專利名稱：超小型加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加速度計(jì)，特別涉及一種超小型加速度計(jì)。
背景技術(shù)：
加速度計(jì)有廣泛的應(yīng)用，如汽車安全氣囊和汽車懸掛系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器保護(hù)，LCD投影儀，炸彈和導(dǎo)彈的精確爆震系統(tǒng)以及機(jī)械振動(dòng)監(jiān)視器。很多機(jī)械電子裝置可用來測量加速度，如壓阻和電容加速度計(jì)。
目前多數(shù)商用加速度計(jì)實(shí)際上是二維的，也就是說它們只能測量傳感器芯片X-Y平面內(nèi)的加速度。這是由于CMOS工藝結(jié)構(gòu)的二維限制，為了批量生產(chǎn)，大多數(shù)商用加速計(jì)采用和CMOS工藝兼容的微機(jī)械工藝加工。然而，許多應(yīng)用中需要三維加速計(jì)，如導(dǎo)航、硬盤驅(qū)動(dòng)器保護(hù)、手機(jī)、軍用產(chǎn)品、車輛控制等。消費(fèi)者已經(jīng)使用PCB外圍板子來達(dá)到這個(gè)目的，然而它增加了通常對(duì)成本很敏感的產(chǎn)品的費(fèi)用。目前用到的加速度計(jì)的尺寸范圍是5mm×5mm×1.8mm(美國Kionix公司)。所有的商用加速度計(jì)都是通過仍有較大尺寸的塑料封裝(美國Motorola公司，美國Kionix公司)、陶瓷封裝和雙面扁平塑料來封裝的。對(duì)于消費(fèi)品的應(yīng)用，急需開發(fā)高度和橫向尺寸約為1mm或更小外形的加速度計(jì)，因?yàn)橥庑纬叽纭⒐牡南拗坪偷统杀臼顷P(guān)鍵的要求。人們需要一種比目前使用的加速度計(jì)有更小尺寸和更低成本的高靈敏度產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)已有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種超小型加速度計(jì)。
超小型加速度計(jì)，主要包括硅襯底、加熱器，熱氣泡，熱電堆和底部空腔，其特征在于所述硅襯底上設(shè)有多晶硅制成的電阻加熱器，和排列在兩正交方向上并全部懸浮在鋁制金屬橋的空腔上面的熱電堆，通過CMOS工藝淀積，每個(gè)熱電堆有一個(gè)熱接點(diǎn)和冷接點(diǎn)，采用塞貝克效應(yīng)將溫差轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，X和Y軸上的加速度信號(hào)從每個(gè)熱電堆的差動(dòng)電壓中獲取，差動(dòng)電壓與沿著熱電堆-加熱器-熱電堆軸向的加速度成比例，由梁分布檢驗(yàn)塊和壓敏電阻組成一個(gè)Z軸加速度計(jì)信號(hào)輸出或從熱電堆的共模電壓中提取Z軸加速度計(jì)信號(hào)，通過引線鍵合或倒裝芯片的形式組裝。熱氣泡可以是二氧化碳CO2或六氟化硫SF6，熱氣泡采用氣密性封裝?？涨煌ㄟ^深度反應(yīng)離子DRIE刻蝕，空腔提供了熱氣泡自然對(duì)流的空間和梁的振動(dòng)空間，玻璃封帽圓片用KOH溶液刻蝕以在芯片中心形成兩個(gè)空腔，空腔也作為氣體對(duì)流和梁振動(dòng)的空間，底部凸點(diǎn)金屬化UBM和焊料凸點(diǎn)電鍍在封帽圓片上以便倒裝芯片鍵合。氣密性封裝通過用玻璃粉作中間層的玻璃封帽圓片進(jìn)行圓片級(jí)封裝，底座圓片用懸浮在空腔上的熱電堆制作，熱電堆常用作檢測Z軸差動(dòng)負(fù)信號(hào)，圓片也在KOH溶液中刻蝕，在引線鍵合的方式下，用玻璃粉作中間層進(jìn)行圓片級(jí)封裝，封帽圓片將傳感器圓片氣密性的封裝起來，電信號(hào)從傳感器圓片上引出。封帽圓片的通孔提供了傳感器圓片和封帽圓片之間的信號(hào)連接，通孔上濺射鋁Al。在三維封裝的方式下，由四個(gè)圓片堆疊在一起，封帽圓片和封底圓片是玻璃，其余的兩個(gè)是硅圓片，封帽圓片用懸浮在空腔上的熱電堆制作，熱電堆用作檢測Z軸差動(dòng)正信號(hào)，圓片在KOH溶液中刻蝕。
