石英谐振器及其制造方法

技术领域

本文件涉及谐振器技术领域，具体地涉及一种石英谐振器及其制造方法。

背景技术

基础科学研究是建设世界科技强国的基石。探究材料与结构的应力及温度的变化规律是研究高精度加速度计的基础。目前，高精度加速度计技术路线主要包括摆式积分陀螺加速度计、石英挠性加速度计、单晶硅电容MEMS加速度计等。其中，石英挠性加速度计优点是量程大、成本低，石英挠性加速度计可广泛应用于汽车、战术导弹、作战飞机、航天器等战术武器装备领域。石英挠性加速度计的原理是采用熔融石英摆片作为敏感结构，利用电容检测摆片在惯性力作用下的微小位移，利用电磁原理施加反馈力矩，形成力平衡回路，获得加速度信息。然而，随使用时间推移，石英挠性加速度计容易受到应力变化和温度变化影响，存在长期稳定性不足问题，容易出现频率波动。

发明内容

本说明书实施例目的是提供一种石英谐振器及其制造方法，避免因石英差分晶振的结构和材料差异而导致石英谐振器性能受应力和温度变化影响出现波动，进而实现石英谐振器的长期稳定性，同时，不需要在差分晶振之间进行材料配准，降低了工艺难度。

为了实现上述目的，本说明书实施例采用下述方案：

第一方面，提供一种石英谐振器，所述石英谐振器包括：阻尼单元；第一敏感单元，与所述阻尼单元键合；第二敏感单元；所述阻尼单元还与所述第二敏感单元键合；各敏感单元和所述阻尼单元均是石英基材加工得到的石英晶片；所述第一敏感单元与所述第二敏感单元相对于所述阻尼单元呈对称结构，所述第一敏感单元与所述第二敏感单元构成差分晶振结构；各敏感单元的加工结构包括安装结构和与所述安装结构连接的加速度敏感结构，所述安装结构中至少一个表面区域是由键合区域和隔离区域构成的，所述安装结构与所述加速度敏感结构的耦合位置区域位于所述隔离区域内。

第二方面，提供一种石英谐振器的制造方法，所述制造方法包括：将石英基材加工为多片石英基片；对多片石英基片进行晶片加工，以获得阻尼单元的加工结构、第一敏感单元的加工结构和第二敏感单元的加工结构；对各敏感单元的加工结构进行电极镀膜及刻蚀，以获得谐振音叉；在各敏感单元的加工结构上的键合区域沉积金锗薄膜；将各加工结构堆叠，在多层石英晶片之间进行金锗键合，封装键合的组件，以获得石英谐振器。

在本说明书实施例中，通过键合工艺将双敏感单元(第一敏感单元、第二敏感单元)与阻尼单元进行耦合，能够在相同的加工结构基础上，为差分晶振提供有效阻尼限位的作用，阻尼单元能够为双敏感单元提供压膜阻尼，抑制加速度敏感结构自由振荡，具有高响应速度和更大带宽，同时保持应力变化、温度变化环境一致性。通过加工结构上键合区域和隔离区域的配合设计，使得安装结构与加速度敏感结构隔离，能够为双敏感单元隔离环境高频振动和释放应力提供支持，实现了石英谐振器(输出频率)的长期稳定性和可靠性，具有高精度的特点，各晶片来自同一基材，双敏感单元是不同的石英晶片，且可分别加工，不需要进行材料配准，降低了工艺难度，而不是将多个敏感单元置于同一石英晶片。

本说明书实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本说明书的进一步理解，构成本说明书的一部分，本说明书的示意性实施例及其说明用于解释本说明书，并不构成对本说明书的不当限定。

在附图中：

图1为法国国家宇航局ONERA设计的双梁双摆全石英振梁MEMS加速度计的示意图；

图2为本说明书实施例的一种示例性的俯视角下敏感单元的结构示意图；

图3为本说明书实施例的一种示例性的斜视角下敏感单元的结构示意图；

图4为本说明书实施例的一种示例性的斜视角下阻尼单元的结构示意图；

图5为本说明书实施例的一种示例性的三阻尼片与双敏感单元的排布位置示意图；

图6为本说明书实施例的一种示例性的石英谐振器的堆叠体结构示意图；

图7为本说明书实施例的一种示例性的谐振音叉的电极镀层位置示意图；

图8为本说明书实施例的一种示例性的石英谐振器的封装结构爆炸示意图；

图9为本说明书实施例的一种示例性的单芯片力学模型的示意图；

图10为本说明书实施例的一种示例性的双芯片力学模型的示意图；

图11为本说明书实施例的一种示例性的腐蚀工艺中棱角高度与腐蚀时间的关系示意图；

图12为本说明书实施例的一种示例性的Allan方差典型噪声分布示意图；

图13为本说明书实施例的一种示例性的相位噪声功率谱密度示意图；

图14为本说明书实施例的一种示例性的石英谐振加速度计相位噪声模型示意图；

图15为本说明书实施例的一种示例性的二次封焊工艺流程示意图；

图16为本说明书实施例的一种示例性的信号重构流程示意图。

具体实施方式

为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书具体实施例及相应的附图对本说明书技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件保护的范围。

正如前文所述，石英挠性加速度计常采用单个敏感单元，易受到干扰出现波动，稳定性较差。可以尝试采用两个敏感单元的石英谐振器构造差分晶振加速度计，如图1，通过光刻工艺处理石英晶圆，石英晶圆双面表面均镀有铬金层，在单个晶片上刻蚀得到双敏感单元，每个敏感单元都有双梁结构(连接位置有两处，连接点所处的弧梁有两个)。两个敏感单元可以被设置在同一石英晶片上，对温度灵敏度、偶次非线性等起到共模抑制作用，可以应用于武器装备场景，例如战术导弹制导与姿态控制。但是，第一，该石英谐振器采用双重隔离结构的上支撑点和下支撑点将敏感单元连接至框架(即双梁结构)，由于两个敏感单元的结构位于同一石英晶片，敏感单元需要双重隔离才能避免相互之间通过框架引起应力变化，该石英谐振器的支撑点过多，双重隔离结构较复杂，不同敏感单元的双重隔离结构尺寸和形状需要完全一致，在同一平面加工工艺精度要求高，工艺难度较高。第二，沿敏感单元平面的平行方向受到温度变化影响时，将导致两个敏感单元热膨胀不一致，造成频率漂移。随时间推移，该石英谐振器很难具备长期稳定性。

