微加速度计及其制备方法

专利名称：微加速度计及其制备方法
技术领域：
本发明是关于微惯性器件的加工技术，具体涉及以一种微加速度计及其制备方法。
背景技术：
微惯性器件主要包括微加速度计和微陀螺，由于具有体积小、重量轻、测量精度较高、 单件价格低廉、便于并行制造等突出优势，受到各国政府、军方及军事科技研究机构或公 司的高度重视。微惯性器件已经广泛应用于战术导弹/智能炮弹中段制导、灵巧炸弹制导及 姿态控制、无人机制导等场合。在民用领域，中、低精度的微加速度计也己经在汽车姿态 和行驶控制、工业设备运动监测、健康监测、摄像头稳定及智能玩具等消费类电子领域得 到了商业化应用。
目前的微加速度计是以硅基微机械加工工艺在硅等半导体集成电路衬底材料上加工 而成的微型化加速度测量器件。这些微惯性器件一般包括敏感元件(sensing element)和信 号检测电路(detection circuit)两部分。
现有的微加速度计的关键部件是其敏感元件，以硅为主要结构材料，以便利用硅材料 在常温下良好的微机械特性。敏感元件的结构主要包括一个由低刚度的挠性悬挂支撑的敏 感质量块，挠性悬挂一段与敏感质量块相连，另一端与一个平面图形为封闭图形的框架的 侧边相连，挠性悬挂、敏感质量块位于框架内部。敏感元件的微加工工艺来源于半导体集 成电路工艺，可分为体型微机械加工和表面微机械加工两大类。前者一般是通过各向异性 湿法腐蚀或者干法刻蚀对单层硅片进行微机械加工、制作出敏感质量块和挠性结构后，通 过阳极键合或者熔融键合将其固定到特定衬底上，如玻璃片或另一层硅片；后者则是利用 半导体集成电路工艺，结合牺牲层淀积与腐蚀、释放工艺，在硅片表面形成悬空的多晶硅 薄膜，并使其平面图形形成敏感质量块和挠性悬挂结构。信号检测电路方面，技术已经发 展成熟，无论是压阻或是电容式敏感原理，已经有裸芯片形式的通用型电路产品出售，有 的信号检测电路实现了与表面微机械工艺加工的敏感元件在硅片上的单片化集成。
目前，现有的微加速度计器件及其制备方法存在各种不足，这些不足使得器件的精度 难以进一步提高，或者其成本进一步降低，限制了其在那些需要对加速度进行高精度、大 动态范围测量的场合以及环境条件恶劣场合的应用，而且也影响到其在消费类电子产品等 需要大批量、低成本加速度或角速率测量器件的普及。这些不足包括1) 敏感元件结构中，敏感质量块的厚度受到限制。表面微机械工艺加工的敏感质量 块的厚度不超过5)am，相应的微加速度计测量分辨率、信噪比等性能较差，无法满足军用 或者高端消费类应用；军用微加速度计所需的厚敏感质量块， 一般采用干法深刻蚀或者长 时间的湿法腐蚀等体型微加工方法来制作，其厚度一般也无法超过单层硅片，此时常见的 方法是对硅片进行长时间腐蚀或刻蚀，以贯穿整个硅片，形成所需的敏感质量块几何形状， 相应的工艺成本较高；对于微重力测量等领域，往往需要通过熔融键合将2 4层硅片层叠 起来，以获得厚度超过单层硅片的敏感质量块，此时分布在不同层硅片上的电极或者压阻 应变片之间的电互连极为困难，如果采用TSV (Through-Si-Via，穿硅过孔)来实现这种电 互连，则需增加相应的干法刻蚀(贯穿整层硅片)、侧壁绝缘层淀积、电镀等半导体工艺， 这会极大地增加工艺成本，另外熔融键合的工艺难度很大，包括圆片对准困难，工艺时间 长，工艺温度高，成品率难以保证等，因此成本很高。