本發(fā)明的超小型加速度計(jì)根據(jù)不同的使用要求來選擇種類，包括潛在的成本最低的二維加速度計(jì)，其末級(jí)輸出通過引線鍵合和倒裝芯片連接的垂直微孔連接方式，和有混合熱對(duì)流/壓阻效應(yīng)及外加四層圓片鍵合工藝的純熱對(duì)流的三維加速度計(jì)。此外，微弱的傳感器信號(hào)放大到足夠大以便于用戶使用。整個(gè)工藝是與CMOS兼容的，這使它適合于批量生產(chǎn)。高密度氣體如六氟化硫SF6用來實(shí)現(xiàn)高靈敏度。芯片在圓片級(jí)鍵合，降低了微機(jī)械電子系統(tǒng)MEMS封裝成本并增加了可靠性。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用CMOS兼容工藝的微制造技術(shù)及玻璃料或陽極鍵合進(jìn)行圓片級(jí)封裝，加速度計(jì)具有超小型外形、三維或二維加速度信號(hào)輸出，制造成本低，靈敏度高。


圖1a本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1b本發(fā)明的結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖1c本發(fā)明的結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖2a本發(fā)明的熱對(duì)流Z軸信號(hào)讀取電路原理圖；圖2b本發(fā)明的熱對(duì)流Y軸信號(hào)讀取電路原理圖；圖2c本發(fā)明的Z軸壓阻信號(hào)讀取電路原理圖；圖3本發(fā)明的顯示熱電偶或溫度傳感器的最優(yōu)位置的圖表；圖4a本發(fā)明的兩層圓片級(jí)封裝的倒裝芯片形式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4b本發(fā)明的兩層圓片級(jí)封裝的引線鍵合形式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5本發(fā)明的四層圓片級(jí)封裝的三維封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖6a本發(fā)明的四層圓片級(jí)封裝中的第一層圓片結(jié)構(gòu)示意圖；圖6b本發(fā)明的四層圓片級(jí)封裝中的第二層圓片結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6c本發(fā)明的四層圓片級(jí)封裝中的第三層圓片結(jié)構(gòu)示意圖；圖6d本發(fā)明的四層圓片級(jí)封裝中的第四層圓片結(jié)構(gòu)示意圖。