鉴于此，本说明提供一种石英谐振器及制造方法的方案，能够实现石英谐振器的长期稳定性，同时，不需要在多片石英晶片之间进行材料配准。在本说明书的方案中，采用第一敏感单元、第二敏感单元和阻尼单元之间相互键合，各敏感单元和阻尼单元均是来源于石英基材的石英晶片，为温度稳定性和零位稳定性提供基础，同时两敏感单元相对于阻尼单元对称设置，构成差分晶振，各敏感单元的加工结构相同且由加工结构中安装结构提供键合区域和隔离区域，加工结构中安装结构与加速度敏感结构的耦合位置区域位于所述隔离区域，敏感单元之间的应力变化受阻尼单元隔离，提供具备应力变化的稳定性结构，降低温度和应力等因素导致的共模误差，而不是在一片石英晶片上同时设置多个敏感单元、多重隔离结构，并且，不需要在多片石英晶片之间进行材料配准。

在本说明书实施例中，前述的石英谐振器可以应用于加速度计/传感器，前述的石英谐振器可以包括：阻尼单元、第一敏感单元和第二敏感单元。

在一些可能的实现方式中，各敏感单元和所述阻尼单元均是石英基材加工得到的石英晶片。可以将石英基材切割为多片石英基片，然后将多片石英基片分别加工成阻尼单元、第一敏感单元和第二敏感单元的石英晶片，第一敏感单元与第二敏感单元可以是不同的石英晶片，各敏感单元与阻尼单元可以是不同的石英晶片，且第一敏感单元和第二敏感单元的石英晶片的厚度可以相等，第一敏感单元与第二敏感单元的石英晶片的厚度可以小于阻尼单元的石英晶片的厚度，以提供多层稳定性堆叠结构的基础。所述第一敏感单元与所述第二敏感单元相对于所述阻尼单元呈对称结构，所述第一敏感单元与所述第二敏感单元可以构成差分晶振结构，其中，对称的第一敏感单元与所述第二敏感单元的受力可以是对称、反向的，从而可以提供构成高精度石英谐振器的基础。

在一些可能的实现方式中，所述第一敏感单元可以与阻尼单元键合，所述阻尼单元还可以与第二敏感单元键合。键合是将两光滑平整表面在原子层面的结合方式。可以在各敏感单元的加工结构上设置键合区域。各敏感单元的加工结构可以包括安装结构和与所述安装结构连接的加速度敏感结构，所述安装结构中至少一个表面区域是由键合区域和隔离区域构成的，所述安装结构与所述加速度敏感结构的耦合位置区域位于所述隔离区域内。阻尼单元可以在与各敏感单元的键合区域对应的表面区域内设置键合区域，在该表面区域中除了键合区域之外，其余区域可作为提供加速度敏感结构的阻尼限位功能的区域。上述的键合区域可以是平整的表面区域。

在一些可能的实现方式中，所述第一敏感单元与所述阻尼单元之间存在第一键合层；所述第二敏感单元与所述阻尼单元之间存在第二键合层；所述第一键合层与所述第二键合层，在所述阻尼单元的表面区域上投影的区域重叠。可以通过图形化镀膜工艺或刻蚀工艺，在键合区域内制备的钎料层，钎料层的表面区域可以是原子级平整的表面区域，其中，可以在各敏感单元与阻尼单元的键合区域内均制备钎料层。然后通过微机电系统(Micro-electromechanical systems，MEMS)键合工艺，可以将上述敏感单元与阻尼单元进行键合，可以得到第一键合层和第二键合层。可以依据石英谐振器的应用场景、测试效果等，选择作为键合层的材料。

示例地，由于金锗合金具有与石英晶体相近的热膨胀系数，可以选择金锗合金材料用于键合。可以采用图形化金锗薄膜沉积工艺，在第一敏感单元、第二敏感单元与阻尼单元的键合区域上得到金锗钎料层，还可以采用贴片机对第一敏感单元、阻尼单元与第二敏感单元进行高精度贴片对准以及采用键合机对多层石英晶片进行金锗共晶键合(键合工艺)。从而各键合层均为金锗合金层，键合层在阻尼单元的任一表面区域上(垂直)投影的区域重叠，能够有效减小键合层与石英晶片间的热应力，同时，金锗焊料熔点高达361℃左右，远超后道封装工艺温度和器件使用温度，能有效保证键合的可靠性。可以理解的，也可以采用金属单质或其他合金作为钎料层材料，此金属单质或其他合金的热膨胀系数与石英晶体的热膨胀系数相近(差异可小于5ppm/℃)。

在一些可能的实现方式中，所述安装结构可以选用门形结构；所述门形结构可以包括隔振梁和位于所述隔振梁两侧的安装片，所述安装片的表面区域可以用于作为所述键合区域，所述隔振梁的表面区域用于作为所述隔离区域。其中，安装片可以是梯形结构或矩形结构；例如，梯形结构的腰与顶或底之间的夹角可以被加工为弧倒角，和/或，梯形结构的顶、底、腰中至少一者可以被加工成弧线；安装片可存在一边线，该边线可与隔振梁连接，例如梯形结构的一腰与隔振梁连接；矩形结构可与梯形结构有类似设计，不再赘述。隔振梁可以是直梁或对称的弧形梁，梁的径(与表面垂直的截面内任意两点之间的最大距离)可以小于安装片的径(如梯形结构的高)。所述安装结构可以是双面加工的结构，键合区域在安装结构(水平放置)的上下表面是相同的加工方式，可以使得敏感单元作为夹层石英晶片，键合于两阻尼片(阻尼单元可包括多片阻尼片)之间；隔离区域可无需额外进行平整表面加工，隔振梁可以是高刚度隔振梁。需要说明的是，某形结构的“某形”可以是指该结构置于与水平面平行时，在水平面上的垂直投影区域的某形状。

