本发明涉及石英音叉陀螺加工领域，具体涉及一种石英音叉和基座的连接结构、连接方法及其应用。
背景技术：
微机械陀螺是现代惯性导航与控制技术的核心部件，广泛应用于航空航天、武器装备、工业控制以及消费电子。其中石英音叉陀螺具有较高的检测精度，在高精度应用领域获得了广泛的应用。石英音叉陀螺加工可以分为三个阶段，第一阶段为石英音叉的加工，即通过mems工艺对石英音叉结构进行精密加工；第二阶段为石英音叉陀螺表芯微组装，即通过环氧树脂类绝缘粘接胶等实现石英音叉与基座的微组装；第三阶段为石英音叉陀螺表芯封装，即通过电阻焊或激光封焊等实现特定内部气氛的可靠封装。
传统的微组装技术一般采用环氧树脂类绝缘粘接胶等实现石英音叉与基座的微组装，由于石英和基座材料(例如可伐合金等)具有接近的热膨胀系数，能够实现良好的热匹配，但环氧树脂粘接胶固化后热膨胀系数与基座及石英晶体不匹配，在温度变化时将产生应力，而石英音叉作为石英陀螺的敏感部件，微弱的应力将直接硬性其参数指标，与温度相关的应力变化将影响石英陀螺全温性能。同时，由于有机环氧树脂粘接胶随着时间的推移将释放气体，影响封装气氛，造成内部压强、阻尼变化，进而导致石英陀螺q值、标度因数等关键指标变化，与时间相关的内部气氛变化将影响石英陀螺表芯长期稳定性。
技术实现要素：
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的石英和基座材料采用环氧树脂类绝缘粘接胶进行连接，由于环氧树脂热膨胀系数与石英和基座材料不匹配而产生热应力，同时会随时间推移释放气体的缺陷，从而提供一种石英音叉和基座的连接结构及其连接方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种石英音叉与基座的连接结构，包括孤岛、凸台以及设置两者之间用于将两者相互连接的金属连接层，所述孤岛设置于石英音叉中心，所述凸台设置于基座表面。
所述金属连接层由多层金属膜层键合而成，所述多层金属膜层沿孤岛靠近凸台的方向上依次包括层叠设置的cr层、第一au层、sn层和第二au层。
进一步地，所述多层金属膜层的面积大于孤岛与凸台的相交面积。
进一步地，所述多层金属膜层厚度为9.5-10.5μm；优选地，cr层的厚度为19-21nm，第一au层的厚度为5700-6300nm，sn层的厚度为3800-4200nm，第二au层的厚度为9.5-10.5nm，所述多层金属膜层不与其他au电极相连接。
本发明还提供上述石英音叉和基座的连接结构的石英音叉陀螺的应用。
并提供一种石英音叉陀螺，包括上述石英音叉和基座的连接结构。
本发明还提供一种石英音叉与基座的连接方法，包括如下步骤：
在石英音叉中心的孤岛上形成多层金属膜层；
将石英音叉的孤岛与基座的凸台对准后，进行微组装，通过多层金属膜层连接石英音叉和基座。
进一步地，所述微组装，包括如下步骤：
将石英音叉的孤岛与基座的凸台对准后置于键合设备中，然后抽真空至不大于5×10-3pa后，充入n2到不大于8×104pa，并重复至少1次；
从(30±10)℃升温至(220±10)℃，升温时间1-5min；
在(220±10)℃保持1-2min；
从(220±10)℃升温至(310±10)℃，升温时间1-10min；
在(310±10)℃保持5-30min；
从(310±10)℃降温至(50±10)℃，降温时间5-30min；
从(50±10)℃升温至(200±10)℃，升温时间1-5min；
在(200±10)℃保持1-5min；
从(200±10)℃降温至(30±10)℃，降温时间1-5min，完成微组装。
在石英音叉中心的孤岛上形成多层金属膜层，包括如下步骤：
s1：在石英音叉中心的孤岛上依次沉积cr层和第一au层；
s2：对cr层和第一au层所形成的结构进行图形化；
s3：在s2得到的结构上制备sn层和第二au层，得到多层金属膜层；
优选地，步骤s1中，所述沉积为磁控溅射沉积；
步骤s2中，所述图形化为采用光刻工艺s1得到的结构进行精确定义，然后采用湿法刻蚀工艺形成目标图形；
