一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法
【专利摘要】本发明涉及石英摆片制造领域，尤其是一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法。所述酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，包括以下步骤：第一步：将工装好的石英摆片挠性梁放入第一氢氟酸溶液中，在第一温度条件下，进行快速刻蚀，直至石英摆片挠性梁达到第一预设厚度；第二步：将第一预设厚度的石英摆片挠性梁放入第二氢氟酸溶液中，在第二温度条件下，进行慢速刻蚀，直至石英摆片挠性梁达到第二预设厚度；其中：第一氢氟酸溶液的浓度大于第二氢氟酸溶液的浓度，第一氢氟酸溶液的浓度小于22mol/L；第一温度高于第二温度。所述酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法缩短石英摆片挠性梁酸刻蚀时间；可对石英摆片挠性梁厚度进行控制精度。
【专利说明】一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石英摆片挠性梁制造领域，尤其是一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形 方法。
【背景技术】
[0002] 石英摆片挠性梁是石英挠性加速度计的核心元件，石英挠性加速度计主要用于惯 性导航系统，其主要性能指标包括量程、分辨率、偏值重复性、标度因素重复性和非线性等， 其性能指标中的量程和分辨率决定于石英摆片挠性梁的厚度和表面质量。
[0003] 目前，公知的石英摆片挠性梁成形方法是利用氢氟酸与石英玻璃的化学反应使石 英摆片挠性梁厚度减薄，使其刚度减小从而实现挠性弯曲。摆片平面刻图后，采用特制的酸 蚀模具和氟硅橡胶掩膜，保护除石英摆片挠性梁外的其余部分，将其置于一定浓度和温度 的氢氟酸溶液中进行酸刻蚀，通过测量"陪片"的酸蚀量计算酸蚀速率从而估算石英摆片挠 性梁的厚度，即摆片石英摆片挠性梁"一步"成形法。"一步法"的酸刻蚀速率约为I. 3um/ min，石英摆片烧性梁加工时需要减薄的量为690um，则需要耗时530min。该方法进行酸刻 蚀石英摆片挠性梁不仅耗时长，而且精度不高。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述酸刻蚀石英摆片挠性梁"一步法"成形引起的石英摆片挠性梁厚度 控制精度差和耗时时间长的不足，本发明提供了一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法， 该方法不仅能将石英摆片挠性梁的厚度控制精度提高至±lum，而且能大大降低反应时间。
[0005] 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
[0006] 通过一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，包括以下步骤：
[0007] 第一步：将工装好的石英摆片挠性梁放入第一氢氟酸溶液中，在第一温度条件下， 进行快速刻蚀，直至所述石英摆片挠性梁达到第一预设厚度；
[0008] 第二步：将所述第一预设厚度的石英摆片挠性梁放入第二氢氟酸溶液中，在第二 温度条件下，进行慢速刻蚀，直至所述石英摆片挠性梁达到第二预设厚度；
[0009] 其中：所述第一氢氟酸溶液的浓度大于所述第二氢氟酸溶液的浓度，所述第一氢 氟酸溶液的浓度小于22m〇l/L ;
[0010] 所述第一温度高于所述第二温度。
[0011] 优选地，
[0012] 所述第一氢氟酸溶液的浓度的18?22mol/L ;
[0013] 所述第二氢氟酸溶液的浓度为10?15mol/L。
[0014] 优选地，