在一些可能的实现方式中，所述安装结构与所述加速度敏感结构是一体式加工成型的结构。一个敏感单元的加工结构(不含电极、镀膜等)可以是一片石英基片加工得到的一体式石英晶片，一个阻尼单元(不含镀膜)也可以是一片石英基片加工得到的一体式石英晶片。加工结构可以都是石英材料而无需额外附加材料进行结构连接。其中，安装结构与所述加速度敏感结构的耦合位置区域中心垂线可以与隔振梁的对称轴重合，加速度敏感结构可以通过悬挂柱耦合于门形结构内，悬挂柱与隔振梁耦合的截面区域可以是耦合位置区域，耦合位置区域中心点可以是悬挂点。

在一些可能的实现方式中，前述的加速度敏感结构可以包括：固定端部，与所述隔振梁连接；质量块和两个挠性支撑部，所述质量块可以是凹形结构；所述固定端部分别通过所述两个挠性支撑部与所述凹形结构的凸起部连接。固定端部也可以是凹形结构，固定端部的凸起部与质量块的凸起部相对应，挠性支撑部可分别将固定端部和质量块之间对应的凸起部连接，使得固定端部、质量块和两个挠性支撑部围成一个空间，挠性支撑部可以是刻蚀形成的，固定端部的表面积可以小于质量块的表面积，增大质量块面积和作用力臂，可以提高敏感单元的标定因子。加速度敏感结构与门形结构之间除了悬挂柱之外，可没有其他耦合位置区域。固定端部、质量块和两个挠性支撑部可相对于前述的中心垂线呈对称，固定端部和质量块都可以有圆弧倒角，加速度敏感结构的外轮廓线可以沿门形结构的内轮廓线延展，在悬挂柱两侧，加速度敏感结构与门形结构之间形成气隙。需要补充说明的是，若水平放置前述键合的第一敏感单元、第二敏感单元和阻尼单元的堆叠体，沿加速度敏感结构的对称轴线取截面，第一敏感单元内挠性支撑部、固定端部和质量块在所取截面内在挠性支撑部的位置处呈凹形，第二敏感单元内挠性支撑部、固定端部和质量块在所取截面内在挠性支撑部的位置处呈倒凹形，凹形与倒凹形相对于阻尼单元是对称的。为简化描述，在俯视水平放置的敏感单元时，观察到敏感单元挠性支撑部的位置处呈凹槽时，可称该敏感单元为正面朝上的敏感单元，即此刻观察到的表面是敏感单元的正面，而观察到敏感单元挠性支撑部的位置处呈平整平面(未被刻蚀，与固定端部、质量块为一体)时，可称该敏感单元为背面朝上的敏感单元，即此刻观察到的表面是敏感单元的背面，因此，前述的石英谐振器中，第一敏感单元与第二敏感单元是“背靠背”的。

在一些可能的实现方式中，前述的加速度敏感结构还可以包括：过渡结构和谐振音叉。谐振音叉可以选用双振梁式谐振音叉，布置于所述固定端部、所述两个挠性支撑部和所述质量块所围成的空间内，且通过所述过渡结构分别与所述质量块和所述固定端部连接。过渡结构可以选用挠性铰链式。双振梁式谐振音叉设有电极，并可以通过引线端子与电路连接。在一些可能的实现方式中，前述的阻尼单元可以至少是一片阻尼片，可采用镂空加工方式加工上述敏感单元，只需要对敏感单元的键合区域的表面进行加工，并将加速度敏感结构镂空于敏感单元的石英晶片。前述的阻尼单元也可以是多片阻尼片，以进一步地提高石英谐振器的长期稳定性。所述阻尼单元可以包括第一阻尼片、第二阻尼片和第三阻尼片；所述第一阻尼片与所述第一敏感单元键合；所述第一敏感单元还可以与所述第二阻尼片键合；所述第二阻尼片还与所述第二敏感单元键合；所述第二敏感单元还与所述第三阻尼片键合。其中，第二阻尼片可以被夹于第一敏感单元和第二敏感单元之间，第二阻尼片的双表面可以均有键合区域，分别与第一敏感单元、第二敏感单元对应键合区域键合。第一阻尼片与第一敏感单元发生键合的表面可有键合区域，而另一表面可不需要额外处理表面。第三阻尼片与第二敏感单元发生键合的表面可有键合区域，而另一表面可不需要额外处理表面。阻尼单元中各键合区域的尺寸可均与对应敏感单元的键合区域尺寸一致。

在一些可能的实现方式中，为提高石英谐振器的稳定性，所述第一阻尼片、所述第二阻尼片和所述第三阻尼片可开有窗口，各窗口的投影区域可以是对齐的且各投影区域与所述谐振音叉的投影区域重叠；各阻尼片之间的厚度可以相等，各敏感单元之间的厚度可以相等，任意一片阻尼片的厚度可以大于任意一片敏感单元的厚度。此外，在一些可能的高阻尼要求石英谐振器中，第一阻尼片和第三阻尼片也可以没有窗口，或，第一阻尼片和第三阻尼片的窗口尺寸可以小于或大于第二阻尼片的窗口尺寸。阻尼片与质量块的相对表面之间最短距离大小可以属于10微米～100微米，阻尼片可向敏感单元提供压膜阻尼，敏感单元可以在低气压下获得较大的气体阻尼，较小的Q值(相对于质量块)，有效抑制质量块在外界输入下的自由振荡，提高响应速度和带宽。阻尼片的开窗区域可以在非键合区域且可以在与谐振音叉对应的位置区域内，以使得阻尼片对质量块具有有效的限位作用和提供阻尼的作用，阻尼片的窗口可以是矩形或椭圆形窗口(或通孔)。