2) 由于硅基微机械加工工艺限制，挠性悬挂的厚度一般不能小于5pm;于是敏感质量 块的厚度和挠性悬挂的厚度比难以自由选择，这就限制了加速度计的结构设计的灵活度以 及器件的最终分辨率，使之很难应用于微重力测量等需要高灵敏度或分辨率的应用，或者 载体姿态测量等需要宽动态范围的应用。
3) 以硅为结构材料的加速度计敏感元件很难耐受30(TC以上的工作环境温度。
4) 硅基微机械加工来源于半导体集成工艺， 一般必须在超净间中完成，与其他微加 工工艺相比，工艺设备的投资和加工/运行成本高；如果硅片设计发生变化，往往必须相应 修改光刻掩膜版和工艺参数，带来成本的进一步上升。
5) 现有的硅基微加工工艺加工出的加速度计敏感元件和信号检测电路， 一般需要固 定到某种封装基板表面上，再通过专门的封装工艺完成整个器件的封装；当加速度计还需 要与封装基板上的其他芯片(如陀螺、惯性测量单元电路、数字信号处理电路) 一起集成 为功能相对完备的SiP (System-in-Package，系统级封装)时，加速度计敏感元件和电路都 将占用基板表面面积(其面积往往与DSP等电路芯片相当)，影响到整个封装的功能和器 件集成度的提高；
6) 加速度计敏感元件贴放到封装衬底的工艺过程，很难保证敏感元件的敏感轴向与 其他器件或整个SiP的封装基板的主要轴向保持对准，而这会影响到封装后加速度计的测量 精度，故需要采用进一步的校准方法来实现对准，这种校准耗时长，而且成本较高
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种内嵌于微系统或微电子封装基板中的微 加速度计及其制备方法。 本发明的技术方案是
一种微加速度计，包括敏感元件和信号检测电路，所述敏感元件与信号检测电路之间 存在电连接，其特征在于，所述微机械加速度计设置在封装基板上，封装基板由上、下表 面板和若干个中间基板堆叠而成；所述信号检测电路附着在上表面板上；在多层中间基板 上分别设置贯穿基板的空洞，与其他中间基板或上、下表面板共同组成一空腔；带有空洞 的中间基板构成敏感元件的框架，敏感元件的挠性悬挂和敏感质量块设置在所述空腔内， 所述挠性悬挂的一端连接敏感质量块，另一端固定在框架上，且在敏感质量块和与敏感质 量块对应的框架表面上分别溅射金属电极，形成平板式敏感电容，或在挠性悬挂与框架内 侧面连接处的位置淀积金属压阻厚膜图形，构成金属压阻应变计。 所述封装基板为低温共烧陶瓷(英文縮写LTCC)基板。
所述微加速度计敏感元件的敏感质量块形状为正方体或长方体的实心结构，该敏感质 量块具有三个相互垂直且相交于质心的镜像对称面，两个对称面垂直于中间基板，另一个
对称面则平行于中间基板。
框架在厚度方向(即垂直于中间基板的方向)上对应的基板层数(/7)与敏感质量块 在厚度方向上对应的层数(w)之间的关系应满足p^"+2。
所述挠性悬挂由若干个板弹簧结构组成。
若敏感轴向垂直于中间基板，则在敏感质量块上表面上以及与之相对的上表面板的下 表面上淀积金属电极，形成上敏感电容，同时在敏感质量块下表面上以及与之相对的下盖 板或下表面板的上表面上淀积金属电极，形成下敏感电容，若敏感轴向平行于中间基板， 则分别在敏感质量块的两个侧面和与之相对的框架内侧面上分别淀积金属，形成平行板式 的敏感电容。