[0015] 所述第一温度为50?70 °C ;
[0016] 所述第二温度为20?30°C。
[0017] 优选地，
[0018] 在所述快速刻蚀过程中，在所述第一氢氟酸溶液中放入第一玻璃陪片，通过计算 所述第一玻璃陪片在所述第一氢氟酸溶液中的第一酸刻蚀速率，进行估算测试所述第一预 设厚度的第一预设时间；
[0019] 在所述慢速刻蚀过程中，在所述第二氢氟酸溶液中放入第二玻璃陪片，通过计算 所述第二玻璃陪片在所述第二氢氟酸溶液中的第二酸刻蚀速率，进行估算测试所述第二预 设厚度的第二预设时间。
[0020] 优选地，
[0021] 所述第一预设时间为180?300min ;
[0022] 所述第二预设时间为30?50min。
[0023] 优选地，
[0024] 通过光纤光谱测厚装置，测量所述石英摆片挠性梁的第一预设厚度和第二预设厚 度；
[0025] 所述光纤光谱测厚装置包括光纤光谱仪、光源、模具固定底座和光纤测量探头，所 述光纤光谱仪和光源分别经光纤与所述光纤测量探头连接，所述模具固定底座用于固定所 述石英摆片绕性梁，所述光纤测量探头垂直设置在固定在所述模具固定底座上的所述石英 摆片绕性梁的一侧。
[0026] 优选地，
[0027] 所述第一预设厚度为40?60 μ m ;
[0028] 所述第二预设厚度为24?28 μ m。
[0029] 优选地，
[0030] 通过氟硅橡胶掩膜将所述石英摆片挠性梁装模，形成工装好的石英摆片挠性梁。
[0031] 优选地，
[0032] 将第一预设厚度的石英摆片挠性梁放入第二氢氟酸溶液中时，使用去离子水冲洗 残留酸液，并用无尘布吸干石英摆片挠性梁表面水分。
[0033] 优选地，
[0034] 在进行快速刻蚀时，所述石英摆片挠性梁竖直放置在所述第一氢氟酸溶液中；
[0035] 在进行慢速刻蚀时，所述石英摆片挠性梁竖直放置在所述第二氢氟酸溶液中。
[0036] 借由上述技术方案，本发明提出的一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法至少具 有下列优点：
[0037] 1)缩短石英摆片挠性梁酸刻蚀时间；
[0038] 2)避免橡胶掩膜酸溶造成的石英摆片挠性梁厚度不均和玻璃边缘毛刺；
[0039] 3)可对石英摆片挠性梁厚度进行精确控制。
[0040] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【专利附图】
【附图说明】
[0041] 图1是本发明的工艺流程图；
[0042] 图2是本发明氟硅橡胶掩膜和与石英摆片挠性梁的工装结构图；
[0043] 图3是本发明的在线测厚装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0044] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，详细说 明如后。
[0045] 本发明提供的一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法（具体工艺流程参见图1)， 包括以下步骤：
[0046] 第一步：将工装好的石英摆片挠性梁放入第一氢氟酸溶液中，在第一温度条件下， 进行快速刻蚀，直至所述石英摆片挠性梁达到第一预设厚度；
[0047] 第二步：将所述第一预设厚度的石英摆片挠性梁放入第二氢氟酸溶液中，在第二 温度条件下，进行慢速刻蚀，直至所述石英摆片挠性梁达到第二预设厚度；其中：所述第 一氢氟酸溶液的浓度大于所述第二氢氟酸溶液的浓度，所述第一氢氟酸溶液的浓度小于 22mol/L ;所述第一温度高于所述第二温度。
[0048] 通过第一氢氟酸溶液对所述石英摆片挠性梁进行快速刻蚀，能够加快所述石英摆 片挠性梁刻蚀至第二预设厚度的反应时间。通过第二氢氟酸溶液对所述石英摆片挠性梁进 行慢速刻蚀，能有效控制所述石英摆片挠性梁到第二预设厚度的精度。
