雙質量塊MEMS陀螺內互聯引線的設計與實現

張方媛，牛昊彬，閆 鑫，陳旭輝，李關紅

（中國航空工業集團西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

MEMS 陀螺是一種基于MEMS 工藝制造的角速度敏感器[1]，已成為當前慣性陀螺的重要發展方向之一。MEMS 陀螺以其在體積、重量和功耗上的優勢，廣泛應用在汽車導航、飛行器控制與導航、消費電子等諸多領域[2,3]。

雙質量結構能夠有效消除軸向加速度等共模干擾的影響，其音叉式的工作方式使得MEMS 陀螺對環境不敏感，極大地提升了環境適應性[4,5]。同時采用全解耦結構方式將驅動模態與檢測模態解耦，降低正交誤差影響，進一步提升MEMS 陀螺的性能。雙質量塊陀螺工作原理為[6,7]：陀螺工作時，驅動電極施加交變靜電產生驅動力，分別驅動左右兩部分沿x 軸同頻、等幅、反向振動。當有z 軸角速度信號輸入時，產生科氏加速度，敏感質量塊沿y 軸同頻、等幅、反向振動。通過對檢測電容進行差分運算，可以解算角速率信號。

從圖1 可以看出，全解耦雙質量塊MEMS 陀螺結構比較復雜。圖中陰影部分大多是需要與外部電路的連接信號引出的區域，涉及驅動模態以及檢測模態，至少有20 個。如果在區域上直接做引線孔，會導致芯片面積不夠用，工藝難度大幅度提升。因此如何將電信號引出并保證芯片設計面積和質量是決定MEMS陀螺工作與否的重要工藝環節，內部信號互聯成為首選思路。

圖1 雙質量塊陀螺結構示意圖Fig.1 The structure of the double-mass gyroscope

1 MEMS 陀螺結構改進設計

當前晶圓級封裝設計中， 基于硅通孔（Through-Silicon-Via, TSV）技術熱度很高[8,9]，引線通孔數量過多損耗芯片面積，限制了其它結構的設計。而雙質量陀螺結構采用密封腔電極互聯鍵合技術，有如下優勢：

1) 提升設計自由度。雙質量塊陀螺結構復雜，需要的引線孔很多，如果實現陀螺腔內部互聯，則可以大大減少引線孔的數量，給設計留下很大的空間。

2) 減少了孔的數量，同時增大了陀螺有效敏感結構的面積，從而使得陀螺的靈敏度得到提升。

3) 可以實現復雜信號引線布線。陀螺與電路的連接中，走線設計復雜，如果將一部分電路走線設計在陀螺內部，將孔布局在同側，大大簡化了外部與電路的連接引線，減小MEMS 陀螺體積。

雙質量塊陀螺結構采用內互聯引線技術變化如圖2 所示。從圖2 中可見，雙質量陀螺結構發生了變化，在使用內互聯引線技術后省去了結構中央的鍵合錨點，可實現復雜信號引線布線。而內互聯引線的難點在于在密封腔內應用金屬導帶完成電信號導通，同時要保持密封，不能影響錨點鍵合質量和真空封裝品質因數Q 值。

圖2 采用內互聯引線技術對比示意圖Fig.2 Schematic diagram of comparison of inter-connection lead technology

2 內互聯引線設計

引線壓頭形狀既要考慮到陽極鍵合的可靠性，又要保證電極導通性，因此我們考慮梳齒狀電極頭結構。該結構對鍵合質量影響最小，同時兼顧導通穩定。

設計齒狀電極引線端口如圖3 所示。主要設計參數有b（齒寬）、c（鍵合區壓入長度）。依據現有工藝特點，設計了18 組不同長度組合，用于開展引線鍍制厚度以及材料對比試驗，如表1、表2 所示。

圖3 電極引線端口示意圖Fig.3 Schematic diagram of electrode lead port

將設計的不同電極端口制作在同一個帶孔玻璃片上，進行陽極鍵合密封，測量密封后的未鍵合區域長度，進而對參數選取進行判斷。理論上未鍵合區域越小，證明對鍵合強度影響越小，如圖4 所示。

圖4 未鍵合區域示意圖Fig.4 Schematic diagram of unbounded area

將18 組圖形做在同一個玻璃片上，其分布如圖5所示，這樣能在同樣的鍵合參數下，對不同電極端口進行比較，同時也能保證每種電極端口有足夠樣品量。

圖5 端口圖形分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of port distribution

同時，準備了10 片玻璃片，從工藝實現性和經驗方面考慮，進行了電極厚度和電極材料的分類設計，如表2 所示。

表2 電極端口設計參數Tab.2 Parameters of the electrode port

表2 電極材料以及膜厚表Tab.2 Electrode material and film thickness

3 電極制作與實現

電極制作經過清洗帶孔玻璃片、沉積金屬層、光刻、腐蝕、陽極鍵合等工藝步驟，如圖6 所示。

圖6 電極制作過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of electrode production