在本说明书实施例公开的一种优选示例中，请参考图2，第一敏感单元101的加工结构包括门形结构，门形结构包括(高刚度，刚度高于指定阈值)隔振梁cc和位于隔振梁两侧的安装片aa和安装片dd，安装片aa和安装片dd表面为键合区域(图2中以阴影区域表示)。隔振梁cc的表面可为隔离区域，加速度敏感结构ee(大虚线区域)通过耦合位置区域bb(悬挂点所处小虚线区域)与隔振梁cc耦合，加速度敏感结构ee与门形结构无其他耦合、连接点，加速度敏感结构ee与隔振梁cc之间有单个悬挂点，不需要进行上下双支撑点。加速度敏感结构ee内的谐振音叉可选用双振梁式。

请继续结合图3，加速度敏感结构ee可以包括固定端部kk、两个挠性支撑部(图3中gg为左侧的挠性支撑部，与质量块mm和固定端部kk的凸起部分构成凹槽，该凹槽朝上)、质量块mm，固定端部kk、两个挠性支撑部和质量块mm围成的空间ff内有谐振音叉hh，谐振音叉通过过渡结构固定于质量块mm和固定端部kk的中轴区域(如一端固定端头ll固定于质量块mm)，固定端部kk上还设有引线端子jj和引线电极(如一个电极ii)。各安装片均与加速度敏感结构ee有气隙nn，加速度敏感结构ee的外轮廓线可沿门形结构的内轮廓线加工，以得到更大表面积的质量块。如图5，第二敏感单元103与第一敏感单元的加工结构(门形结构、加速度敏感结构、耦合方式等)一致，第二敏感单元103内固定端部、挠性支撑部和质量块构成的凹槽可以向下，其中，电极镀层、端子和引线等布置可适应集成电路板中接口而不同。

可以结合观察图4和图5，第一阻尼片100的下表面设有与第一敏感单元101的上表面内键合区域对应的键合区域oo，以及朝向谐振音叉的窗口pp。第二阻尼片102的上下表面分别设有键合区域qq、键合区域ss，键合区域qq、键合区域ss分别与第一敏感单元101的下表面内键合区域、第二敏感单元103的上表面内键合区域对应，以及朝向谐振音叉的窗口rr。第三阻尼片104的上表面设有与第二敏感单元103的下表面内键合区域对应的键合区域tt，以及朝向谐振音叉的窗口uu。为表现多片结构之间的排布方式，各敏感单元中的谐振音叉简化为黑粗线。相对于一个放置平面，可以按照图5中，从放置平面至放置平面的上方顺序，排布、投影对齐第三阻尼片104、第二敏感单元103、第二阻尼片102、第一敏感单元101、第一阻尼片100，从而可以进行键合工艺流程，得到图6中键合的堆叠体或敏感组件105。在图2-图6中谐振音叉的结构可表示双振梁的谐振音叉，仅为双振梁结构示例，图6仅作为堆叠后的整体示例(部分线条未示出)，电极镀层可参照图7进行设置，谐振音叉的阴影区域可表示电极镀层。

请参考图7(XYZ为示例的坐标轴，双向箭头表示振梁上取截面位置)，振梁的长度为L(L为正实数)，在振梁长度的0.224和0.776倍(0.224L，0.776L)位置附近，使涂布正负电极发生反转，即A-A截面所代表的振梁上部(横放时为振梁左部)以及C-C截面所代表的振梁下部(横放时为振梁右部)两部分具有相同的电极涂布方式，即绿色和红色涂布方式相同，B-B截面所代表的振梁中部红绿电极相比A-A截面和CC截面涂布方式相反。也就是说，当红绿电极被作为谐振器正负电极接入振荡电路时，以(0.224L，0.776L)位置为分界点，振梁内部的电极化方向发生反转，从而由于逆压电效应在振梁内部产生的应力分布方向也发生反转，从而诱发出两根振梁振动方向相反、振形对称的振动模态。这种振动模态的优点在于，两个振梁在解耦区域的弯矩和剪切力相互抵消，极大地减小了固定引起的能量损耗。图7中A-A截面、B-B截面、CC截面中曲线箭头表示正电荷转移方向。

在本说明书实施例中，前述的石英谐振器还可以包括与第一敏感单元和第二敏感单元中加速度敏感结构连接的集成电路板，第一敏感单元、阻尼单元、第二敏感单元与集成电路板可以处于封装体之内。示例地，集成电路板可以安装于底座之上且通过底座引出线路端子，第一敏感单元、阻尼单元、第二敏感单元键合后的堆叠体可以安装(例如粘接、卡扣固定)于集成电路板或通过集成电路板上通孔安装于底座，最后，可以使用封盖与底座进行密封处理，从而得到封装后的石英谐振器，如图8中渲染的三维模型爆炸图，可以用于加速度计或传感器。

在本说明书实施例中，通过上述一体化石英谐振器，能够使得石英差分晶振的结构和材料尽可能保持一致，石英谐振器性能受应力和温度的变化影响显著减小，能够实现石英谐振器的长期稳定性，石英谐振器中谐振音叉可具有高Q(品质因数，Quality factor)值且质量块具有较小的Q值。