[0049] 优选地，所述第一氢氟酸溶液的浓度的18?22mol/L。
[0050] 优选地，所述第二氢氟酸溶液的浓度为10?15mol/L。
[0051] 优选地，本发明中，所述第一氢氟酸溶液和所述第二氢氟酸溶液，均采用优级纯 (GR)氢氟酸溶液进行配置。
[0052] 优选地，所述优级纯（GR)氢氟酸溶液的含量彡40 %，浓度约为22. 8mol/L。将所 述优级纯（GR)氢氟酸溶液与水或者其他溶剂稀释到所需浓度；加热稀释后的所述优级纯 (GR)氢氟酸溶液并充分搅拌，使所述优级纯（GR)氢氟酸溶液在酸蚀容器中浓度、温度分布 均匀；待所述优级纯（GR)氢氟酸溶液温度恒定后（波动〈±0. 5°C )方可进行酸蚀速率标 定，然后进行所述石英摆片挠性梁的酸刻蚀加工。
[0053] 优选地，所述第一温度为50?70 °C。
[0054] 优选地，所述第二温度为20?30°C。
[0055] 反应时间决定于氢氟酸浓度和反应温度，第一步选择18?22mol/L，50?70°C，在 高温高氢氟酸浓度下尽量缩短酸刻蚀的时间，将酸刻蚀时间控制在5小时之内，一方面是 比一步法节省时间，更重要的是减少橡胶掩膜因为长时间浸泡在酸液中造成的酸溶现象。 温度不适宜高于70°C是考虑到橡胶在高温下的酸溶加快。第二步选择温度20?30°C，氢 氟酸浓度为10?15mol/L，酸刻蚀速率慢，目的在于提高对最终挠性梁厚度的控制精度。
[0056] 现有的一步法，一般氢氟酸的浓度是15. 6mol/L，温度为40°C，在这个条件下酸刻 蚀摆片的挠性梁需要大约9?10小时，橡胶掩膜在此条件下浸泡9?10小时，酸溶尺寸可 达2_，这样引起的挠性梁刻蚀后边缘不整齐毛刺多。并且，由于石英摆片挠性梁的厚度要 求为24?28um，以上述刻蚀速率估算所得刻蚀时间并不能精确控制其厚度，极易发生到达 计算时间取出后摆片石英摆片挠性梁厚度不在24?28um范围内，导致摆片石英摆片挠性 梁加工成品率低；此外氟硅橡胶掩膜在氢氟酸溶液中浸泡530min发生酸溶，一方面造成掩 膜边缘渗酸使玻璃边缘出现毛刺，另一方面酸溶胶质粘附在石英摆片挠性梁表面引起酸蚀 不均，造成石英摆片挠性梁厚度均匀性差。
[0057] 在快速刻蚀时，所述橡胶掩膜在18?22mol/L，50?70°C的条件下也会发生酸溶， 但由于其浸泡时间短，发生酸溶的尺寸约为0. 5_。在慢速刻蚀时，在10?15mol/L，20? 30°C条件，由于其温度、氢氟酸浓度低，并且浸泡时间小于1小时，几乎观测不到酸溶现象。
[0058] 优选地，在所述快速刻蚀过程中，在所述第一氢氟酸溶液中放入第一玻璃陪片，通 过计算所述第一玻璃陪片在所述第一氢氟酸溶液中的第一酸刻蚀速率，进行估算测试所述 第一预设厚度的第一预设时间；
[0059] 优选地，在所述慢速刻蚀过程中，在所述第二氢氟酸溶液中放入第二玻璃陪片，通 过计算所述第二玻璃陪片在所述第二氢氟酸溶液中的第二酸刻蚀速率，进行估算测试所述 第二预设厚度的第二预设时间。
[0060] 具体地，所述第一预设时间为180?300min ;所述第二预设时间为30?50min。
[0061] 从而，能够大大缩短所述石英摆片挠性梁加工时所需要消耗的工时。
[0062] 优选地，所述第一预设厚度为40?60 μ m。
[0063] 优选地，所述第二预设厚度为24?28 μ m。
[0064] 优选地，通过光纤光谱测厚装置或千分尺，测量所述石英摆片挠性梁的第一预设 厚度和第二预设厚度。
[0065] 优选地，通过氟硅橡胶掩膜将所述石英摆片挠性梁装模，形成工装好的石英摆片 挠性梁。
[0066] 所述氟硅橡胶掩膜和与所述石英摆片挠性梁的工装结构（参见图2)，所述氟硅橡 胶掩膜2紧贴在所述石英摆片挠性梁1表面，仅在所述石英摆片挠性梁1处镂空，使其暴露 在所述第一氢氟酸溶液和所述第二氢氟酸溶液中发生化学反应，从而减薄厚度。