釆用压阻式原理时，若敏感轴向垂直于中间基板，则在挠性悬挂的上表面上接近挠性 悬挂与框架内侧面连接处的位置淀积金属压阻厚膜图形，构成金属压阻应变计，其测量方 向与挠性悬挂的长边相平行；采用压阻式原理时，若敏感轴向平行于中间基板，则在挠性 悬挂的侧面(垂直于基板方向)上接近挠性悬挂与框架内侧面连接处的位置淀积金属压阻 厚膜图形，构成金属压阻应变计，其测量方向与挠性悬挂的长边相平行。
一种微加速度计的制备方法，其步骤包括，
1)在多层LTCC生瓷板上分别制作出水平和垂直电互连，水平电互连是通过在LTCC生瓷板上、下表面上用金属桨料印制厚膜图形而形成，垂直电互连是通过贯穿LTCC生瓷 板、填充金属浆料的过孔而形成；
2) 将上述LTCC生瓷板平行堆叠，并进行预叠压；
3) 切割上述LTCC生瓷板，使之出现空洞，相应形成敏感质量块、挠性悬挂和框架结
构；
4) 在敏感质量块和与敏感质量块对应的框架表面上分别溅射金属电极，形成平板式敏 感电容，或在挠性悬挂与框架内侧面连接处的位置淀积金属压阻厚膜图形，构成金属压阻 应变计；
5) 在框架结构内填充牺牲材料，叠加上、下表面LTCC生瓷板，并设置水平和垂直电 互连；
6) 叠压所有的LTCC生瓷板；
7) 烧结叠压后的LTCC生瓷板，让牺牲材料挥发或排出，形成内嵌于封装基板内的敏 感元件结构，并完成与附着在上表面板的信号检测电路的电连接。
所述烧结温度为750—95CTC 。
所述预叠压采取等静压方式，所用压力范围是8 15atm (大气压)，低于目前常规的 LTCC基板叠压工艺，温度为40 5(TC。
所述叠压采取等静压方式，所用压力范围是15 35atm(大气压)，与目前常规的LTCC 基板叠压工艺所用压力相当，温度为50 8(TC。
所述金属浆料为内含Au、 Ag或Cu颗粒的有机浆料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是
1) 敏感结构是分别在多层LTCC基板生瓷带上加工的2.5维结构(即平面结构灵活多 样，而厚度方向的形状单一的结构)对准、堆叠后形成的具有大高宽比的三维化结构，因 此可以制作厚度和重量远远大于硅基微加速度计的、三维几何形状可以满足特定要求的敏
感质量块(如矩形截面)，而且挠性悬挂结构的厚度和刚度可以在较大范围内灵活调节， 故其敏感结构可望具有较低的加速度测量灵敏限(即高分辨率)、较大的测量动态范围、 较小的零位随机漂移；
2) 加工工艺与现有的可内埋无源电路元件的LTCC基板加工工艺流程兼容性好，通 过开发LTCC体型微机械加工工艺、空腔牺牲材料工艺等专用工艺，就可以形成相应成套 工艺，发挥基于丝网印刷/浆料金属化/多层叠压/烧结LTCC基板的工艺成本远低于基于传 统半导体加工的硅基微机械工艺、且加工/样机验证周期较短的突出优势，在很好地适应军
7工等行业对可快速转向(short turnaround)的、小批量/多品种的生产能力的需求的同时， 兼顾大批量生产的需求；
3) 加工方法也可以方便地制作出内嵌于基板中的其他三维化微/纳功能结构，如微陀 螺、微管道、微温度传感器等；
4) LTCC加速度敏感结构内嵌于面向系统级封装的多层LTCC基板中，并通过烧结与 基板融为一体，可以在为电路芯片及其叠层留出宝贵的封装基板表面空间的同时，让基板 本身具有空间位置和载体运载状态敏感能力，从而提高其智能度，并实现系统级封装的高 度集成化；另外，可以较方便地在基板内同时加工出厚度方向结构力学参数不同的敏感结 构，构成量程和频率响应范围不同的加速度计阵列，从而以单个器件封装满足军用飞行载 体在不同飞行段的加速度测量需求；