12熱電堆、15壓敏電阻、18熱電堆、21輸入電阻、22反饋電阻、23運(yùn)算放大器、24電壓終端、40傳感器圓片、41玻璃料、42封蓋圓片、43鋁、44底部凸點(diǎn)金屬化UBM、45焊料凸點(diǎn)、46熱電堆、47加熱器、48通孔、49鋁焊盤、100硅襯底、101鋁制金屬橋、102熱電堆、103熱電堆、104加熱器、105熱電堆、106熱電堆、107空腔、107a空腔、107b空腔、108壓敏電阻、109梁、110質(zhì)量塊、111光刻膠、114保護(hù)層SiO2、118保護(hù)層SiO2、119、420封帽圓片、421傳感器圓片、422暴露的焊盤、500封帽圓片、501中間圓片、502主圓片、503底座圓片、504加熱器、505熱電堆、506熱電堆、507通孔、508熱電堆、509鋁焊盤、510焊盤、512熱電堆、513鋁焊盤、514鋁焊盤、520空腔、521空腔、523熱電堆、524熱電堆、525運(yùn)算放大器、526通孔、527通孔、528空腔。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明
具體實(shí)施例方式參見圖1a，加速度計(jì)形成在硅襯底100上，在加熱器104和熱電堆102，103，105，106下面的硅襯底上形成空腔107。排列在兩正交方向上的熱電堆每個(gè)組成距離大約為X/D＝0.2的一對(duì)，以達(dá)到更大的靈敏度。加熱器104是用四個(gè)排列在小正方形上的多晶硅制成的電阻來實(shí)現(xiàn)的。加熱器104和兩對(duì)熱電堆全部懸浮在有四個(gè)鋁制金屬橋101的空腔107上面。流過加熱器104的電流經(jīng)四橋連接到外部電源，于是加熱器周圍的氣體溫度增加，溫度梯度確定下來?！癟型”分布質(zhì)量塊110在另一個(gè)空腔上面，用梁109和壓敏電阻108組成一個(gè)Z軸加速度計(jì)。當(dāng)傳感器上有Z軸加速度時(shí)，梁將沿軸向彎曲，這將導(dǎo)致壓敏電阻15的電阻差。然后從壓敏電阻提取Z軸加速度信號(hào)。梁邊緣45度角方向和中心位置增大了剪應(yīng)力的靈敏度，剪應(yīng)力通過變換器增大壓阻系數(shù)來檢測。
參見圖1b，圖1b是CMOS工藝后的橫截面。發(fā)展CMOS兼容工藝可降低制造成本。CMOS工藝完成后，對(duì)襯底100進(jìn)行體微加工?？涨?07a和空腔107b提供了熱氣泡自然對(duì)流和梁振動(dòng)的空間?？涨辉酱螅`敏度越高。同時(shí)也將增加芯片尺寸和每個(gè)器件的成本?？涨?07a和空腔107b用深度反應(yīng)離子刻蝕DRIE進(jìn)行刻蝕，如SCREAM，即單晶硅反應(yīng)刻蝕及金屬化。光刻膠111涂在芯片上除空腔區(qū)域外的其它地方。由于信號(hào)調(diào)節(jié)電路102已在同一塊芯片的CMOS工藝中制作完成，因此它也被涂上光刻膠。熱電堆102和103制作在保護(hù)層SiO2114上。
參見圖1c，圖1c是MEMS工藝后的橫截面。DRIE工藝之后，通過氧等離子體去除光刻膠。優(yōu)化梁109的厚度。在傳感器靈敏度和刻蝕工藝之間權(quán)衡。傳感器參數(shù)的最優(yōu)化對(duì)其性能是非常重要的。在密封腔中的熱氣泡是SF6或CO2。傳感器靈敏度與氣體對(duì)流強(qiáng)度成比例。自然對(duì)流強(qiáng)度用瑞利數(shù)表示，瑞利數(shù)是葛拉曉夫數(shù)和普朗特?cái)?shù)的乘積。因此，我們得到Ra=GrPr=cpρ2βaΔTL3μλ]]>這里Ra是瑞利數(shù)，Gr是葛拉曉夫f數(shù)，Pr是普朗特?cái)?shù)，Cp是氣體的比熱，ρ是密度，β是體積膨脹系數(shù)，α是熱擴(kuò)散系數(shù)，ΔT是熱電堆間的溫差，L是空腔長度，μ是動(dòng)態(tài)粘度，λ是熱傳導(dǎo)系數(shù)。
獲得較大Ra值的一個(gè)簡單方法是廣泛使用應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中的較重的氣體SF6，它是無毒的。因此，為達(dá)到更大的靈敏度，這里用作熱氣泡的氣體可以是CO2或SF6。
