一种基于临时悬梁结构实现微间隙装配的工艺方法与流程

本发明涉及微机械工艺与微组装技术领域，具体涉及一种基于临时悬梁结构实现微间隙装配的工艺方法。

背景技术：

随着微机械技术的发展，微型传感器芯片对精细化、复杂化结构有了更大的需求。其中微间隙结构单元主要应用在谐振式陀螺仪、电容传感器、集成光学芯片等领域，用于形成微电容或特定光学界面。在上述领域中，微间隙结构的大小通常在数微米至数十微米量级，微间隙均匀性需要达到亚微米量级，而传统的微间隙结构制作/装配工艺方法具有一定的局限性。

以微半球谐振陀螺仪为例，微半球谐振子具有三维薄壳体结构，是陀螺的核心敏感器件，谐振子需要在一定的外力激励条件下形成四波腹振动，从而具备敏感角速率的性能。静电激励基于电极芯片与镀膜后的谐振子形成的微电容结构实现，微电容受交变电压影响产生周期变化的电场，从而激励谐振壳体振动。微电容静电激励具有非接触、控制精度高、利于陀螺信号拾取等优点，是微半球谐振陀螺普遍采用的激励检测控制方法。但微电容结构需要极小的电容间隙（通常在5-10um左右）和较高的电容间隙一致性，因此微间隙装配工艺难度极大，是微半球谐振陀螺的一项技术瓶颈。

为了减少电容间隙大小、提高电容间隙一致性，有研究者提出使用金属垫片作为临时装配间隙，在谐振子锚点与电极固化后将垫片抽出，以实现微电容间隙的装配。但金属垫片的厚度通常在10um以上，同时由于垫片翘曲、易拉伸形变等特点，难以保证间隙的大小及一致性。还有研究者提出使用光刻胶、铜、三氧化二铝等膜层作为形成电容间隙的牺牲层，在谐振子锚点与电极固化后通过干法/湿法刻蚀去除牺牲层，形成电容间隙。由于谐振子与电极间形成的电容平面为狭长区域且间隙很小，湿法刻蚀方法不利于腐蚀液的流通，容易形成牺牲层残余；干法刻蚀方法受谐振子三维薄壳结构限制，反应气体的流通方向性较差，工艺效率及质量也难以保证。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种基于临时悬梁结构实现微米量级间隙装配的工艺方法，可使电极基板与芯片单元装配后在特定区域形成微米量级微间隙结构。

本发明采用了如下的技术方案：

一种基于临时悬梁结构实现微间隙装配的工艺方法，包括：

s1、沿基板厚度方向贯穿加工形成悬梁结构，所述悬梁结构中，悬梁的一部分位于间隙区域内，位于间隙区域内的悬梁的顶面为悬梁装配平面，悬梁的非自由端位于间隙区域外，间隙区域为安装完成后形成装配间隙的区域；

s2、沿基板厚度方向加工间隙台阶结构，间隙区域包含在间隙台阶结构区域内，间隙台阶结构底面与悬梁顶面高度差为预设装配间隙值；

s3、将芯片单元置于预设位置，使芯片单元上的芯片单元装配平面与基板上的悬梁装配平面贴合，且芯片单元装配平面位于间隙区域内；

s4、将芯片单元与基板固定连接；

s5、破坏悬梁非自由端，进而去除悬梁，实现微间隙装配。

优选地，所述临时悬梁结构实现微间隙装配的工艺方法用于实现微半球陀螺电极结构的装配，所述微半球陀螺电极结构包括基板及微半球谐振子，其中，基板包括多个激励检测电极，一个锚点电极及一个屏蔽电极；微半球谐振子中的第一锚点结构平面与基板上的第二锚点结构平面固定连接实现微半球谐振子与基板的固定连接，谐振子唇缘平面与间隙台阶结构形成装配间隙。

优选地，当基于临时悬梁结构实现微间隙装配的工艺方法用于实现微半球陀螺电极结构的装配时，以谐振子第一锚点结构平面中心为中心，多个悬梁结构以圆周阵列的方式设置在基板上，悬梁非自由端至自由端的连线指向振子第一锚点结构平面中心。

优选地，基板上第二锚点结构平面上表面与谐振子第一锚点结构平面下表面为对应平面，基板上第二锚点结构平面与谐振子第一锚点结构平面采用键合工艺固定连接，谐振子第一锚点结构平面下表面与谐振子唇缘平面共面，且基板上第二锚点结构平面上表面与悬梁顶面共面。

优选地，基板上第二锚点结构平面上表面与谐振子第一锚点结构平面下表面为对应平面，基板上第二锚点结构平面与谐振子第一锚点结构平面采用粘接工艺固定连接，基板上第二锚点结构平面上表面低于悬梁顶面，基板上第二锚点结构平面上表面与悬梁顶面的高度差为粘接材料层厚度；当基板上第二锚点结构平面上表面与悬梁顶面的高度差等于预设装配间隙值时，第二锚点结构平面包含在间隙台阶结构区域内，与间隙台阶结构采用相同工艺得到。