5) LTCC加速度或者角速度敏感结构可以内嵌于面向系统级封装的多层LTCC基板 中，并通过烧结与基板融为一体；于是，由于烧结工艺可以为敏感元件内部形成较好的密 封，其敏感元件内部的气氛可以不受工作环境气氛的影响，而且可以通过改变叠压、烧结 时的气氛和温度的方法，来调整敏感元件内部的压强和空气阻尼，从而大大改善相应微惯 性器件的测量精度和工作可靠性，而且工艺成本低；而目前的LTCC微加速度计技术必须 粘接到另外的封装衬底上，再去进行气密封装，其成本和质量难以达到本工艺方案的水平。
6) 近年来，包括申请者在内的研究人员发现，LTCC材料具有机械特性好、物理/化 学稳定性好、耐高温等优点，如果与W等难熔金属结合，可以制作成能耐受高温(》300 °C)恶劣环境的加速度计，服务于航空、航天发动机工况监测、机翼颤振监测等军事领域， 以及油气勘探等工业应用领域。
7) 可以保证在微惯性器件随载体一起加速运动或振动时，敏感质量块有足够的移动 空间以实现加速度或者角速度的测量，同时在垂直于基板方向上的加速度过大时，可以利 用敏感元件上方或下方的中间基板或者上、下表面板来阻止质量块发生较大的位移，从而 防止挠性悬挂发生过大的形变而断裂。


图1本发明微惯性器件制备方法所加工的微加速度计的基本敏感结构的侧视图。
图2本发明微惯性器件制备方法所加工的微加速度计的敏感轴向平行于基板时敏感元
件的一种实施结构示意图，其中挠性悬挂为单个"一"字板弹簧，(a)为俯视图，(b)
为A—A向剖视图。图3本发明微惯性器件制备方法所加工的微加速度计的敏感轴向平行于基板时敏感元 件的一种实施结构示意图，其中挠性悬挂为单个"弓"字板弹簧，(a)为俯视图，(b) 为A—A向剖视图。
图4本发明微惯性器件制备方法所加工的微加速度计的敏感轴向平行于基板时敏感元 件的一种实施结构示意图，其中挠性悬挂为两个"弓"字板弹簧，相对于敏感质量块的垂 直镜像对称面呈镜像对称关系，(a)为俯视图，(b)为A—A向剖视图。
图5本发明微惯性器件制备方法所加工的微加速度计的敏感轴向垂直于基板时，敏感 结构的实施示意图，(a)为结构分解图，(b)工艺制备完成后结构的纵向剖视图。
图6本发明微惯性器件制备方法所加工的微加速度计的敏感轴向平行于基板时，敏感 结构的实施示意图，(a)为结构分解图，(b)工艺制备完成后结构的纵向剖视图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述
图1示出了本发明微惯性器件制备方法所加工的微加速度计的敏感元件基本结构剖视
图。图中的多层封装基板由平板状的上表面板la、下表面板lb和2a g等中间基板堆叠 而成，材料均为LTCC，在经过烧结工艺后成为一体化的多层封装基板。信号检测电路4 可釆用商品化的、通用型的加速度计信号检测电路芯片，也可以采用专门设计的信号检测 电路芯片，可以贴装到在上表面板la上开出的凹槽3底部的金属焊盘上，芯片通过凹槽底 部的这些焊盘以及这些焊盘下方的垂直过孔5与敏感元件实现电互连。中间基板2b 2f 上带有贯穿基板的空洞，空洞侧壁垂直于基板，且在平行于基板的方向上呈中空的闭合图 形，即空腔(可参见图2),这些基板堆叠起来构成了敏感元件。敏感元件包含框架6、 挠性悬挂7和敏感质量块8。框架6为2b 2f等中间基板，挠性悬挂7由中间基板2c、 2d 组成，敏感质量块8由中间基板2c、 2d、 2e切割而成，其中2b和2f层中间基板只具有框 架图形，用于为敏感质量块提供上下移动的空间和在敏感质量上方和下方形成具有合适阻 尼特性的气隙。