MEMS（Micro Electro mechanical System）即微機電系統(tǒng)，是指采用微機電加工技術(shù)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(zhí)行組件等而形成的一個獨立智能系統(tǒng)。由于單晶石英材料具有壓電效應，且具有優(yōu)良的溫度、機械性能、高品質(zhì)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(wěn)定性、高分辨率等特點，在微型慣性導航系統(tǒng)、姿態(tài)測量與控制、航空航天、汽車電子、儀器儀表等領(lǐng)域具有廣泛應用，其加工工藝和設(shè)備制造技術(shù)研究對促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持具有十分重要的意義。

　　1 石英 MEMS 傳感器敏感芯片結(jié)構(gòu)

　　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(shù)（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(jié)構(gòu)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(shù)與微機械加工技術(shù)的有機結(jié)合。石英微機械振動陀螺是一種音叉結(jié)構(gòu)的哥氏振動陀螺，是一種 MEMS 角速度傳感器。其敏感芯片結(jié)構(gòu)為雙端音叉結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動音叉、讀出音叉及支撐結(jié)構(gòu)。石英微機械振動陀螺工作原理及敏感芯片結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。驅(qū)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(zhuǎn)時，驅(qū)動音叉受到哥氏力（Coriolis）的作用產(chǎn)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(qū)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(jīng)過讀出電路解調(diào)得到一個正比于輸入角速度的直流電壓輸出。敏感芯片結(jié)構(gòu)是以石英晶體為基體材料的一體式音叉結(jié)構(gòu)，有雙端音叉、單端音叉等結(jié)構(gòu)形式。雙端音叉結(jié)構(gòu)將驅(qū)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(jié)構(gòu)驅(qū)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。