本说明书一个实施例提供了与前述实施例同一发明构思下的石英谐振器的制造方法，石英谐振器可以是前述实施例中的石英谐振器，该制造方法可以包括：

S1，将石英基材加工为多片石英基片。石英基材可以是同一块或多块，多片石英基片可以有相同厚度。该制造方法还可以包括：

S2，对多片石英基片进行晶片加工，以获得阻尼单元的加工结构、第一敏感单元的加工结构和第二敏感单元的加工结构。其中，第一敏感单元和第二敏感单元可以与前述实施例中对应敏感单元的结构一致。阻尼单元可以包括前述的第一阻尼片、第二阻尼片和第三阻尼片。当敏感轴方向有外界加速度输入时，由于惯性力作用，第二阻尼片的上下两个敏感单元的绕挠性支撑部旋转，使上下两个敏感单元中谐振音叉的双振梁分别受到拉力和压力作用，导致谐振音叉的谐振频率一个升高的同时，另一个谐振音叉的谐振频率降低。3片阻尼片与敏感单元质量块之间构成用于提供压膜阻尼的气隙，起到限位和提供气体阻尼的作用，使得敏感系统能快速稳定在平衡位置，提升加速度计拾振系统的动态性能和稳定性。可以采用石英晶体片湿法腐蚀制备阻尼片。

由于谐振式加速度计的温度漂移主要由谐振子芯片跨接于挠性支撑两端时两者的热膨胀系数不匹配造成的，则在前述的石英谐振器的设计中，由等厚的石英基片加工而来，各加工结构可以不需要引入异种材料，有效抑制了加速度计的温度漂移，提高了加速度计的温度稳定性，并降低了芯片刻蚀和电极加工难度。加速度敏感单元和阻尼片多层键合得到全石英晶体一体化加速度差分传感组件。其中，可以将敏感单元视为芯片。

可以采用薄膜混合集成方法设计音叉振荡电路，通过检测上下两个谐振音叉振荡电路输出频率，解算出外界加速度的大小。双谐振音叉谐振频率差分，极大的抑制温度等共模干扰。为进一步提高加速度测量精度，可以采用信号重构方法，精确解算出加速度值和温度值，极大的提高传感器温度性能。

在本说明书实施例中，该制造方法还可以包括：

S3，对各敏感单元的加工结构进行电极镀膜及刻蚀，以获得谐振音叉。

可以设计和制备基于双端固定石英音叉谐振器的敏感单元。

在整体设计方面，双端固定石英音叉谐振器具有两个两端固定、对称振动的两个梁，两梁的尺寸相同。为了激振出对称的弯曲振动模式，采用Z切型石英基片，通过光刻、腐蚀、溅射电极等工艺过程，在音叉的梁的四个表面制备对称的特殊电极形状，如前述的图7所示。

根据振动理论，对于一个弯曲振动的梁，其谐振频率f与其纵向受力的大小有关。当不受外力时，其横向谐振频率为基频f

其中，k

考虑到石英梁受到纵向力F作用，k

其中，E为杨氏模量，I为惯性矩，L

给定梁的宽度W

代入公式(1)得到：

再按泰勒级数展开公式(4)，得到频率的变化量是纵向力F的函数

为了减小传统方案中不同材料性能差异、应力分布和胶粘剂等因素对传感性能的影响，前述的石英谐振器可以在(同一块)石英基材上、一体化刻蚀出：双端固定石英音叉谐振器、固定端部、挠性支撑部、质量块、安装面及隔振梁的敏感单元，如前述的图2-图3所示。谐振音叉、质量块、门形结构均为平面结构，可以具有与石英晶片相同的厚度。挠性支撑可以使得加速度敏感结构为偏心结构(几何中心与重心不在同一点)，可以由单侧湿法腐蚀加工而成。敏感结构通过隔振梁悬连接在安装面上，与阻尼片的安装面(对应具有键合区域的表面区域)相连。为了减小根部锚点阻尼，显著提高谐振器的Q值，在双梁的结合部(即双梁根部的应力耦合区域)设置一个铰链过渡结构。

通过将加速度敏感结构单点悬挂于门形结构的隔振梁中心，形成了一个高刚度二阶隔振系统。一方面通过门结构隔振梁降低了安装面及安装的应力影响，另一方面利用门形结构谐振频率高的特性，隔离外界高频振动干扰。

为了减少不符合要求的晶圆以及试验原型制造，降低成本，可以通过建模分析前述设计的石英谐振器，例如建立敏感单元力学模型及分析性能影响因素。

第一，可以建立加速度敏感结构的力学模型及分析标度因子。该加速度敏感单元的惯性力学模型如图9-图10所示。当有外界恒加速度输入时，质量块在惯性力F

maL≈F

其中，m为质量块质量，a为输入加速度大小，L为质量块力臂，F

加速度计的标定因子与石英音叉谐振器的力频系数和敏感单元的结构紧密相关。石英音叉谐振器的力频系数与其尺寸相关，其一阶力频系数：

假设上下两芯片差分可完美抑制温度等共模干扰影响，则加速度计的标定因子为：

其中，S为质量块面积，ρ为石英晶体密度，ρ为石英晶体杨氏模量，l＝(H

从式(8)可以看出，通过降低谐振梁的宽度，减小谐振子的力臂，增大质量块面积和作用力臂，可以提高芯片的标定因子。可实现一种高标定因子加速度敏感单元原型，其主要参数如表1所示。对该堆叠体结构的仿真分析表明在10g加速度作用下，上下两个敏感单元受力对称反相，音叉谐振器(谐振音叉)最大应力18MPa，挠性支撑最大应力29Mpa，均在许用范围内。通过关键尺寸优化，可以调控敏感单元的量程和标定因子，实现更大或更小动态范围的加速度敏感。

表l一体化加速度敏感单元关键参数

在大动态范围输入条件下进行高精度测量，需要考虑石英音叉谐振器力频系数的二阶非线性：

其中，f为谐振器的工作频率，f

在加速度a输入下，两个芯片的频率差(两个谐振器受力大小相等，方向相反)：

其中，Δf

那么，此时的标定因子为：

标度因子的非线性系数为：

可以看到，降低传感器标定因子二阶非线性的关键是使两个芯片的谐振器的二阶力频系数尽可能相同。这要求两个谐振器的尺寸高度一致，对刻蚀精度提出了挑战。可以在尽量降低加工误差的前提下，采用信号重构的方法进一步提高测量精度。