步骤s3具体为，采用光刻工艺对s2中得到的结构进行精确定义，然后使用热蒸发方式沉积sn层和第二au层，最后采用光刻胶剥离工艺得到多层金属膜层。形成多层金属膜层时将cr层和第一au层与sn层和第二au层分为两次制备，其目的是先制备cr层和第一au层可以兼容现有的mems工艺，避免较为活泼的sn的影响，提高工艺可行性，降低整个制备过程中的工艺难度。
进一步地，所述微组装，升温及保持温度时，真空度保持小于8×104pa，通过控制升温及保温过程中腔体内保持特定的氮气压力保证良好的热传导均匀性以及微组装质量；
所述在石英音叉中心的孤岛上形成多层金属膜层时，沉积cr层和第一au层以及沉积sn层和第二au层时，其真空度保持不大于5×10-3pa，以保证成膜质量。
本发明技术方案，具有如下优点：
(1)本发明采用微组装工艺连接石英音叉和基座，基于材料的性质，从根本上解决了石英音叉与基座基于环氧树脂粘接胶工艺所不可避免的温度不匹配以及气体释放，可以有效改善石英陀螺的全温性能与温度稳定性。
(2)本发明设置相比键合区域略大的多层金属膜层面积，保证键合后键合边缘形貌，避免键合缺陷，从而保证连接结构的强度及可靠性。
(3)本发明为保证石英音叉与基座良好的微组装精度，对多层金属膜层结构的厚度参数、微组装过程的工艺流程、工艺参数进行了设计，能够保证金属多层膜层合金化过程平稳，有效减小微组装音叉的位移，同时减小应力，保证微组装预应力可接受，实现微米级的微组装精度。
(4)本发明在制备多层金属膜层时采用mems工艺，通过光刻工艺确定图形形貌及位置，制备精度能够达到亚微米量级，多层金属膜层与石英音叉结构一体，能够兼容传统自动粘接设备。
(5)本发明在制备多层金属膜层时采用mems工艺，多层金属膜层各层材料的厚度精度达到纳米级，精确控制多层金属膜层各膜层的厚度与总厚度，当多层金属膜层厚度与键合面积，键合材质、键合形貌相匹配时，能够有效避免合金化过程熔融态流动导致表芯偏离产生的位移偏差，实现微米级微组装精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1-5中石英音叉的结构示意图；
图2为本发明实施例1-5中未连接的石英音叉和基座的侧视图；
图3为本发明实施例1-5中连接后的石英音叉和基座的侧视图；
图4为图3中石英音叉和基座的连接结构局部放大图；
图5为图3中连接后的石英音叉和基座的俯视图；
图6为图5中石英音叉和基座的连接结构的局部放大图；
图7为本发明实施例1-5中多层金属膜层的结构示意图。
附图标记：
1-石英音叉；11-孤岛；2-基座；21-凸台；3-多层金属膜层；31-cr层；32-第一au层；33-sn层；34-第二au层；4-石英音叉和基座的连接结构；5-孤岛与凸台的相交面积。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1-5中采用的磁控溅射工艺、光刻工艺、湿法刻蚀工艺、热蒸发镀膜工艺以及光刻胶剥离工艺均为现有工艺，其工艺参数可根据实际情况进行改动。
实施例1
本实施例提供一种石英音叉与基座的连接方法，如图1-图6所示，具体包括如下步骤：
(1)在石英音叉1中心孤岛11上采用磁控溅射依次沉积20nm的cr层31和6000nm的第一au层32；
(2)采用光刻工艺对步骤(1)中得到的结构进行精确定义，使目标结构相对应的区域被光刻胶覆盖；
(3)对cr层31和第一au层32采用湿法刻蚀工艺，刻蚀完成后去除光刻胶形成目标图形；
(4)采用光刻工艺对步骤(3)中得到的结构进行精确定义，使目标结构相对应的区域没有被光刻胶覆盖；
(5)采用热蒸发沉积4000nm的sn层33和10nm的第二au层34，然后采用光刻胶剥离工艺，得到如图7所示的多层金属膜层3，所述多层金属膜层3不与其他au电极相连接。其中，图6中给出的孤岛与凸台的相交面积5相交面积小于所述多层金属膜层3面积，保证键合后键合边缘形貌，避免键合缺陷，从而保证连接结构的强度及可靠性。同时，步骤(1)-(5)控制多层金属膜层3各膜层的厚度与总厚度，使得多层金属膜层厚度与键合面积，键合材质、键合形貌相匹配时，能够有效避免合金化过程熔融态流动导致表芯偏离产生的位移偏差，实现微米级微组装精度。步骤(1)和步骤(5)中进行磁控溅射和热蒸发时，其真空度保持不大于5×10-3pa，以保证成膜质量；
