切割成所需厚度的晶片； (3)材料成型:将晶片加工成所需形状； (4)表面处理:将成型的晶片用粒度逐渐减小的绿碳化硅磨料进行研磨，然后进行抛光; (5)应力消除。
2.根据权利要求1所述的一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，其特征在于，将挑选的原材料在X光定向仪上按所需晶向进行定向时，其方法步骤如下: (21)根据材料的结晶形态确定其坐标轴，选取两个面作为基准面，两个基准面相互垂直； (22)选取与基准面最接近的原子面进行测角，将测量值与理论值进行对比、修正，从而实现定向精度在±3'以内。
3.根据权利要求1所述的一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，其特征在于，当对晶片的外圆进行加工时，步骤如下: (31)将材料粘接成15?20mm厚的坨； (32)在外圆磨床上用金刚石磨轮进行外圆粗加工； (33)用树脂磨轮进行细加工； (34)最后用抛光磨轮进行精加工。
4.根据权利要求1所述的一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，其特征在于，对成型的晶片进行抛光时，先用粒度D50为2 μ m的氧化铈抛光粉进行粗抛光，然后利用粒度D50为0.8 μ m的氧化铈抛光粉进行精抛光。
5.根据权利要求1所述的一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，其特征在于，对成型的晶片进行抛光时，开始时采用3Kp的压力抛光5圈，过渡时采用4Κρ压力抛光10圈，最后采用5Κρ的压力进行抛光。
6.根据权利要求1所述的一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，其特征在于，对成型的晶片进行抛光时，抛光液PH值设定在10?10.5。
7.根据权利要求1所述的一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，其特征在于，应力消除采用自然老化或加速老化。
8.根据权利要求7所述的一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，其特征在于，加速老化的方法包括以下步骤: (51)倒边24?36小时； (52)泡酸:用I%的磷酸溶液浸泡2小时，0.1 %的氢氟酸溶液浸泡30分钟； (53)老化退火:温度100±10°C，时间24小时。
【专利摘要】本发明提供一种高精度压电式传感器用石英晶片制备方法，该方法包括以下步骤：(1)选材：选取腐蚀隧道小于50条的原材料；(2)材料定向切割：将挑选的原材料在X光定向仪上按所需晶向进行定向，然后用多线切割的方式将石英晶体切割成所需厚度的晶片；(3)材料成型：将晶片加工成所需形状；(4)表面处理：将成型的晶片用粒度逐渐减小的绿碳化硅磨料进行研磨，然后进行抛光；(5)应力消除。本发明通过选材-材料定向切割-材料成型-表面处理-应力消除五大步骤，制作出的石英晶片精度高、稳定性高，完全能满足压电式传感器的需要，且各工艺步骤都能达到很高的处理精度。
【IPC分类】B28D5-00, B24B37-04
【公开号】CN104526889
【申请号】CN201410660830
【发明人】王天雄, 陈金灵, 王显文
【申请人】四川省三台水晶电子有限公司
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年11月19日