挠性悬挂7在垂直于基板方向上的刚度很小，当沿所述微加速度计的敏感 轴向有加速度输入时，敏感质量块相对于框架发生平行于基板方向的位移，检测出该位移 就可以测量出加速度和的方向和大小；挠性悬挂7在平行于基板的方向上的刚度很高，若 沿这些方向有加速度输入时，敏感质量块发生的位移很小，微加速度计的输出也很小，从 而保证了所述微加速度计具有很低的交叉轴敏感度。敏感元件上方还可以堆叠上盖板2a， 下方堆叠下盖板2g，从而将2b 2f各层基板的空洞所形成的内腔封闭起来；在具体实施
9中，当多层封装基板所用的基板的层数较少时，也可以省去上、下盖板，而直接由上表面 板和下表面板来实现封闭。在所述多层封装基板的内部各层基板上，可以通过现有的基板 电互连加工工艺，加工出具有任意形状的平面电互连和垂直过孔5，从而形成高密度的、 立体化的电互连网络；因此信号检测芯片可以轻松地通过该电互连网络与分布在敏感质 量、挠性悬挂上的敏感电极或者压阻应变厚膜图形实现电连接，其加工难度和实现成本要 远远低于现有的硅基的微机械加工工艺所加工出的多层化的微加速度计敏感元件。
图2给出了本发明微加速度计的敏感轴向平行于基板时敏感元件时的一种实施结构示 意图，其中(a)为俯视图，(b)为A—A向剖视图。图(a)中的点划线9和10分别代 表敏感质量块的垂直镜像对称面；双箭头11示出了加速度计的敏感轴向。挠性悬挂7采用 具有矩形截面的板弹簧结构，其平行于中间基板的上、下表面呈"一"字形、侧面(垂直 于中间基板方向)的宽度则是基板的厚度的2倍；挠性悬挂7的中性面与敏感质量块的一 个镜像对称面9相重合。
图3示出了本发明微加速度计的敏感轴向平行于基板时敏感元件时的一种实施结构示 意图，其中(a)为俯视图，(b)为A—A向剖视图。图(a)中的点划线9和10分别代 表敏感质量块的垂直镜像对称面；双箭头ll示出了加速度计的敏感轴向。挠性悬挂7采用 具有矩形截面的板弹簧结构，其平行于中间基板的上、下表面呈"弓"字形、侧面(垂直 于中间基板方向)的宽度则是基板的厚度的2倍，其在垂直于中间基板方向上呈弯曲的板 状结构。
图4示出了本发明微加速度计的敏感轴向平行于基板时敏感元件时的一种实施结构示 意图，其中(a)为俯视图，(b)为A—A向剖视图。图(a)中的点划线9和10分别代 表敏感质量块的垂直镜像对称面；双箭头11示出了加速度计的敏感轴向。挠性悬挂7a、 7b采用具有矩形截面的板弹簧结构，其平行于中间基板的上、下表面呈"弓"字形、侧面 (垂直于中间基板方向)的宽度则是基板的厚度的2倍，其在垂直于中间基板方向上呈弯 曲的板状结构；两个挠性悬挂尺寸相同，并相对于敏感质量块的垂直镜像对称面9成镜像 对称关系。
图5给出了本发明微加速度计的敏感轴向垂直于基板时敏感元件时的一种加速度敏感 结构及其制备方法的具体实施方案示意图。图中框架的一部分被除去，以清楚地显示敏感
质量块及挠性悬挂。图中所示的微加速度计采用了电容式敏感原理；在敏感质量块8上表 面上以及与之相对的上盖板或上表面板的下表面上淀积金属电极12a和12b，形成上敏感 电容，同时在敏感质量块下表面上以及与之相对的下盖板或下表面板的上表面上淀积金属电极12c和12d，形成下敏感电容，这样，有加速度输入时，敏感质量块发生上、下移动， 使得上、下敏感电容发生相反变化，利用信号检测电路将这种变化测量出来，就可以得到 所需的加速度测量信号。