其中的陽極鍵合參數為：溫度400 ℃，鍵合電壓-400 V，鍵合時長45 min，鍵合氣壓為1E-4 mbar。形成的密封電極形貌清晰，鍵合區域合適，如圖7 所示。

圖7 鍵合后玻璃電極形貌Fig.7 The appearance of the electrode after bonding

4 實驗結果分析與設計參數選取

4.1 齒狀電極形貌

對每片玻璃片進行了陽極鍵合密封，分析未鍵合區域與c 的關系，如圖8 所示。

圖8 c 與未鍵合區域關系曲線Fig.8 The curve of the relationship between c and unbounded area

對于不同鍵合參數的玻璃電極片，總體趨勢是，b值一定的情況下，鍵合后c 的長度（也就是嵌入至鍵合區內的電極長度）越小，未鍵合區域越小，鍵合質量越好。尤其在c=5 μm 時，呈現直接鍵合的現象，沒有出現未鍵合的空腔。同樣，抽取2 號片進行統計發現，當c 的長度一定時，b=10 μm 的曲線未鍵合區域最小，鍵合效果最好。

通過以上分析，b 和c 的長度越短越好。但陀螺生產過程中，受到對準誤差以及鍵合誤差等限制，需保證工藝可行性以及接觸穩定性。對準精度的改進依靠更換新型的鍵合夾具，在設計中，應該考慮到這種偏差，不能將伸入鍵合區的電極長度設置過短，增加工藝難度。結合數據分析并從工藝實現性考慮，選擇b=10 μm，c=20 μm 為合適參數。

4.2 電極材料選取

根據工藝條件，選Al 和AlCu 兩種電極材料進行對比。從圖9 中可以看出，在相同的b、c 條件下，Al 材料的未鍵合區域較AlCu 小。因此，選用Al 作為電極首選材料。

圖9 不同電極材料鍵合比較圖Fig.9 Bonding comparison of different electrode material

4.3 電極厚度選取

選擇了Al 電極的三種厚度進行比較，分別為0.2 μm、0.5 μm 和1 μm。圖10 中曲線是b=10 μm 時，不同的厚度所對應的未鍵合區域。從圖10 中可知，在c 相同情況下，電極厚度越厚，未鍵合區域越大，鍵合效果越差。0.2 μm 的電極鍵合效果最好。

圖10 不同電極厚度鍵合比較圖Fig.10 Bonding comparison of different electrode thickness

對試驗片進行導通性測試，所有玻璃片上電極的電阻值統計結果，見表3。從表3 中可知，Al 厚度為0.2 μm 的電極其電阻為1000 Ω 以下的最多，失效率最低，因此選擇電極厚度為0.2 μm 最佳，既能保證電極接觸電阻小，又能保證電極導通的穩定性。

表3 數據統計表Tab.3 Statistics

綜上所述，采用0.2 μm 的電極厚度作為正式產品的工藝參數。

5 基于內互聯引線工藝的陀螺測試與分析

基于以上內互聯引線的工藝參數，成功實現25只雙質量塊MEMS 陀螺電信號導通，并實現了真空密封。經測試，Q 值能夠達到20 萬以上的表頭數為24個，占比超過80%，如圖11 所示。

圖11 陀螺測試Q 值分布圖Fig.11 Chart of gyro test Q value distribution

陀螺受外界影響小，性能穩定，內互聯引線電信號連接可靠性較高。在室溫環境下，對陀螺進行了1小時穩定性的測試，測試零偏穩定性達到7.7 °/h，如圖12 所示。

圖12 陀螺測試圖Fig.12 Chart of gyro test

雙質量塊陀螺的孔數量減少，同時孔結構分布在一側，為后端封裝也提供了便利空間。結構改進前后的實物圖如圖13 所示。

圖13 結構改進前后陀螺表頭Fig.13 Gyro chip before and after structural improvement

6 結 論

本文采用齒狀電極作為雙質量塊MEMS 陀螺內互聯引線，確定伸入鍵合區長度為20 μm，齒狀數目為10 個，為鍵合合適參數；同時，選擇Al 作為電極材料，并比較了電極的不同厚度對于鍵合面以及導通性的影響，確定電極厚度為0.2 μm。密封腔電極內互聯引線工藝技術的實現，使得MEMS 雙質量陀螺避免中間通孔占用芯片面積，降低了通孔制作工藝難度，同時為整體結構設計提高了自由度，避免復雜表面引線干擾，為MEMS 雙質量塊陀螺性能進一步優化的實現奠定了工藝基礎。