石英MEMS傳感器敏感芯片各類工藝的詳細介紹

　　MEMS（Micro Electro mechanical System）即微機電系統，是指采用微機電加工技術按照功能要求在微米量級的芯片上集成機械零件、電子組件和傳感器執行組件等而形成的一個獨立智能系統。由于單晶石英材料具有壓電效應，且具有優良的溫度、機械性能、高品質因素等特性，采用單晶石英制作的石英 MEMS 加速度傳感器、壓力傳感器和石英 MEMS 陀螺儀等，具有高精度、高穩定性、高分辨率等特點，在微型慣性導航系統、姿態測量與控制、航空航天、汽車電子、儀器儀表等領域具有廣泛應用，其加工工藝和設備制造技術研究對促進產業發展提供技術支持具有十分重要的意義。

　　1 石英 MEMS 傳感器敏感芯片結構

　　石英 MEMS 傳感器主要應用于振動慣性器件，是通過振動原理測量運動物體的各種運動參數（包括角速度、角度、線加速度等）的慣性器件。石英 MEMS 振動慣性器件主要包括石英微機械振動陀螺、石英振梁加速度計等，其敏感結構采用石英晶體，基于石英晶體壓電效應原理、采用微電子加工工藝，是振動慣性技術與微機械加工技術的有機結合。石英微機械振動陀螺是一種音叉結構的哥氏振動陀螺，是一種 MEMS 角速度傳感器。其敏感芯片結構為雙端音叉結構，包括驅動音叉、讀出音叉及支撐結構。石英微機械振動陀螺工作原理及敏感芯片結構如圖 1 所示。驅動音叉被激勵以其自然頻率左右振動，當石英 MEMS 陀螺繞其垂直軸旋轉時，驅動音叉受到哥氏力（Coriolis）的作用產生一個垂直于音叉平面的振動，這個哥氏力運動傳遞到讀出音叉，使讀出音叉垂直于音叉平面的方向振動，振動幅度正比于驅動音叉的速度和外加速度，利用壓電效應，通過制作在讀出音叉上的電極即可檢測到電信號，再經過讀出電路解調得到一個正比于輸入角速度的直流電壓輸出。敏感芯片結構是以石英晶體為基體材料的一體式音叉結構，有雙端音叉、單端音叉等結構形式。雙端音叉結構將驅動音叉與讀出音叉分開，有利于減少耦合誤差，靈敏度高，但是體積較大；單端音叉結構驅動音叉與讀出音叉共用一個音叉，體積小，但信號相互干擾，靈敏度低。