图5所示器件的加工工艺流程主要为
1) 利用常规的切割方法，在同一种生瓷片(一般制作为带状结构)上切割出平面尺寸
相同的9层单层LTCC封装基板生瓷板，即la、 lb， 2a 2g，其厚度均为100pm。
2) 在上述生瓷板上以常规的LTCC基板互连加工工艺分别制作出水平和垂直电互连， 前者是在基板上下表面上用金属浆料印制而成的厚膜图形，后者是贯穿基板的、填充金属 浆料的过孔；然后将基板2c 2e平行堆叠起来，并进行预叠压(pre-laminate);
3) 利用湿法腐蚀、深反应离子刻蚀、精密机械切削、激光精密切削等体型微机械加工 方法，除去生瓷板2c 2e上的部分材料，形成贯穿多层的空洞，使预叠压后的生瓷板2c 2e在平行于基板方向上形成被框架包围的敏感质量块和挠性悬挂的平面图形，从而得到敏 感质量块8、挠性悬挂7、框架6的三维结构；
4) 在生瓷板2c 2e的上、下生瓷板2b和2f上用体型微机械加工方法除去部分材料， 形成框架图形，制作出框架层生瓷片；
5) 对上述工艺2) 、 3)中形成的敏感质量块8的上表面和上盖板2a的下表面分别印 制金属浆料图形12a和12b,在敏感质量块8的下表面和下盖板2g的上表面分别印制金属 浆料图形12c和12d， 12a、 12b组合以及12c、 12d组合分别形成用于测量垂直轴向加速度 的上敏感电容结构以及下敏感电容结构，这两个电容中间构成差动关系，即一个电容的电 容值增大时，另一个相应减小，这样就可以提高测量的精度和灵敏度；这些电极12a 12d 在所有生瓷板叠压后通过生瓷板上预先制作的垂直和水平互连与信号检测电路4相连；
6) 在经过预叠压的生瓷板2c 2e的下方堆叠框架层生瓷片2f，堆叠时保证两层生瓷 片的图形对准；然后在框架层下方堆叠下表面板2g;在敏感元件结构层上方堆叠另一生瓷 片框架层生瓷片2b，在各层材料的空洞中填充牺牲材料(一般为石蜡、石墨或者基于石蜡、 石墨的有机填充材料)，并在框架层上方堆叠上表面板2a;堆叠时使各层生瓷片的平面图 形对准；
7) 在其他不包括敏感元件结构的中间基板生瓷带上利用常规的LTCC多层封装基板工 艺技术制作立体化的电互连，包括水平互连和垂直过孔；
8) 将构成敏感元件以及三维系统级封装基板的所有单层及预叠压的多层基板在等静压 条件下进行叠压(laminate)，工艺6)中填充的牺牲材料可防止叠压时基板塌陷；所层叠出的多层基板内部将形成大高宽比悬空敏感质量以及立体化的电互连；
9)对基板加以烧结，并让牺牲材料挥发或排出后，就可以最终形成内嵌于多层封装基 板中的微惯性器件的敏感元件结构，并完成敏感电容基板或者压敏电阻与信号检测电路部 分的电连接。
图6示出了本发明微加速度计的敏感轴向平行于基板时敏感元件时的一种加速度敏感 结构的具体实施方法示意图。敏感质量块8的侧面和与之相对的框架内侧面上分别淀积金 属电极13a、 13b，形成平行板式的敏感电容，这样，有加速度输入时，敏感质量块发生沿 敏感轴向的移动，使得敏感电容发生相反变化，利用信号检测电路将这种变化测量出来， 就可以得到所需的加速度测量信号。
图6所示器件的加工工艺流程主要为
1) 利用常规的切割方法，在同一种生瓷片(一般制作为带状结构)上切割出平面尺寸 相同的9层单层LTCC封装基板生瓷板，即la、 lb， 2a 2g，其厚度均为100pm。