优选地，当基于临时悬梁结构实现微间隙装配的工艺方法用于实现微半球陀螺电极结构的装配时，基板上电极的制作工艺包括：

t1、在基板上镀第一铬金金属膜层，旋涂光刻胶并光刻显影形成具有悬梁图形结构的第一光刻胶层，刻蚀第一铬金金属膜层去除其未受第一光刻胶层保护的区域，去除第一光刻胶层并清洗基板；

t2、在所述基板上继续旋涂光刻胶并光刻显影形成具有间隙台阶结构区域的第二光刻胶层，保留第二光刻胶层，刻蚀所述基板去除其未受第一铬金金属膜层保护的区域，直至在所述基板厚度方向上贯穿形成悬梁结构；

t3、刻蚀第一铬金金属膜层去除其未受第二光刻胶层保护的区域，使第一铬金金属膜层具有间隙台阶结构区域图形；

t4、刻蚀所述基板裸露的间隙台阶结构区域图形并精确控制时间，从而使腐蚀形成的间隙台阶结构，去除第二光刻胶层、第一铬金金属膜层并清洗基板；

t5、在所述基板上镀第二铬金金属膜层，旋涂光刻胶并光刻显影形成具有电极图形结构的第三光刻胶层，通过刻蚀第二铬金金属膜层形成电极图形，去除第三光刻胶层并清洗基板，完成电极制作。

本发明实施方式的优点在于：与传统的垫片法/陪片法/牺牲层法制作微间隙结构相比，本发明采用临时悬梁制作微间隙结构避免了垫片或陪片法引起的间隙过大或不均匀，也避免了牺牲层法腐蚀液/腐蚀气体在微小狭长缝隙结构中流动性差、均匀性差的缺陷。提高了工艺一致性，且适用于圆片级批量装配，并在大深宽比，小间隙结构上具有更高的工艺精度。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步的详细描述，其中：

如图1所示为本发明公开的一种基于临时悬梁结构实现微间隙装配的工艺方法的流程示意图；

图2（a）至图2（f）为采用临时悬梁结构实现微间隙装配的工艺方法用于实现微半球陀螺电极结构的装配的工艺流程图；

图3（a）至（d）为微半球陀螺电极结构中制造基板电极的工艺流程图。

附图标记说明：基板1、悬梁结构2、间隙台阶结构3、微半球谐振子4、激励检测电极5、锚点电极6、屏蔽电极7、第一锚点结构平面8、第二锚点结构平面9、唇缘平面10、第一铬金金属膜层11、第一光刻胶层12、第二光刻胶层13、第二铬金金属膜层14。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种基于临时悬梁结构2实现微间隙装配的工艺方法，包括：

s1、沿基板1厚度方向贯穿加工形成悬梁结构2，所述悬梁结构2中，悬梁的一部分位于间隙区域内，位于间隙区域内的悬梁的顶面为悬梁装配平面，悬梁的非自由端位于间隙区域外，间隙区域为安装完成后形成装配间隙的区域；

s2、沿基板1厚度方向加工间隙台阶结构3，间隙区域包含在间隙台阶结构3区域内，间隙台阶结构3底面与悬梁顶面高度差为预设装配间隙值；

s3、将芯片单元置于预设位置，使芯片单元上的芯片单元装配平面与基板上的悬梁装配平面贴合，且芯片单元装配平面位于间隙区域内；

s4、将芯片单元与基板1固定连接；

s5、破坏悬梁非自由端，进而去除悬梁，实现微间隙装配。

与传统的垫片法/陪片法/牺牲层法制作微间隙结构相比，本发明采用临时悬梁制作微间隙结构避免了垫片或陪片法引起的间隙过大或不均匀，也避免了牺牲层法腐蚀液/腐蚀气体在微小狭长缝隙结构中流动性差、均匀性差的缺陷。提高了工艺一致性，且适用于圆片级批量装配，并在大深宽比，小间隙结构上具有更高的工艺精度。

具体实施时，所述临时悬梁结构2实现微间隙装配的工艺方法用于实现如图2（f）所示的微半球陀螺电极结构的装配，所述微半球陀螺电极结构包括基板1及微半球谐振子4，其中，基板1包括多个激励检测电极5，一个锚点电极6及一个屏蔽电极7；微半球谐振子4中的第一锚点结构平面8与基板1上的第二锚点结构平面9固定连接实现微半球谐振子4与基板1的固定连接，谐振子唇缘平面10与间隙台阶结构3形成装配间隙。

具体实施时，当基于临时悬梁结构2实现微间隙装配的工艺方法用于实现微半球陀螺电极结构的装配时，以谐振子第一锚点结构平面8中心为中心，多个悬梁结构2以圆周阵列的方式设置在基板1上，悬梁非自由端至自由端的连线指向振子第一锚点结构平面8中心。