由于兩對(duì)熱電堆到加熱器有相等的距離且無加速度產(chǎn)生，熱電堆18和20之間的溫差是零。以Y軸為例，當(dāng)有加速度產(chǎn)生時(shí)，對(duì)流的變化導(dǎo)致了在加熱器13側(cè)面之間的每一對(duì)熱電堆的溫度差，隨后溫度梯度改變。由Y軸加速度產(chǎn)生的溫差與實(shí)際的加速度成比例，按照我們的研究，當(dāng)葛拉曉夫數(shù)在10-2至103范圍之間時(shí)對(duì)流加速度計(jì)能夠達(dá)到很好的線性度。X軸與Y軸的原理相同。此外我們也能用本結(jié)構(gòu)得到Z軸的加速度。
由于CMOS結(jié)構(gòu)的二維限制，目前熱加速度計(jì)僅能提供X和Y方向的測量。盡管如此，等溫線并非垂直Z軸對(duì)稱的。每個(gè)熱電堆有一個(gè)熱接點(diǎn)和冷接點(diǎn)，熱接點(diǎn)比冷接點(diǎn)更接近于加熱器。熱接點(diǎn)頂點(diǎn)的熱梯度表現(xiàn)了垂直的部分，它的振幅依賴于在垂直方向上熱量的不對(duì)稱性和熱接點(diǎn)的位置。發(fā)明者用熱電偶的共模電壓來提取Z軸的加速度信號(hào)，如圖2所示。
參見圖2a，圖2a顯示了Z軸熱量信號(hào)讀取電路。共模信號(hào)常用來提取Z軸信號(hào)。因此芯片平面熱電堆的輸出量被輸入到運(yùn)算放大器23中。運(yùn)算放大器有一個(gè)輸入電阻21和一個(gè)反饋電阻22。這兩個(gè)電阻值決定了放大器的增益。實(shí)際上，電阻值可被激光修正以優(yōu)化信號(hào)調(diào)節(jié)。
參見圖2b，圖2b顯示了Y軸信號(hào)讀取電路。Y軸熱電堆12和18的冷接點(diǎn)連接到電路地，差動(dòng)信號(hào)連接到運(yùn)算放大器。放大電路與圖2a相同。X軸信號(hào)類似于圖2b，不同的是Y軸熱電堆變成X軸熱電堆。但是Z軸信號(hào)的靈敏度小于X和Y軸的靈敏度。這可以通過放大電路來補(bǔ)償。
Z軸信號(hào)的另一個(gè)體現(xiàn)如圖2c所示。壓敏電阻15在45度角的方向上和位于梁邊緣的中心增大了剪應(yīng)力的靈敏度，剪應(yīng)力通過變換器增大壓阻系數(shù)來檢測。單個(gè)壓敏電阻常用來檢測當(dāng)芯片上產(chǎn)生z軸加速度時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)變，這將導(dǎo)致在連接到壓敏電阻的電壓終端24上產(chǎn)生差動(dòng)電壓。差動(dòng)信號(hào)用類似圖2a所示的電路放大。
參見圖3，圖3是不同熱電堆距離時(shí)Z軸熱量信號(hào)的傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，此處X是從熱接點(diǎn)到加熱器的距離，D是空腔的尺寸。靈敏度對(duì)用戶使用加速度計(jì)非常重要。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，當(dāng)X/D＝0.2時(shí)，可以得到最大的靈敏度。