(6)将石英音叉1的孤岛11与基座2的凸台21对准后置于键合设备中，抽真空至不大于5×10-3pa后，充入n2到不大于8×104pa，并重复1次；
从30℃升温至220℃，升温时间1min；
在220℃保持2min；
从220℃升温至310℃，升温时间10min；
在310℃保持5min；
从310℃降温至50℃，降温时间30min；
从50℃升温至200℃，升温时间5min；
在200℃保持1min；
从200℃降温至30℃，降温时间5min，步骤(4)中温度变化工艺可以减小应力，保证微组装预应力可接受，完成微组装。
其中升温以及保持温度时，真空度保持小于8×104pa，通过控制升温及保温过程中腔体内保持特定的氮气压力能够保证良好的热传导均匀性以及微组装质量。
实施例2
本实施例提供一种石英音叉与基座的连接方法，如图1-图6所示，具体包括如下步骤：
(1)在石英音叉1中心孤岛11上采用磁控溅射依次沉积19nm的cr层31和6300nm的第一au层32；
(2)采用光刻工艺对步骤(1)中得到的结构进行精确定义，使目标结构相对应的区域被光刻胶覆盖；
(3)对cr层31和第一au层32采用湿法刻蚀工艺，刻蚀完成后去除光刻胶形成目标图形；
(4)采用光刻工艺对步骤(3)中得到的结构进行精确定义，使目标结构相对应的区域没有被光刻胶覆盖；
(5)采用热蒸发沉积4200nm的sn层33和9.5nm的第二au层34，然后采用光刻胶剥离工艺，得到如图7所示的多层金属膜层3，所述多层金属膜层3不与其他au电极相连接。其中，图6中给出的孤岛与凸台的相交面积5相交面积小于所述多层金属膜层3面积，保证键合后键合边缘形貌，避免键合缺陷，从而保证连接结构的强度及可靠性。同时，步骤(1)-(5)控制多层金属膜层3各膜层的厚度与总厚度，使得多层金属膜层厚度与键合面积，键合材质、键合形貌相匹配时，能够有效避免合金化过程熔融态流动导致表芯偏离产生的位移偏差，实现微米级微组装精度。步骤(1)和步骤(5)中进行磁控溅射和热蒸发时，其真空度保持不大于5×10-3pa，以保证成膜质量；
(6)将石英音叉1的孤岛11与基座2的凸台21对准后置于键合设备中，抽真空至不大于5×10-3pa后，充入n2到不大于8×104pa，并重复2次；
从35℃升温至230℃，升温时间5min；
在230℃保持1min；
从230℃升温至300℃，升温时间3min；
在300℃保持30min；
从300℃降温至60℃，降温时间5min；
从60℃升温至210℃，升温时间1min；
在210℃保持5min；
从210℃降温至35℃，降温时间1min，步骤(4)中温度变化工艺可以减小应力，保证微组装预应力可接受，完成微组装。
其中升温以及保持温度时，真空度保持小于8×104pa，通过控制升温及保温过程中腔体内保持特定的氮气压力能够保证良好的热传导均匀性以及微组装质量。
实施例3
本实施例提供一种石英音叉与基座的连接方法，如图1-图6所示，具体包括如下步骤：
(1)在石英音叉1中心孤岛11上采用磁控溅射依次沉积21nm的cr层31和5700nm的第一au层32；
(2)采用光刻工艺对步骤(1)中得到的结构进行精确定义，使目标结构相对应的区域被光刻胶覆盖；
(3)对cr层31和第一au层32采用湿法刻蚀工艺，刻蚀完成后去除光刻胶形成目标图形；
(4)采用光刻工艺对步骤(3)中得到的结构进行精确定义，使目标结构相对应的区域没有被光刻胶覆盖；
(5)采用热蒸发沉积3800nm的sn层33和10.5nm的第二au层34，然后采用光刻胶剥离工艺，得到如图7所示的多层金属膜层3，所述多层金属膜层3不与其他au电极相连接。其中，图6中给出的孤岛与凸台的相交面积5相交面积小于所述多层金属膜层3面积，保证键合后键合边缘形貌，避免键合缺陷，从而保证连接结构的强度及可靠性。同时，步骤(1)-(5)控制多层金属膜层3各膜层的厚度与总厚度，使得多层金属膜层厚度与键合面积，键合材质、键合形貌相匹配时，能够有效避免合金化过程熔融态流动导致表芯偏离产生的位移偏差，实现微米级微组装精度。步骤(1)和步骤(5)中进行磁控溅射和热蒸发时，其真空度保持不大于5×10-3pa，以保证成膜质量；