第二，可以分析极限分辨率。加速度计的极限分辨率受下式限制：

其中，N

第三，还可以分析零位稳定性。封装内水气含量是影响加速度计零位稳定性和温度稳定性的重要因素。当温度变化时，内部水汽在芯片谐振梁上发生动态吸附和解吸附，改变谐振梁的质量，从而影响芯片的谐振频率，其频率的变化量：

其中，α是与音叉谐振器结构有关的常数，Δm为水汽吸附质量，m

采用上下两个敏感单元差分输出，零位稳定性一般可以提高两个数量级，从而零偏的变化量为：

根据气体吸附理论，Δm与水汽的分压正相关，因此只要降低内部气体的水含量，就可有效减小其对零偏的影响。另外，较高的标定因子，也有利于提高零偏稳定性。

可以回到制造方面，基于光刻/湿法化学腐蚀的石英微加工艺制备一体式石英谐振器中敏感单元。石英基片可以以铬Cr/金Au镀膜作掩膜通过HF溶液化学腐蚀实现，表面电极以光刻胶做掩膜通过光刻以及金属腐蚀实现，侧面电极通过遮挡板以及定向溅射实现。步骤S2和S3可以通过刻蚀以及电极制备工艺流程实现，该工艺流程可以包括：清洗石英晶片，镀铬Cr/金Au膜，形成图形化的敏感单元半成品，减薄图形化的敏感单元半成品，在减薄后的半成品上形成金属电极，对附带电极的半成品中石英进行定位腐蚀、减薄，以及电极进行腐蚀。该工艺流程在业内已较为成熟，但在该工艺流程中，可以关注最核心影响因素并对应采取措施，最核心影响因素可以包括掩膜附着力、掩膜内应力、掩膜缺陷和石英腐蚀精度等。

在最核心影响因素中，可以提高掩膜附着力。采用纳米级别精度的石英晶片，并在石英晶片镀膜前清洗中，用稀释HF酸对石英晶片进行适量腐蚀，加强掩膜与晶片的机械锁合作用；进一步的，在真空室中、镀膜前进行Ar离子轰击晶片表面，清洗晶片表面残余的污染物。镀膜时选择适当的基片温度，温度高附着力强，但热应力也大，因此还通过优化基片烘烤温度来提高附着力。

在最核心影响因素中，可以减小掩膜应力。薄膜内部任意一截面上，单位截面的一侧受到另一侧施加的力称为薄膜的内应力。如果Cr/Au掩膜层内及掩膜层与石英基片之间存在过大的内应力，在腐蚀过程中掩膜与基片间界面的粘附会发生大面积的失效，表现为部分掩膜层完全由表面掀起、由边缘处开始脱皮或龟裂，以及整个表面起皮，或形成横穿表面的砂眼或气泡等。

内应力从其起源来分，可以分为热应力和本征应力。在制备薄膜的过程中，薄膜和基片都处于比较高的温度，当薄膜制备完以后，它与基片又都恢复到常温状态，薄膜和基片的热膨胀系数不同，由热效应产生的应力称为热应力，热应力随温度的不同而不同。薄膜的形成过程中由于缺陷等原因而引起的内应力称为本征应力，主要起因包括：薄膜淀积时真空室中残余气体或者溅射时的工作气体进入薄膜，薄膜晶格结构偏离于块状材料；薄膜晶格常数和基片晶格常数失配；薄膜的再结晶；宏观微孔和薄膜相变等；溅射镀膜过程中放电气体中的加速离子或原子常常在撞击薄膜后被捕获，成为薄膜中的杂质，在撞击的同时还可能将薄膜表面的原子撞入内部，使体积增加，从而增大了膜的本征应力。

因此，可从两个方面减小Cr/Au掩膜应力：(a)减小掩膜本征应力。主要措施包括优化镀膜的溅射功率、提高镀膜机的本底真空、提高工作气体纯度；(b)镀膜后烘烤可释放应力。Cr/Au掩膜镀制完毕后，在真空室冷却至室温后取出，然后真空退火炉中烘烤退火以释放一部分应力。

在最核心影响因素中，减少掩膜缺陷。掩膜缺陷主要包括掩膜形成过程中产生的缺陷、由于晶片表面残余颗粒引起的针孔，薄膜缺陷将导致膜层的本征应力加大，从而引起薄膜的钻蚀孔及局部起皮；薄膜针孔将引起膜层的钻蚀孔。

可从颗粒污染控制方面着手减少膜层针孔，包括在石英晶片清洗中增加兆声清洗去除亚微米颗粒、晶片清洗后装片过程中减少再污染、镀膜机内部污染源识别及控制。

在最核心影响因素中，提高加工精度。石英化学腐蚀工艺中，采用氢氟酸(HF)以及氟化氨(NH4F)溶液腐蚀石英，通过调整腐蚀液里氢氟酸的浓度、腐蚀液的温度及腐蚀时间来控制石英芯片侧面的外形轮廓。随着腐蚀液里氢氟酸的浓度及腐蚀液温度的增加，石英晶体腐蚀的速率增加，腐蚀的各向异性增强即z方向的腐蚀速率与x及y方向的腐蚀速率的比值增加，使得腐蚀工艺曲线(A1、A2、B1、B2)对应的棱角的夹角α值减小，如图11所示(wt％是重量分数)。因此，为了获得良好的敏感结构的轮廓形状，需要慢速腐蚀石英以使叉指侧面平整光滑、侧面棱角夹角α大以避免去棱角时最后形成尖棱，而去棱角的主要方法是增加敏感结构的腐蚀时间。