參見圖4a，圖4a是倒裝芯片連接到外部板封裝的加速度計(jì)的橫截面視圖。圓片級(jí)封裝能減少器件的尺寸和成本。這里三軸加速度計(jì)在圓片級(jí)封裝。傳感器圓片40和封蓋圓片42通過玻璃料41配對(duì)在一起。封蓋圓片42是玻璃，如Pyrex 7740。玻璃片通過KOH刻蝕形成作為空氣對(duì)流的圓形空腔。47是熱量加速度計(jì)的加熱器，熱電堆46用來測量溫差。為了給氣泡提供足夠的空間，傳感器圓片也由DRIE刻蝕出大約300um的深度。這里使用的玻璃料的熱膨脹系數(shù)與硅的熱膨脹系數(shù)相近，因此芯片和封裝之間沒有大的熱膨脹失配問題。熱量加速度計(jì)是在芯片級(jí)、成本低而有高的可靠性，這樣加速度計(jì)中引入的應(yīng)力很小。玻璃料41用絲網(wǎng)印刷涂在傳感器圓片上，厚度大約為25um，比傳感器圓片上的鋁焊盤49要高一些。然后二個(gè)圓片在400C溫度下鍵合在一起。電信號(hào)從玻璃封帽圓片上由鋁43濺射形成的通孔傳出來。通孔的蝕刻過程在KOH溶液中完成。底部凸點(diǎn)金屬化(UBM)44由Ti-W和Cu組成。UBM和焊料凸點(diǎn)45通過電鍍制作。圓片級(jí)封裝之后，加速度計(jì)能用倒裝芯片鍵合安裝在印刷電路板上以減少成本和芯片尺寸。
參見圖4b，圖4b是引線鍵合封裝的加速度計(jì)橫截面視圖。封帽圓片420和傳感器圓片421也通過玻璃料鍵合在一起。然而，電信號(hào)不能經(jīng)過封帽圓片傳出，暴露的焊盤422制作在傳感器圓片上以便引線鍵合。封裝形式能消除封帽圓片上的通孔，也可能生產(chǎn)成本更低的二維加速度計(jì)。
參見圖5，圖5是三維加速度計(jì)。這種加速度計(jì)也在圓片級(jí)封裝以同時(shí)減少尺寸和成本。它由四層圓片堆疊一起而成。封帽圓片500是有一個(gè)熱電堆505的硅或玻璃片。底座圓片503也像封帽圓片500一樣進(jìn)行體刻蝕。當(dāng)傳感器上有Z軸(垂直于芯片平面)加速度時(shí)，封帽圓片和底座圓片上的熱電堆將產(chǎn)生一個(gè)差壓信號(hào)。主硅圓片502通過CMOS兼容工藝制造。熱電堆和加熱器的CMOST藝之后，圓片通過DRIE前刻蝕。作為空氣對(duì)流的空腔在密閉室中刻蝕。干法刻蝕出中間圓片501上的通孔作為封帽圓片500上的鋁焊盤513和主圓片502上的鋁焊盤514之間的信號(hào)互連。電信號(hào)經(jīng)過中間圓片502上的通孔，它由鋁507濺射制作。玻璃料529用絲網(wǎng)印刷涂在圓片上，厚度大約為25um，比傳感器圓片上的鋁焊盤49要高一些。然后四層圓片在400C溫度下同時(shí)密封鍵合在一起。最后，信號(hào)連接到暴露的鋁焊盤509上作為下一級(jí)封裝。頂部玻璃和底部玻璃陽極鍵合到附近的硅。其它的方法如感應(yīng)加熱，激光鍵合，微熱感應(yīng)鍵合，等離子反應(yīng)低溫鍵合，它們發(fā)展成熟以后也將用于這些圓片。
參見圖6，圖6顯示了四層圓片的布局圖。熱電堆505懸浮在通過DRIE刻蝕的空腔520上面。Z軸差動(dòng)正信號(hào)經(jīng)過鋁焊盤513傳到下級(jí)圓片501，這個(gè)圓片是完全刻蝕的。主硅圓片503也是完全刻蝕的。圓片上的鋁焊盤509包括作為電源的VDD，GND引腳；SCK，DI引腳用來調(diào)整或測試器件；X，Y，Z墊是三軸加速度信號(hào)的輸出點(diǎn)。熱電堆508和512的X軸的差動(dòng)信號(hào)由運(yùn)算放大器525放大。Y軸信號(hào)來自熱電堆523和524。通孔526和527分別代表Z軸差動(dòng)正信號(hào)和Z軸差動(dòng)負(fù)信號(hào)，同樣差動(dòng)信號(hào)也被放大。底座圓片503與封帽圓片500相似，Z軸差動(dòng)負(fù)信號(hào)焊盤510經(jīng)過通孔527傳到主圓片503。
權(quán)利要求