(6)将石英音叉1的孤岛11与基座2的凸台21对准后置于键合设备中，抽真空至不大于5×10-3pa后，充入n2到不大于8×104pa，并重复1次；
从20℃升温至210℃，升温时间2min；
在210℃保持1min；
从210℃升温至320℃，升温时间1min；
在320℃保持10min；
从320℃降温至40℃，降温时间30min；
从40℃升温至190℃，升温时间3min；
在190℃保持2min；
从190℃降温至20℃，降温时间4min，步骤(4)中温度变化工艺可以减小应力，保证微组装预应力可接受，完成微组装。
其中升温以及保持温度时，真空度保持小于8×104pa，通过控制升温及保温过程中腔体内保持特定的氮气压力能够保证良好的热传导均匀性以及微组装质量。
实施例4
本实施例提供一种石英音叉与基座的连接方法，如图1-图6所示，具体包括如下步骤：
(1)在石英音叉1中心孤岛11上采用磁控溅射依次沉积20nm的cr层31和6000nm的第一au层32；
(2)采用光刻工艺对步骤(1)中得到的结构进行精确定义，使目标结构相对应的区域被光刻胶覆盖；
(3)对cr层31和第一au层32采用湿法刻蚀工艺，刻蚀完成后去除光刻胶形成目标图形；
(4)采用光刻工艺对步骤(3)中得到的结构进行精确定义，使目标结构相对应的区域没有被光刻胶覆盖；
(5)采用热蒸发沉积4000nm的sn层33和10nm的第二au层34，然后采用光刻胶剥离工艺，得到如图7所示的多层金属膜层3，所述多层金属膜层3不与其他au电极相连接。其中，图6中给出的孤岛与凸台的相交面积5相交面积小于所述多层金属膜层3面积，保证键合后键合边缘形貌，避免键合缺陷，从而保证连接结构的强度及可靠性。同时，步骤(1)-(5)控制多层金属膜层3各膜层的厚度与总厚度，使得多层金属膜层厚度与键合面积，键合材质、键合形貌相匹配时，能够有效避免合金化过程熔融态流动导致表芯偏离产生的位移偏差，实现微米级微组装精度。步骤(1)和步骤(5)中进行磁控溅射和热蒸发时，其真空度保持不大于5×10-3pa，以保证成膜质量；
(6)将石英音叉1的孤岛11与基座2的凸台21对准后置于键合设备中，抽真空至不大于5×10-3pa后，充入n2到不大于8×104pa，并重复2次；
从40℃升温至220℃，升温时间3min；
在220℃保持2min；
从220℃升温至310℃，升温时间10min；
在310℃保持20min；
从310℃降温至40℃，降温时间20min；
从40℃升温至200℃，升温时间3min；
在200℃保持2min；
从200℃降温至40℃，降温时间5min，步骤(4)中温度变化工艺可以减小应力，保证微组装预应力可接受，完成微组装。
其中升温以及保持温度时，真空度保持小于8×104pa，通过控制升温及保温过程中腔体内保持特定的氮气压力能够保证良好的热传导均匀性以及微组装质量。
实施例5
本实施例提供一种石英音叉与基座的连接方法，如图1-图6所示，具体包括如下步骤：
(1)在石英音叉1中心孤岛11上采用磁控溅射依次沉积20nm的cr层31和6000nm的第一au层32；
(2)采用光刻工艺对步骤(1)中得到的结构进行精确定义，使目标结构相对应的区域被光刻胶覆盖；
(3)对cr层31和第一au层32采用湿法刻蚀工艺，刻蚀完成后去除光刻胶形成目标图形；
(4)采用光刻工艺对步骤(3)中得到的结构进行精确定义，使目标结构相对应的区域没有被光刻胶覆盖；
(5)采用热蒸发沉积4000nm的sn层33和10nm的第二au层34，然后采用光刻胶剥离工艺，得到如图7所示的多层金属膜层3，所述多层金属膜层3不与其他au电极相连接。其中，图6中给出的孤岛与凸台的相交面积5相交面积小于所述多层金属膜层3面积，保证键合后键合边缘形貌，避免键合缺陷，从而保证连接结构的强度及可靠性。同时，步骤(1)-(5)控制多层金属膜层3各膜层的厚度与总厚度，使得多层金属膜层厚度与键合面积，键合材质、键合形貌相匹配时，能够有效避免合金化过程熔融态流动导致表芯偏离产生的位移偏差，实现微米级微组装精度。步骤(1)和步骤(5)中进行磁控溅射和热蒸发时，其真空度保持不大于5×10-3pa，以保证成膜质量；