2) 在上述生瓷板上以常规的LTCC基板互连加工工艺分别制作出水平和垂直电互连， 前者是在基板上下表面上用金属浆料印制而成的厚膜图形，后者是贯穿基板的、填充金属 浆料的过孔；
3) 在生瓷板2b和2f上用体型微机械加工方法除去部分材料，形成矩形的空洞，制作 出框架层生瓷片；然后将基板2b 2f平行堆叠起来，并进行预叠压(pre-laminate);
4) 利用湿法腐蚀、深反应离子刻蚀、精密机械切削、激光精密切削等体型微机械加工 方法，除去生瓷板2c 2e上的部分材料，形成贯穿多层的空洞，使预叠压后的生瓷板2c 2e在平行于基板方向上形成被框架包围的敏感质量块和挠性悬挂的平面图形，从而得到敏 感质量块8、挠性悬挂7、框架6的三维结构；
5) 对上述工艺2) 、 3)中形成的敏感质量块8的侧表面和与之相对的框架的垂直侧 壁面上通过磁控溅射方法，形成金属电极图形13a和13b，形成用于测量水平轴向加速度 的敏感电容结构，该电极在所有生瓷板叠压后通过生瓷板上预先制作的垂直和水平互连与 信号检测电路4相连；
6) 在经过预叠压的生瓷板2b 2f的下方堆叠下盖板2g，堆叠时保证两层生瓷片的图 形对准；在各层材料的空洞中填充牺牲材料(一般为石蜡、石墨或者基于石蜡、石墨的有 机填充材料)，并在框架层上方堆叠上盖板2a;堆叠时使各层生瓷片的平面图形对准；
7) 在其他不包括敏感元件结构的中间基板生瓷带上利用常规的LTCC多层封装基板工 艺技术制作立体化的电互连，包括水平互连和垂直过孔；8) 将构成敏感元件以及三维系统级封装基板的所有单层及预叠压的多层基板在等静压 条件下进行叠压(laminate)，工艺6)中填充的牺牲材料可防止叠压时基板塌陷；所层叠 出的多层基板内部将形成大高宽比悬空敏感质量以及立体化的电互连；
9) 对基板加以烧结，并让牺牲材料挥发或排出后，就可以最终形成内嵌于多层封装基 板中的微惯性器件的敏感元件结构，并完成敏感电容基板或者压敏电阻与信号检测电路部 分的电连接。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的微加速度计，本领域的技术人员应当理 解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不
限于实施例中所公开的内容。
权利要求
1、一种微加速度计，包括敏感元件和信号检测电路，所述敏感元件与信号检测电路之间存在电连接，其特征在于，所述微机械加速度计设置在封装基板上，封装基板由上、下表面板和若干个中间基板堆叠而成，所述信号检测电路附着在上表面板上；在多层中间基板上分别设置贯穿基板的空洞，与其他中间基板或上、下表面板共同组成一空腔；带有空洞的中间基板构成敏感元件的框架，敏感元件的挠性悬挂和敏感质量块设置在所述空腔内，所述挠性悬挂的一端连接敏感质量块，另一端固定在框架上，且在敏感质量块和与敏感质量块对应的框架表面上分别溅射金属电极，形成平板式敏感电容，或在挠性悬挂与框架内侧面连接处的位置淀积金属压阻厚膜图形，构成金属压阻应变计。
2、 如权利要求1所述的微加速度计，其特征在于，所述封装基板为低温共烧陶瓷基板。
3、 如权利要求1或2所述的微加速度计，其特征在于，所述敏感质量块形状为正方 体或长方体的实心结构，该敏感质量块具有三个相互垂直且相交于质心的镜像对称面，两 个对称面垂直于中间基板，另一个对称面则平行于中间基板。