1.一種超小型加速度計(jì)，主要包括硅襯底、加熱器，熱氣泡，熱電堆和底部空腔，其特征在于所述硅襯底上設(shè)有多晶硅制成的電阻加熱器，和排列在兩正交方向上并全部懸浮在鋁制金屬橋的空腔上面的熱電堆，通過CMOS工藝淀積，每個(gè)熱電堆有一個(gè)熱接點(diǎn)和冷接點(diǎn)，采用塞貝克效應(yīng)將溫差轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，X和Y軸上的加速度信號(hào)從每個(gè)熱電堆的差動(dòng)電壓中獲取，差動(dòng)電壓與沿著熱電堆—加熱器—熱電堆軸向的加速度成比例，由梁分布檢驗(yàn)塊和壓敏電阻組成一個(gè)Z軸加速度計(jì)信號(hào)輸出或從熱電堆的共模電壓中提取Z軸加速度計(jì)信號(hào)，通過引線鍵合或倒裝芯片的形式組裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超小型加速度計(jì)，其特征在于所述熱氣泡可以是二氧化碳CO2或六氟化硫SF6，熱氣泡采用氣密性封裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超小型加速度計(jì)，其特征在于所述空腔通過深度反應(yīng)離子DRIE刻蝕，空腔提供了熱氣泡自然對(duì)流的空間和梁的振動(dòng)空間，玻璃封帽圓片用KOH溶液刻蝕以在芯片中心形成兩個(gè)空腔，空腔也作為氣體對(duì)流和梁振動(dòng)的空間，底部凸點(diǎn)金屬化UBM和焊料凸點(diǎn)電鍍在封帽圓片上以便倒裝芯片鍵合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超小型加速度計(jì)，其特征在于所述氣密性封裝通過用玻璃粉作中間層的玻璃封帽圓片進(jìn)行圓片級(jí)封裝，底座圓片用懸浮在空腔上的熱電堆制作，熱電堆常用作檢測Z軸差動(dòng)負(fù)信號(hào)，圓片也在KOH溶液中刻蝕，在引線鍵合的方式下，用玻璃粉作中間層進(jìn)行圓片級(jí)封裝，封帽圓片將傳感器圓片氣密性的封裝起來，電信號(hào)從傳感器圓片上引出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超小型加速度計(jì)，其特征在于所述封帽圓片的通孔提供了傳感器圓片和封帽圓片之間的信號(hào)連接，通孔上濺射鋁Al。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超小型加速度計(jì)，其特征在于所述在三維封裝的方式下，由四個(gè)圓片堆疊在一起，封帽圓片和封底圓片是玻璃，其余的兩個(gè)是硅圓片，封帽圓片用懸浮在空腔上的熱電堆制作，熱電堆用作檢測Z軸差動(dòng)正信號(hào)，圓片在KOH溶液中刻蝕。
全文摘要
一種超小型加速度計(jì)，主要包括一個(gè)加熱器，一個(gè)熱氣泡，熱電堆和底部空腔，其特征在于所述在硅襯底上設(shè)有加熱器，和熱電堆，采用塞貝克效應(yīng)將溫差轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，加速度信號(hào)從每個(gè)熱電堆的差動(dòng)電壓中獲取，由梁分布檢驗(yàn)塊和壓敏電阻組成一個(gè)Z軸加速度計(jì)信號(hào)輸出，通過引線鍵合的形式組裝。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用CMOS兼容工藝的微制造技術(shù)及玻璃料或陽極鍵合進(jìn)行圓片級(jí)封裝，加速度計(jì)具有超小型外形、三維或二維加速度信號(hào)輸出，制造成本低，靈敏度高。
文檔編號(hào)G01P15/00GK1866031SQ20051002603
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者劉勝, 陳斌, 侯斌 申請(qǐng)人:上海飛恩微電子有限公司