一種低應(yīng)力加速度計的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機械電子技術(shù)領(lǐng)域,具體是一種低應(yīng)力加速度計。
【背景技術(shù)】
[0002]微機電系統(tǒng)的發(fā)展,極大地推動了傳感器技術(shù)的進(jìn)步,實現(xiàn)了加速度傳感器的微型化?,F(xiàn)有電容式、壓電式、壓阻式、熱對流、隧道電流式和諧振式等多種形式。利用微機械加工工藝制作的電容式加速度計在測量精度、溫度特性、利用靜電力進(jìn)行閉環(huán)測量和自檢及易與電子線路集成等方面具有獨特的優(yōu)點,可廣泛應(yīng)用于航空航天、石油勘探、地震監(jiān)測、醫(yī)療儀器等諸多領(lǐng)域,具有廣闊的市場應(yīng)用景。
[0003]電容式MEMS加速度計的微結(jié)構(gòu)通常包含敏感結(jié)構(gòu)以及電極結(jié)構(gòu)。通過敏感結(jié)構(gòu)輸入加速度引起的慣性力,MEMS加速度計將加速度信號轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號。作為一種力敏感器件,環(huán)境溫度變化造成熱應(yīng)力會導(dǎo)致敏感結(jié)構(gòu)或固定電極的形變,從而引起加速度計零位輸出漂移,傳感器全溫性能下降,降低了傳感器的綜合精度。
[0004]目前,一種相關(guān)技術(shù)方案通過減少管殼底部與芯片的接觸面積來減少環(huán)境溫度變化引起的芯片熱應(yīng)力,上述技術(shù)方案為封裝的改善方法,需要增加模具制造費用,且管殼底部與芯片接觸面積在工藝加工過程中的一致性及可靠性較差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有Z軸向電容式MEMS加速度計由于溫度變化引起的熱應(yīng)力對器件性能的影響問題,提供一種可以降低熱應(yīng)力對器件影響的加速度計,采用MEMS體硅工藝,加工工藝簡單,產(chǎn)品的可靠性、一致性好,可以實現(xiàn)批量制造。
[0006]為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種低應(yīng)力加速度計,其特征在于包括:
a.襯底,襯底中部設(shè)有淺腔以及襯底錨點;
b.與襯底鍵合的電極結(jié)構(gòu)層,電極結(jié)構(gòu)層中部設(shè)有與淺腔對應(yīng)的第一窗口,第一窗口中部設(shè)有中心錨點,它用懸臂梁連接于電極結(jié)構(gòu)層上,中心錨點與襯底錨點對應(yīng)鍵合連接;
第一窗口中心錨點的兩側(cè)對稱設(shè)有至少一個懸浮電極,懸浮電極與下面的淺腔對應(yīng)配合,懸浮電極的上表面低于電極結(jié)構(gòu)層上表面一段距離,該距離即為懸浮電極向上活動間隙,懸浮電極兩側(cè)分別設(shè)有折疊固支梁與電極結(jié)構(gòu)層連接;
c.與電極結(jié)構(gòu)層鍵合的可動結(jié)構(gòu)層,可動結(jié)構(gòu)層中部設(shè)有與第一窗口相應(yīng)的第二窗口,第二窗口中設(shè)有可動結(jié)構(gòu),可動結(jié)構(gòu)與下面的懸浮電極形成活動間隙,可動結(jié)構(gòu)中部設(shè)有上層錨點,上層錨點與下面的中心錨點對應(yīng)鍵合連接;
可動結(jié)構(gòu)層一側(cè)設(shè)有一組pad點,每個pad點分別設(shè)有電極引線,中間的電極引線與下面電極結(jié)構(gòu)層中的懸臂梁對應(yīng)鍵合連接,兩側(cè)的電極引線分別與下面電極結(jié)構(gòu)層中的折疊固支梁對應(yīng)鍵合連接。
[0007]d.與可動結(jié)構(gòu)層鍵合的蓋帽。