(6)将石英音叉1的孤岛11与基座2的凸台21对准后置于键合设备中，抽真空至不大于5×10-3pa后，充入n2到不大于8×104pa，并重复2次；
从25℃升温至225℃，升温时间3min；
在225℃保持1min；
从225℃升温至310℃，升温时间6min；
在310℃保持15min；
从310℃降温至40℃，降温时间20min；
从40℃升温至225℃，升温时间5min；
在225℃保持2min；
从225℃降温至25℃，降温时间3min，步骤(4)中温度变化工艺可以减小应力，保证微组装预应力可接受，完成微组装。
其中升温以及保持温度时，真空度保持小于8×104pa，通过控制升温及保温过程中腔体内保持特定的氮气压力能够保证良好的热传导均匀性以及微组装质量。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
1.一种石英音叉与基座的连接结构，其特征在于，包括孤岛、凸台以及设置两者之间用于将两者相互连接的金属连接层，所述孤岛设置于石英音叉中心，所述凸台设置于基座表面。
2.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述金属连接层由多层金属膜层键合而成，所述多层金属膜层沿孤岛靠近凸台的方向上依次包括层叠设置的cr层、第一au层、sn层和第二au层。
3.根据权利要求1或2所述的连接结构，其特征在于，所述多层金属膜层的面积大于孤岛与凸台的相交面积。
4.根据权利要求3所述的连接结构，其特征在于，所述多层金属膜层厚度为9.5-10.5μm；优选地，cr层的厚度为19-21nm，第一au层的厚度为5700-6300nm，sn层的厚度为3800-4200nm，第二au层的厚度为9.5-10.5nm；所述多层金属膜层不与其他au电极相连接。
5.权利要求1-4任一权利要求所述的石英音叉和基座的连接结构在石英音叉陀螺中的应用。
6.一种石英音叉陀螺，其特征在于，包括权利要求1-4任一权利要求所述的石英音叉和基座的连接结构。
7.一种石英音叉与基座的连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
在石英音叉中心的孤岛上形成多层金属膜层；
将石英音叉的孤岛与基座的凸台对准后，进行微组装，通过金属连接层连接石英音叉和基座。
8.根据权利要求7所述的连接方法，其特征在于，所述微组装，包括如下步骤：
将石英音叉的孤岛与基座的凸台对准后置于键合设备中，然后抽真空至不大于5×10-3pa后，充入n2到不大于8×104pa，并重复至少1次；
从(30±10)℃升温至(220±10)℃，升温时间1-5min；
在(220±10)℃保持1-2min；
从(220±10)℃升温至(310±10)℃，升温时间1-10min；
在(310±10)℃保持5-30min；
从(310±10)℃降温至(50±10)℃，降温时间5-30min；
从(50±10)℃升温至(200±10)℃，升温时间1-5min；
在(200±10)℃保持1-5min；
从(200±10)℃降温至(30±10)℃，降温时间1-5min，完成微组装。
9.根据权利要求8所述的连接方法，其特征在于，在石英音叉中心的孤岛上形成多层金属膜层，包括如下步骤：
s1：在石英音叉中心的孤岛上依次沉积cr层和第一au层；
s2：对cr层和第一au层所形成的结构进行图形化；
s3：在s2得到的结构上制备sn层和第二au层，得到多层金属膜层；
优选地，步骤s1中，所述沉积为磁控溅射沉积；
步骤s2中，所述图形化为采用光刻工艺s1得到的结构进行精确定义，然后采用湿法刻蚀工艺形成目标图形；
步骤s3具体为，采用光刻工艺对s2中得到的结构进行精确定义，然后使用热蒸发方式沉积sn层和第二au层，最后采用光刻胶剥离工艺得到多层金属膜层。
10.根据权利要求9所述的连接方法，其特征在于，所述微组装，升温及保持温度时，真空度保持小于8×104pa；
所述在石英音叉中心的孤岛上形成多层金属膜层时，沉积cr层和第一au层以及沉积sn层和第二au层时，其真空度保持不大于5×10-3pa。
技术总结