4、 如权利要求1所述的微加速度计，其特征在于，所述框架在垂直于中间基板方向 上对应的基板层数p与敏感质量块在厚度方向上对应的基板层数"之间的关系满足p》n +2。
5、 如权利要求1或4所述的微加速度计，其特征在于，所述挠性悬挂由若干个板弹簧结构组成。
6、 如权利要求1所述的微加速度计，其特征在于，若敏感轴向垂直于中间基板，则 在敏感质量块上表面上以及与之相对的上表面板的下表面上溅射金属电极，形成上敏感电 容，同时在敏感质量块下表面上以及与之相对的下盖板或下表面板的上表面上溅射金属电 极，形成下敏感电容，若敏感轴向平行于中间基板，则分别在敏感质量块的两个侧面和与 之相对的框架内侧面上分别溅射金属，形成平行板式的敏感电容。
7、 如权利要求1所述的微加速度计，其特征在于，若敏感轴向垂直于中间基板，则 在挠性悬挂的上表面上接近挠性悬挂与框架内侧面连接处的位置淀积金属压阻厚膜图形， 构成金属压阻应变计，若敏感轴向平行于中间基板，则在挠性悬挂的垂直于基板的侧面上 接近挠性悬挂与框架内侧面连接处的位置淀积金属压阻厚膜图形，构成金属压阻应变计。
8、 一种微加速度计的制备方法，其步骤包括，1)在多层LTCC生瓷板上分别制作出水平和垂直电互连，水平电互连是通过在LTCC 生瓷板上、下表面上用金属浆料印制厚膜图形而形成，垂直电互连是通过贯穿LTCC生瓷板、填充金属桨料的过孔而形成；2) 将上述LTCC生瓷板平行堆叠，并进行预叠压；3) 切割上述LTCC生瓷板，使之出现空洞，相应形成敏感质量块、挠性悬挂和框架结-构；4) 在敏感质量块和与敏感质量块对应的框架表面上分别溅射金属电极，形成平板式敏 感电容，或在挠性悬挂与框架内侧面连接处的位置淀积金属压阻厚膜图形，构成金属压阻 应变计；5) 在框架结构内填充牺牲材料，叠加上、下表面LTCC生瓷板，并设置水平和垂直电 互连；6) 叠压所有的LTCC生瓷板；7) 烧结叠压后的LTCC生瓷板，让牺牲材料挥发或排出，形成内嵌于封装基板内的敏 感元件结构，并完成与附着在上表面板的信号检测电路的电连接。
9、 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述烧结温度为750—950°C。
10、 如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述预叠压采取等静压方式，所用 压力范围是8 15atm，温度范围为40 50°C 。
全文摘要
本发明公开了一种微加速度计及其制备方法，属于微惯性器件的加工技术领域。该微加速度计设置在封装基板上，封装基板由上、下表面板和若干个中间基板堆叠而成，加速度计的信号检测电路附着在上表面板上，加速度计的敏感元件内嵌于中间基板，即带有空腔的中间基板构成敏感元件的框架，敏感元件的挠性悬挂和敏感质量块设置在空腔内，挠性悬挂的一端连接敏感质量块，另一端固定在框架上，且在敏感质量块和与敏感质量块对应的框架表面上分别溅射金属电极，形成平板式敏感电容，或在挠性悬挂与框架内侧面连接处的位置淀积金属压阻厚膜图形，构成金属压阻应变计。本发明制备的微加速度计敏感度高，且可以耐高温，与系统级封装基板融合为一体，其加工难度和成本低。
文档编号G01P15/125GK101634662SQ20091009073
公开日2010年1月27日 申请日期2009年8月7日 优先权日2009年8月7日
发明者静 张, 张杨飞, 旻 缪, 金玉丰 申请人:北京大学