[0008]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,可以有以下進(jìn)一步的技術(shù)方案:襯底中淺腔底面設(shè)有與懸浮電極對應(yīng)配合的抗過載防粘連的下凸點,懸浮電極上設(shè)有與可動結(jié)構(gòu)對應(yīng)配合的抗過載防粘連的上凸點。
[0009]本發(fā)明中的可動結(jié)構(gòu)即敏感質(zhì)量塊,為非對稱質(zhì)量塊,當(dāng)整體結(jié)構(gòu)受到Z軸向的加速度時,質(zhì)量塊會隨加速度擺動從而引起左右電容差動變化,通過固定電極輸出信號,從而檢測到Z軸向的加速度。
[0010]該低應(yīng)力電容式MEMS加速度計結(jié)構(gòu)采用單晶硅為主材料。該低應(yīng)力電容式MEMS加速度計從工藝制造上可分為三層:襯底層、結(jié)構(gòu)層和蓋帽層。敏感質(zhì)量塊、懸臂梁屬于結(jié)構(gòu)層;雙端固支的電極結(jié)構(gòu)與其下方整體硅形成襯底層;蓋帽層構(gòu)成碰撞頂面。
[0011]該低應(yīng)力電容式MEMS加速度計結(jié)構(gòu)的制造工藝為:首先刻蝕襯底層形成電極結(jié)構(gòu)活動淺腔,通過硅硅鍵合將電極結(jié)構(gòu)層與襯底層連接于一起;接著通過刻蝕形成敏感結(jié)構(gòu)活動淺腔以及雙端固支懸浮電極結(jié)構(gòu);隨后將敏感結(jié)構(gòu)層通過硅硅鍵合與電極結(jié)構(gòu)層鍵合于一起,利用光刻及刻蝕形成敏感結(jié)構(gòu);采用共晶鍵合完成結(jié)構(gòu)層和蓋帽層的圓片封裝;刻蝕蓋帽層正面,露出電極。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有的電容式MEMS加速度計結(jié)構(gòu)相比具有如下優(yōu)點:
(I)現(xiàn)有技術(shù)中由于外界應(yīng)力、溫度變化所帶來的襯底形變會傳遞到固定電極上,從而弓丨起固定電極的形變,使得兩邊電容不對稱,造成傳感器輸出漂移。本發(fā)明將以往的固定電極結(jié)構(gòu)改變?yōu)殡p端固支懸浮電極結(jié)構(gòu),該懸浮電極結(jié)構(gòu)使得加速度計在環(huán)境溫度變化時,熱應(yīng)力對電極結(jié)構(gòu)的影響大幅下降,使得電極結(jié)構(gòu)在全溫范圍內(nèi)幾乎無形變,從而保證了器件在全溫范圍內(nèi)左右兩邊電容的對稱性,提高了傳感器全溫性能。
[0013](2)本發(fā)明通過改變器件內(nèi)部電極結(jié)構(gòu),降低了熱應(yīng)力對電極結(jié)構(gòu)的影響,避免了更改外部管殼與芯片的封裝工藝,且由于利用SOI硅片作為電極結(jié)構(gòu)圓片,保證了固支懸浮電極結(jié)構(gòu)的一致性以及重復(fù)性;加工工藝比較簡單,全部利用公知的MEMS工藝技術(shù)加工,適合大批量生產(chǎn)。
[0014](3)本發(fā)明將支撐電極結(jié)構(gòu)的固支梁設(shè)計為折疊形式,該折疊形式的固支梁結(jié)構(gòu)可以增加熱傳導(dǎo)距離,進(jìn)一步降低熱應(yīng)力對電極結(jié)構(gòu)的影響。
【附圖說明】
[0015]圖1為為本發(fā)明低應(yīng)力電容式MEMS加速度計結(jié)構(gòu)剖面圖;
圖2為圖1的A-A剖視圖;
圖3為圖1的B-B剖視圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的說明。
[0017]低應(yīng)力電容式MEMS加速度計結(jié)構(gòu)
參照圖1、圖2、圖3,本發(fā)明的一種低應(yīng)力加速度計結(jié)構(gòu)共分4層,分別為襯底層13、電極結(jié)構(gòu)層1、可動結(jié)構(gòu)層15以及蓋帽14,上述襯底層、電極結(jié)構(gòu)層、可動結(jié)構(gòu)層及蓋帽均為娃材料制成。
[0018]以下分別進(jìn)行描述:
a.襯底13,襯底13中部設(shè)有淺腔2以及襯底錨點5,襯底13中淺腔2底面設(shè)有一組與懸浮電極4對應(yīng)配合的抗過載防粘連的下凸點12,襯底上面設(shè)有二氧化硅氧化層9 ;