石英腐蚀结构尺寸精度主要依赖于腐蚀速率的控制，而腐蚀速率取决于腐蚀液的工艺参数(温度、浓度)。石英化学腐蚀工艺对腐蚀液温度精度有较高要求，还要控制各石英晶片片内和片间的腐蚀液浓度区域均匀性。在深入研究石英腐蚀机理和相互作用的基础上，通过单因素试验等方法获得相关的石英腐蚀参数曲线等，使石英腐蚀工艺能够满足不同的工艺要求，采用正交设计等试验设计的方法获得更优的腐蚀条件；设计专用行星旋转式腐蚀工装，提高腐蚀的横向尺寸均匀性及深度一致性，从而达到不等高结构的三维尺寸精度要求。

在前述的工艺流程中，可以制备三维复杂电极。在复杂电极加工中，需针对各电极的加工精度要求，分别选用合适的加工方法，设计石英遮挡及定位角度工装，优化加工流程，优化镀膜工艺参数及电极去应力热处理工艺，实现石英低应力三微复杂电极加工。

在前述的工艺流程中，可以控制微加工应力。敏感结构在微加工过程中产生应力的主要有镀膜工艺引起，最终都以电极的形式在敏感结构上体现。可采用高洁净度的平板式高真空退火设备对电极进行热处理，同时优化热处理工艺温度曲线，降低电极应力，提高加速度计重复性。同时，也可以避免电极脱落等缺陷，提升电极可靠性。

在本说明书实施例中，前述的制造方法还可以包括：

S4，在各敏感单元的加工结构上的键合区域沉积金锗薄膜；

S5，将各加工结构堆叠，在多层石英晶片之间进行金锗键合，封装键合的组件，以获得石英谐振器。

其中，片状敏感单元厚度约0.1mm，直径大于10mm，而且经过刻蚀挠性支撑结构，整体刚度较小。可采用金锗共晶键合工艺，将多层片状石英结构键合为一体。金锗合金具有与石英晶体相近的热膨胀系数，能有效减小键合层与石英间的热应力；同时，金锗焊料熔点高达361℃，远超后道封装工艺温度和器件使用温度，能有效保证键合的可靠性。可以进行图形化金锗薄膜沉积工艺、高精度贴片对准及采用多层石英金锗键合工艺，实现片状石英结构大面积金锗键合，从而可以实现双敏感单元与阻尼片多层堆叠体的键合工艺。

在封装之前，可以设计和确定集成电路板中电路构成。加速度计输出为频率信号，需要设计振荡电路输出数字频率信号。石英振荡器电路种类较多。可采用裸芯片设计门振荡电路。相位噪声直接影响加速度计精度，因此振荡器电路设计及优化的重点是相位噪声抑制。需要对电路的相位噪声进行建模分析，通过相位噪声建模实现电路参数与加速度计指标的关联，降低相位噪声提高加速度计精度。

可在Leeson线性模型基础上，引入非线性环节建立相位噪声模型。相位噪声目前主要有三种表达形式，分别为Allan方差，相位噪声功率谱密度，相对频率噪声功率谱密度。Allan方差是从时域角度来衡量振荡器频率稳定性的一种方法，如图12所示，它的优点是：可以对噪声统计特性的贡献因素进行细致的分辨和表征。

如果有M组采样数据

描述相位噪声最常用的方法是相位噪声功率谱密度S

S

其中，b

相位噪声功率谱密度一般在对数坐标系中表示，f

根据相位与频率的关系，可以导出频率噪声功率谱密度的公式：

S

相位(频率)噪声功率谱密度是从频域角度描述信号的频率抖动水平，Allan方差是从时域上角度描述信号的频率抖动水平，从数学意义上讲，两者是可以转换的，具体转换公式为：

其中，S

通常从相位(频率)噪声功率谱密度，可以通过公式转换成时域的Allan方差，但是在不限定约束条件的前提下，是无法从时域的Allan方差转换到频域的相位(频率)噪声功率谱密度的。

振荡器的Leeson模型是一个反馈模型，有源器件造成的热(白)噪声会在振荡器的放大器环节上对整个振荡器造成影响，Leeson将这种分析拓展到对闪烁噪声和噪声底部的分析。按照Leeson反馈模型，对石英谐振加速度计建立模型如图14所示，振荡器模型中Q是谐振子品质因数、ω

按照该模型，可以推导出石英谐振加速度计相位噪声输出结果：

其中b

Leeson模型是一个线性模型，并未考虑幅值噪声与相位噪声之间的非线性关系。在研究思路中，将采用理论建模计算与实验验证相结合的方法，建立谐振子频率与驱动电压幅值之间的函数关系，并根据该关系将幅值噪声转换成相位噪声。完善石英谐振加速度计的相位噪声模型，为低相位噪声的振荡电路提供设计依据，优化电路参数。

对于石英谐振器的封装，可以采用气密性封装。气密性封装好坏决定内部环境稳定性，是影响加速度计零位稳定性和温度稳定性的关键因素。当温度变化时，封装内的水气等杂质气体在音叉谐振器和质量块表面发生动态吸附或解吸附过程，影响谐振器频率和Q值，产生加速度测量误差。水气的吸附量与封装内水气含量成正比。一般来说，当露点-40℃时，水气含量约13Pa；当露点-70℃时，水气含量约0.2Pa。气密性封装结构内的水气主要来源包括回填气体杂质、封装材料放气、外漏等。通过优化封装工艺与材料，减弱这些因素的影响，尽可能降低封装内的水气含量，是提高加速度计零位和温度稳定性的关键。

为了保证产品的长期可靠性，可采用金属封装，内部回填He气或N2气。金属封装可以有效控制封装内部环境，避免水气等影响因素在长期使用过程中的缓慢渗入；内部回填气体可以起到芯片质量块阻尼的作用，使加速度计具有更好的动态特性。