[0067] 优选地，先用特制的酸蚀模具和氟硅橡胶掩膜将石英摆片挠性梁装模。为保证所 述石英摆片挠性梁尺寸精度和表面质量，装模过程中需保证所述酸蚀模具、氟硅橡胶掩膜、 所述石英摆片挠性梁三者的定位精度和所述石英摆片挠性梁表面的洁净度。
[0068] 优选地，将第一预设厚度的石英摆片挠性梁放入第二氢氟酸溶液中时，使用去离 子水冲洗残留酸液，并用无尘布吸干石英摆片挠性梁表面水分。从而能够避免从所述第一 氢氟酸溶液中取出的石英摆片挠性梁，由于表面残留的第一氢氟酸溶液，而影响所述第二 氢氟酸溶液的浓度。
[0069] 优选地，在所述快速刻蚀过程中，在所述第一氢氟酸溶液中放入第一玻璃陪片，通 过计算所述第一玻璃陪片在所述第一氢氟酸溶液中的第一酸刻蚀速率，进行估算测试所述 第一预设厚度的时间；
[0070] 优选地，在所述慢速刻蚀过程中，在所述第二氢氟酸溶液中放入第二玻璃陪片，通 过计算所述第二玻璃陪片在所述第二氢氟酸溶液中的第二酸刻蚀速率，进行估算测试所述 第二预设厚度的时间。
[0071] 优选地，在进行快速刻蚀时，所述石英摆片挠性梁竖直放置在所述第一氢氟酸溶 液中。
[0072] 优选地，在进行慢速刻蚀时，所述石英摆片挠性梁竖直放置在所述第二氢氟酸溶 液中，从而保证挠性梁两侧反应产物均匀扩散。
[0073] 具体的工作步骤包括：将工装好的石英摆片挠性梁和第一玻璃陪片放入所述第 一氢氟酸溶液中，在所述第一温度条件下进行快速刻蚀，刻蚀1小时后，将第一玻璃陪片取 出，测量所述第一玻璃陪片的厚度，以此计算快速刻蚀速率Vl ;根据Vl估算所述石英摆片 挠性梁减薄至40?60 μm的快速刻蚀时间tl，当快速刻蚀时间tl达到后，将其从第一氢 氟酸溶液中取出，用去离子水冲洗干净，并用无尘布吸干所述石英摆片挠性梁表面水分；测 量所述石英摆片挠性梁的厚度，如测量结果大于60 μ m则放回所述第一氢氟酸溶液中继续 酸蚀；若测量结果在40?60 μ m范围内，则进行慢速刻蚀。在慢速刻蚀时，将快速刻蚀后的 到达第一预设厚度的所述石英摆片挠性梁和第二玻璃陪片放入第二氢氟酸溶液中，在第二 温度条件下，进行反应。刻蚀10分钟后，取出所述第二玻璃陪片，测量所述第二玻璃陪片厚 度，以此计算慢速刻蚀速率v2 ;根据v2估算所述石英摆片挠性梁减薄至24?28 μ m的刻 蚀时间t2,当到达第二步刻蚀时间t2后，将所述石英摆片挠性梁从所述第二氢氟酸溶液中 取出，用去离子水冲洗干净，并用无尘布吸干石英摆片挠性梁表面水分，测量所述石英摆片 挠性梁的厚度，如测量结果大于28 μ m则放回第二氢氟酸溶液中继续酸蚀；若测量结果在 24?28um范围内，则慢速刻蚀完成。将所述石英摆片挠性梁从所述酸蚀模具和所述橡胶掩 膜中拆卸出来，并清洗干净储存。
[0074] 所述刻蚀速率（vl和v2)是指单位时间内石英摆片挠性梁双面厚度的去除量，单 位为 ym/min〇
[0075] 通过本发明所提供的一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，不仅能够大大缩短 所述石英摆片挠性梁加工时所需要消耗的工时，并且能够精确控制所述石英摆片挠性梁的 厚度，减少所述石英摆片挠性梁加工中次品率，不同批次加工的摆片厚度重复性高。另一方 面，能够减少所述氟硅橡胶掩膜边缘渗酸使玻璃边缘出现毛刺的现象，以及能够减少酸溶 胶质粘附在所述石英摆片挠性梁表面引起酸蚀不均的现象，从而能够使酸刻蚀完成的所述 石英摆片挠性梁厚度均匀、边缘缺陷减少。
[0076] 本发明用来测量所述石英摆片挠性梁的厚度的方法，可以用光纤进行测量，也可 以用千分尺进行测量。
[0077] 下面以厚度为720 μπι的石英摆片挠性梁，进行进一步说明。将工装好的厚度为 720 μ m的石英摆片挠性梁，按照上述工艺流程进行反应，具体反应条件为：
[0078]
【权利要求】