b.與襯底13鍵合的電極結(jié)構(gòu)層1,電極結(jié)構(gòu)層I中部設(shè)有與淺腔2對應(yīng)的第一窗口la,第一窗口 Ia中部設(shè)有中心錨點16,它用懸臂梁17連接于電極結(jié)構(gòu)層I上,中心錨點16與襯底錨點5對應(yīng)鍵合連接;
第一窗口 Ia中心錨點16的兩側(cè)對稱設(shè)有至少一個懸浮電極4,懸浮電極4與下面的淺腔2對應(yīng)配合,懸浮電極4的上表面低于電極結(jié)構(gòu)層I上表面一段距離,該距離即為懸浮電極4向上活動間隙11,懸浮電極4兩側(cè)分別設(shè)有折疊固支梁7與電極結(jié)構(gòu)層I連接,懸浮電極4上設(shè)有與可動結(jié)構(gòu)10對應(yīng)配合的抗過載防粘連的上凸點8 ;
中心錨點16兩側(cè)對稱分布的懸浮電極可以是I個也可以是2個,甚至更多,附圖僅為示意圖,不對懸浮電極結(jié)構(gòu)做數(shù)量的限制;
c.與電極結(jié)構(gòu)層I鍵合的可動結(jié)構(gòu)層15)可動結(jié)構(gòu)層15中部設(shè)有與第一窗口Ia相應(yīng)的第二窗口 15a,第二窗口 15a中設(shè)有可動結(jié)構(gòu)10,即敏感質(zhì)量塊,可動結(jié)構(gòu)10與下面的懸浮電極4形成活動間隙11,可動結(jié)構(gòu)10中部設(shè)有兩個凹形開口,凹形開口之間形成上層錨點18,上層錨點18與下面的中心錨點16對應(yīng)鍵合連接;
可動結(jié)構(gòu)層15 —側(cè)設(shè)有一組pad點3,每個pad點3分別設(shè)有電極引線6,在可動結(jié)構(gòu)層15上制出與pad點3及電極引線6形狀相適的通槽20,通槽20圍成的區(qū)域即為pad點3及電極引線6;
結(jié)合圖2及圖3,中間的電極引線6與下面電極結(jié)構(gòu)層I中的懸臂梁17對應(yīng)鍵合連接,兩側(cè)的電極引線6分別與下面電極結(jié)構(gòu)層I中的折疊固支梁7對應(yīng)鍵合連接;
d.與可動結(jié)構(gòu)層15鍵合的蓋帽14,它是常規(guī)結(jié)構(gòu)。
[0019]以下結(jié)合附圖1描述本發(fā)明實施例的低應(yīng)力電容式MEMS加速度計的優(yōu)點。具體而言,當(dāng)環(huán)境溫度、封裝及傳感器安裝引起的應(yīng)力變化時,對于現(xiàn)有Z軸向電容式MEMS加速度計,上述引起的應(yīng)力會使得襯底13發(fā)生形變,由于電極結(jié)構(gòu)4直接與襯底13接觸,因此帶動電極結(jié)構(gòu)4同樣發(fā)生形變,從而導(dǎo)致加速度計左右電容不對稱,造成加速度計輸出漂移。而對于本發(fā)明實施例的具有懸浮電極的加速度計結(jié)構(gòu),當(dāng)上述所述的應(yīng)力導(dǎo)致襯底13發(fā)生形變時,由于電極結(jié)構(gòu)4雙端固支懸浮于襯底13之上,因此,襯底13在形變時不會導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)4發(fā)生形變,保證了加速度計左右電容的對稱性,從而使環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)力以及封裝、安裝產(chǎn)生的應(yīng)力僅反映到襯底13的變形上,降低了加速度計電極結(jié)構(gòu)4受環(huán)境應(yīng)力的影響,提高了加速度計的綜合精度及環(huán)境適應(yīng)性。
[0020]現(xiàn)有技術(shù)中利用下極板形成差分電容的Z軸向電容式MEMS加速度計可動結(jié)構(gòu)有多種形式,包括單錨點、多個錨點等。為了說明本發(fā)明的優(yōu)點,僅對其中的一種可動結(jié)構(gòu)畫出示意圖,但本發(fā)明中提出的雙端固支懸浮電極結(jié)構(gòu)對利用下極板形成差分電容的扭擺式Z軸向加速度計均適用。