石英谐振加速度计的敏感元件采用高气密性封装，封装体内部如果含有水汽，会吸附在谐振梁表面，并且吸附量随温度的变化而不断变化，造成了敏感质量的变化，从而导致谐振频率发生变化，直接影响产品的性能指标。常规的储能焊或平行封焊金属封装技术，比如采用带有手套箱的平行封焊封装设备，封装环境内的水汽含量较高，一般只能达到5000ppm，远不能满足加速度计封装的水汽含量控制要求。因此，超低水汽控制技术是石英谐振加速度计高纯度气密性封装技术的关键和难点。根据石英谐振加速度计的结构特点和封装技术要求，可采用基于二次封焊结合高温高真空除气的封装技术实现加速度敏感组件(键合后的堆叠体)的高纯度气密性封装、水汽含量控制和长期保持，封装流程如图15所示。采用该技术预计封装内的水汽含量可以控制在100ppm以内，气体纯度达到99.9％以上，从而为敏感组件提供一个高稳定性的工作环境。

在本说明书实施例中，集成电路板可以包括电子设备，电子设备可以包括存储器和处理器，存储器中可以存储有可被处理器执行的信号重构算法程序，从而在石英谐振器应用于加速度计或传感器时，能够尽可能避免温度影响性能。石英谐振加速度传感器的性能受温度影响可通过信号重构算法程序进一步减小，提高加速度测量精度。对于加速度传感器来说，信号重构的目的是在温度、加速度等多参量敏感的传递函数未知的情况下，通过某种算法，对传感器输出信号进行拟合，估算出相应的输入信号。信号重构的关键问题就是如何用一种合适的算法来重构它的输入信号，即从传感器输出数据中提取有用信息，直观获得加速度的精确测量值，并估算出当前的温度值、解耦温度耦合项。也就是说，可采用信号重构方法将进一步提高差分输出性能。

因为加速度传感器的输出频率不仅是加速度的函数，还是温度的函数，因此可以看作是一种多函数传感器，即同时敏感加速度和温度两种物理参数，其物理结构如图16所示，其中敏感单元1和敏感单元2分别时加速度传感器中用于差分输出的加速度敏感元件1和元件2。

对双参数频率传感器，传感器的输入输出具有如下函数关系：

f

f

函数关系h体现了传感器的所有变换性质。传感器信号重构的实质是对多参数传感器系统传递函数求逆的过程，也就是由输出频率f估计或重构出被测量

函数关系g则体现了重构的策略。理想情况下g＝f

在本说明书实施例中，由于加速度传感器具有两个反相的加速度敏感单元，且具有差分输出项，在考虑温度和加速度两个主要敏感参量的前提下，可以获取到做够多的信息用于信号重构，得到去除了温度耦合项的加速度准确输出值。可以尝试采用基于最小二乘的分段线性回归方法、多项式拟合以及遗传算法等多种方法进行信号重构，通过比较拟合效果，选取最优的方法，使之更适用于实际产品。在主流的多参数传感器信号重构方法中，最小二乘法构造简单、可实现全局拟合，具有较高的重构精确度和稳定度。遗传算法是一种寻优方法，对数学运算的要求更少，且具有全局寻优的特点，能解决比较复杂的非线性问题。

在本说明书实施例中，通过一体加工成型的全石英晶体(加工结构均为石英构成)、片状加速度敏感单元，采用双片加速度敏感单元与3层片状阻尼结构堆叠的结构，各层结构间通过键合工艺互联集成形成差分加速敏感组件，键合采用的金锗合金与石英的热膨胀系数相近，石英一体化设计避免不同种类材料失配产生的热应力，而不是采用在同一石英晶片上加工复杂的双敏感单元。进一步地，将挠性支撑结构刚度和位置以及质量块尺寸进行优化，不需要双重隔离结构，即不需要上下双连接点up link以及down link的隔离结构。进一步地，建立了石英谐振器力敏感性能、振动加速度耦合以及键合层间热力耦合分析模型，优化了设计参数，提高了传感器性能。进一步地，通过双敏感单元差分结构以及加速度敏感结构的设计，能够使得加速度灵敏度放大2倍的同时，有效抑制温度和应力等导致的共模误差。进一步地，通过多量程加速度敏感惯性耦合结构设计，设计不同量程的高灵敏度(大标定因子)、高稳定加速度敏感单元。进一步地，设计高刚度单点悬挂门结构形成二阶隔振系统，建立动力学分析方程，优化尺寸和动力学性能，达到应力释放和隔离高频振动效果。进一步地，在音叉制备过程中，可以采用氢氟酸(HF)以及氟化氨(NH4F)溶液浓度、腐蚀速度及时间与形成轮廓形状之间的关系(查知识库/溶液特性表、实验得到)，通过工艺参数优化和严格控制刻蚀工艺过程，提高音叉谐振器和挠性支撑刻蚀精度。

在本说明书实施例中，进一步地，石英谐振器采用了气密性封装并填充低压惰性混合气体，相对于石英音叉谐振器中音叉而言，用于惯性力检测的音叉谐振器是高Q值的，这样利于提高选频能力，可用于降低振荡回路相位噪声，对于加速度耦合的对质量-弹簧系统而言，通过实现在质量块两侧的压膜阻尼，可降低Q值，这一才能能够确保有效阻尼振动。其中，封装内可填充相对于大气气压而言的低压气体，提供适当的气体阻尼，在气体阻尼一定的情况下，能够尽可能地提高石英音叉谐振器的Q值。气密性封装好坏决定内部环境稳定性，是影响加速度计零位稳定性和温度稳定性的关键因素，采用金属封装，内部回填干燥He气和N2气混合气体，可保证产品的长期可靠性，采用基于二次封焊结合高温高真空除气的封装技术实现键合的堆叠体的高纯度气密性封装、水汽含量控制和长期保持，其中，通过对材料进行深度除气，抑制封装内部放气，通过控制气体回填工艺，减小封装内部的水气含量，通过封接工艺优化，减小封装漏率，抑制壳体外漏。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。总之，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的保护范围之内。上述实施例阐明的系统或模块，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。