本发明中，为了提高装配间隙均匀性，因此，可设置多个悬梁结构2。半球陀螺谐振子的结构，采用圆周阵列的方式设置悬梁结构2，可尽量减少对基板1上电极的布置造成的干扰。

具体实施时，基板1上第二锚点结构平面9上表面与谐振子第一锚点结构平面8下表面为对应平面，基板1上第二锚点结构平面9与谐振子第一锚点结构平面8采用键合工艺固定连接，谐振子第一锚点结构平面8下表面与谐振子唇缘平面10共面，且基板1上第二锚点结构平面9上表面与悬梁顶面共面。

这样可以在采用键合工艺固定连接基板1上第二锚点结构平面9上表面与谐振子第一锚点结构平面8下表面时，保证键合后得到的间隙尺寸为预设装配间隙值。

具体实施时，基板1上第二锚点结构平面9上表面与谐振子第一锚点结构平面8下表面为对应平面，基板1上第二锚点结构平面9与谐振子第一锚点结构平面8采用粘接工艺固定连接，基板1上第二锚点结构平面9上表面低于悬梁顶面，基板1上第二锚点结构平面9上表面与悬梁顶面的高度差为粘接材料层厚度；当基板1上第二锚点结构平面9上表面与悬梁顶面的高度差等于预设装配间隙值时，第二锚点结构平面9包含在间隙台阶结构3区域内，与间隙台阶结构3采用相同工艺得到。

若采用粘接的方式连接基板1上第二锚点结构平面9上表面与谐振子第一锚点结构平面8下表面，为了加工的方便，可以设置粘接材料层厚度等于预设装配间隙值，这样，可以按照间隙台阶结构3的加工工艺对第二锚点结构平面9进行加工。

具体实施时，当基于临时悬梁结构2实现微间隙装配的工艺方法用于实现微半球陀螺电极结构的装配时，基板1上电极的制作工艺包括：

t1、在基板1上镀第一铬金金属膜层11，旋涂光刻胶并光刻显影形成具有悬梁图形结构的第一光刻胶层12，刻蚀第一铬金金属膜层11去除其未受第一光刻胶层12保护的区域，去除第一光刻胶层11并清洗基板1；

t2、在所述基板1上继续旋涂光刻胶并光刻显影形成具有间隙台阶结构3区域的第二光刻胶层13，保留第二光刻胶层13，刻蚀所述基板1去除其未受第一铬金金属膜层11保护的区域，直至在所述基板1厚度方向上贯穿形成悬梁结构2；

t3、刻蚀第一铬金金属膜层11去除其未受第二光刻胶层13保护的区域，使第一铬金金属膜层11具有间隙台阶结构3区域图形；

t4、刻蚀所述基板1裸露的间隙台阶结构3区域图形并精确控制时间，从而使腐蚀形成的间隙台阶结构3，去除第二光刻胶层13、第一铬金金属膜层11并清洗基板1；

t5、在所述基板1上继续镀第二铬金金属膜层14，旋涂光刻胶并光刻显影形成具有电极图形结构的第三光刻胶层，通过刻蚀第二铬金金属膜层14形成电极图形，去除第三光刻胶层并清洗基板1，完成电极制作。

如图2（a）至图2（f）所示，采用本发明的方法实现实现微半球陀螺电极结构的装配时，一种具体的实施方式包括以下步骤：

（u101）微半球谐振子4为石英玻璃薄壳体结构，在其唇缘平面10、第一锚点结构平面8及其他内弧面区域镀有铬金膜层，使唇缘平面10到第一锚点结构平面8具有电导通。本例中，第一锚点结构平面8与唇缘平面10平行，较唇缘平面10短20um左右。

（u102）微半球电极基板1上具有悬梁结构2、微间隙台阶结构3与第二锚点结构平面9，微间隙台阶平面与悬梁顶面具有固定高度差，第二锚点结构平面9与悬梁顶面共面。电极基板1上表面具有电极图案，包括多个激励检测电极5，一个锚点电极6与一个屏蔽电极7。

（u103）使用专用夹具固定微半球陀螺电极基板1，使其水平放置保持悬梁顶面平整度。在其第二锚点结构平面9上的锚点电极6上涂覆少量导电胶，使用专用夹具夹持微半球谐振子4放置与电极基板1上方，通过限位装置使第一锚点结构平面8与第二锚点结构平面9紧密贴合并同轴心。对谐振子施加一定压力使导电胶受压厚度变薄且均匀，此时唇缘平面10与悬梁顶面紧密贴合。保持施压状态并对装配体加热使导电胶固化。

（u104）拆除装配夹具，激光划切去除多余悬梁结构2，此时位于微间隙台阶平面上的激励检测电极5与唇缘平面10具有大小均匀的微间隙，锚点电极6与谐振子唇缘金属膜层通过导电胶连通，屏蔽电极7用于降低各激励检测电极5间的电场干扰，各激励检测电极5与锚点电极6具有不同的电势差，从而分别与谐振子唇缘形成微电容结构。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管通过参照本申请的优选实施例已经对本申请进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本申请的精神和范围。