1. 一种酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步：将工装好的石英摆片挠性梁放入第一氢氟酸溶液中，在第一温度条件下，进行 快速刻蚀，直至所述石英摆片挠性梁达到第一预设厚度； 第二步：将所述第一预设厚度的石英摆片挠性梁放入第二氢氟酸溶液中，在第二温度 条件下，进行慢速刻蚀，直至所述石英摆片挠性梁达到第二预设厚度； 其中：所述第一氢氟酸溶液的浓度大于所述第二氢氟酸溶液的浓度，所述第一氢氟酸 溶液的浓度小于22mol/L ; 所述第一温度高于所述第二温度。
2. 根据权利要求1所述的酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，其特征在于， 所述第一氢氟酸溶液的浓度的18?22mol/L ; 所述第二氢氟酸溶液的浓度为10?15mol/L。
3. 根据权利要求1所述的酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，其特征在于， 所述第一温度为50?70 °C ; 所述第二温度为20?30°C。
4. 根据权利要求1所述的酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，其特征在于， 在所述快速刻蚀过程中，在所述第一氢氟酸溶液中放入第一玻璃陪片，通过计算所述 第一玻璃陪片在所述第一氢氟酸溶液中的第一酸刻蚀速率，进行估算测试所述第一预设厚 度的第一预设时间； 在所述慢速刻蚀过程中，在所述第二氢氟酸溶液中放入第二玻璃陪片，通过计算所述 第二玻璃陪片在所述第二氢氟酸溶液中的第二酸刻蚀速率，进行估算测试所述第二预设厚 度的第二预设时间。
5. 根据权利要求4所述的酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，其特征在于， 所述第一预设时间为180?300min ; 所述第二预设时间为30?50min。
6. 根据权利要求1所述的酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，其特征在于， 通过光纤光谱测厚装置，测量所述石英摆片挠性梁的第一预设厚度和第二预设厚度； 所述光纤光谱测厚装置包括光纤光谱仪、光源、模具固定底座和光纤测量探头，所述光 纤光谱仪和光源分别经光纤与所述光纤测量探头连接，所述模具固定底座用于固定所述石 英摆片绕性梁，所述光纤测量探头垂直设置在固定在所述模具固定底座上的所述石英摆片 绕性梁的一侧。
7. 根据权利要求1所述的酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，其特征在于， 所述第一预设厚度为40?60 y m ; 所述第二预设厚度为24?28 ym。
8. 根据权利要求1所述的酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，其特征在于， 通过氟硅橡胶掩膜将所述石英摆片挠性梁装模，形成工装好的石英摆片挠性梁。
9. 根据权利要求1所述的酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，其特征在于， 将第一预设厚度的石英摆片挠性梁放入第二氢氟酸溶液中时，使用去离子水冲洗残留 酸液，并用无尘布吸干石英摆片挠性梁表面水分。
10. 根据权利要求1所述的酸刻蚀石英摆片挠性梁的成形方法，其特征在于， 在进行快速刻蚀时，所述石英摆片挠性梁竖直放置在所述第一氢氟酸溶液中； 在进行慢速刻蚀时，所述石英摆片挠性梁竖直放置在所述第二氢氟酸溶液中。
【文档编号】C03C15/00GK104478224SQ201410689983
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】杜秀蓉, 宋学富, 孙元成, 王慧, 张晓强, 王玉芬 申请人:中国建筑材料科学研究总院