【主權(quán)項】
1.一種低應(yīng)力加速度計,其特征在于包括: a.襯底(13),襯底(13)中部設(shè)有淺腔(2)以及襯底錨點(5); b.與襯底(13)鍵合的電極結(jié)構(gòu)層(I),電極結(jié)構(gòu)層(I)中部設(shè)有與淺腔(2)對應(yīng)的第一窗口( la),第一窗口( Ia)中部設(shè)有中心錨點(16),它用懸臂梁(17)連接于電極結(jié)構(gòu)層(I)上,中心錨點(16)與襯底錨點(5)對應(yīng)鍵合連接; 第一窗口(Ia)中心錨點(16)的兩側(cè)對稱設(shè)有至少一個懸浮電極(4),懸浮電極(4)與下面的淺腔(2)對應(yīng)配合,懸浮電極(4)的上表面低于電極結(jié)構(gòu)層(I)上表面一段距離,該距離即為懸浮電極(4)向上活動間隙(11),懸浮電極(4)兩側(cè)分別設(shè)有折疊固支梁(7)與電極結(jié)構(gòu)層(I)連接; c.與電極結(jié)構(gòu)層(I)鍵合的可動結(jié)構(gòu)層(15),可動結(jié)構(gòu)層(15)中部設(shè)有與第一窗口(Ia)相應(yīng)的第二窗口( 15a),第二窗口( 15a)中設(shè)有可動結(jié)構(gòu)(10),可動結(jié)構(gòu)(10)與下面的懸浮電極(4 )形成活動間隙(11),可動結(jié)構(gòu)(10 )中部設(shè)有上層錨點(18 ),上層錨點(18 )與下面的中心錨點(16)對應(yīng)鍵合連接; 可動結(jié)構(gòu)層(15) —側(cè)設(shè)有一組pad點(3),每個pad點(3)分別設(shè)有電極引線(6),中間的電極引線(6)與下面電極結(jié)構(gòu)層(I)中的懸臂梁(17)對應(yīng)鍵合連接,兩側(cè)的電極引線(6)分別與下面電極結(jié)構(gòu)層(I)中的折疊固支梁(7)對應(yīng)鍵合連接; d.與可動結(jié)構(gòu)層(15)鍵合的蓋帽(14)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低應(yīng)力加速度計,其特征在于:襯底(13)中淺腔(2)底面設(shè)有與懸浮電極(4)對應(yīng)配合的抗過載防粘連的下凸點(12),懸浮電極(4)上設(shè)有與可動結(jié)構(gòu)(10)對應(yīng)配合的抗過載防粘連的上凸點(8)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低應(yīng)力加速度計,包括:a.襯底(13)中設(shè)有淺腔(2)以及襯底錨點(5);b.電極結(jié)構(gòu)層(1)中部設(shè)有的中心錨點(16),中心錨點(16)的兩側(cè)對稱設(shè)有至少一個懸浮電極(4),懸浮電極(4)與下面的淺腔(2)對應(yīng)配合,懸浮電極(4)的上表面設(shè)有向上活動間隙(11);c.可動結(jié)構(gòu)層(15),及其中設(shè)有的可動結(jié)構(gòu)(10),其中部設(shè)有上層錨點(18)與中心錨點(16)對應(yīng)鍵合連接;d.蓋帽(14)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點:熱應(yīng)力對電極結(jié)構(gòu)的影響大幅下降,使得電極結(jié)構(gòu)在全溫范圍內(nèi)幾乎無形變,從而保證了器件在全溫范圍內(nèi)左右兩邊電容的對稱性,提高了傳感器全溫性能。
【IPC分類】G01P15/125
【公開號】CN105182005
【申請?zhí)枴緾N201510661916
【發(fā)明人】王鵬, 郭群英, 黃斌, 曹衛(wèi)達(dá), 何凱旋, 段寶明
【申請人】華東光電集成器件研究所
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年10月15日