CN103105165A - 一种电容式三轴微陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容式三轴微陀螺仪，包括可动结构基板和真空盖板，所述可动结构基板包括：第一硅基板、位于第一硅基板上依次设置的第一氧化绝缘层、第一金属层、导电硅层及第二金属层，其中，导电硅层经图形化处理后至少形成悬空导电桥及梳齿，悬空导电桥的主体悬空于第一金属层与第二金属层之间，两端底部连接第一金属层，顶部的一部分与第二金属层相连；真空盖板包括：第二硅基板、包覆于第二硅基板外侧的第二氧化绝缘层、置于第二氧化绝缘层下方的第三金属层，第三金属层在真空盖板与可动结构基板配合时与第二金属层相连。本实施例解决多层布线技术存在的工艺步骤繁琐及容易由于层线之间的距离过小而影响电性能的问题。

Description

一种电容式三轴微陀螺仪

 

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，更具体的说是涉及一种电容式三轴微陀螺仪。

 

背景技术

电容式三轴微陀螺仪由于具有一种基于微机电系统可用于检测角速度信号变化的运动芯片，因此广泛应用于国防技术领域，以及汽车、手机、精密农业机械、游戏、导航及医疗产业，是重要的人机互动界面的连接纽带。

电容式三轴微陀螺仪工作时，通过高频驱动的质量块探测到角速度变化产生差乘的科氏力，并在科氏力的作用下产生在一个方向上的形变。“电容式”是指采用电容式静电驱动及电容差动输出，这意味着需要在加工过程中形成相对应的梳齿结构或者电容板结构，并且要求梳齿结构及上下板的电路信号可以连通到外接焊垫上。电容式三轴微陀螺仪通过所述质量块和对应的电极板形成的电容变化（或者带动可动梳齿和外加的固定梳齿因对应面积变化所产生的电容变化），来检测所受角速度大小。“三轴”是指可以同时检测X、Y、Z轴三方向的角速度，而传统的单轴陀螺仪只能进行交叉装配才能实现三轴检测。与传统的“单轴”方式相比，三轴微陀螺仪的结构更为复杂，需要连接的梳齿和极板较多，要求的电性互联线更多更密，导致线路重叠部分较多。

在产品小型化的趋势的引导下，要求较大面积的平面上布线的方式已被摒弃。一种针对高密度高集成电路的解决方案出现了，即多层布线方式，这种方式主要借助通孔的方法实现线路层之间的互联，能够实现复杂电路的布线要求，但是也存在以下缺点：

1、多层布线就需要很多工艺步骤，多层的绝缘层沉积、开孔、金属沉积，增加了制造成本；

2、由于是采用通孔连通的方式，要求层与层之间的距离较近，因此在两层线的叠加交叉区域容易出现寄生电容，造成高信噪比，干扰电路及信号的有效传递。

 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的电容式三轴微陀螺仪，在符合小型化趋势的前提下，解决现有技术采用的多层布线技术存在的工艺步骤繁琐及容易由于层线之间的距离过小而影响电性能的问题。

本发明的技术方案如下：

一种电容式三轴微陀螺仪，包括可动结构基板和真空盖板， 所述可动结构基板包括：第一硅基板、位于第一硅基板上依次设置且经过各自图形化处理的氧化绝缘层、第一金属层、导电硅层及第二金属层，其中，所述导电硅层经图形化处理后至少形成悬空导电桥及梳齿，所述悬空导电桥的主体悬空于所述第一金属层与第二金属层之间，两端底部连接所述第一金属层，顶部的一部分与第二金属层相连；

所述真空盖板包括：第二硅基板、包覆于第二硅基板外侧的第二氧化绝缘层、置于所述第二氧化绝缘层下方的第三金属层，所述第三金属层在所述真空盖板与所述可动结构基板配合时与所述第二金属层相连。

优选的，所述导电硅层具体为经过离子掺杂后的多晶硅层。

优选的，所述第一金属层为钨或钨铁合金层。

优选的，所述第二金属层和第三金属层均为铜层。

优选的，第一金属层图形化形成金属互连导线及下极板，分别与所述悬空导电桥的两端底部相连。

优选的，所述导电硅层图形化后还形成位于所述悬空导电桥与梳齿之间的悬臂梁及位于所述金属互连导线上方的焊垫承载台。

优选的，所述悬空导电桥、梳齿、悬臂梁和焊接承载台层高一致。

优选的，所述第二金属层图形化后形成位置靠近梳齿的金属互通焊垫、与下极板位置相对的桥连接金属焊垫、位于所述焊垫承载台上方的电性外接焊垫和金属密封焊垫。

优选的，第三金属层图形化后形成位于梳齿上方的上极板、分别与所述金属焊垫和桥连接金属焊垫位置相对的两个互连焊垫、连接所述两个焊垫的互连焊垫横向连接线及位于所述悬空导电桥上方的纵向导线。

优选的，所述悬空导电桥与第一金属层与之间的空隙由绝缘牺牲层蚀刻形成。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的电容式三轴微陀螺仪，采用悬空导电桥实现多层之间的连接，从而避开单面布线线路交叉短接的问题，实现高集成、高布线密度的结构布局，有利于产品小型化；并且，由于是采用悬空导电桥实现层间的连接，且所述悬空导电桥的主体部分与层线之间具有较大空隙， 因此能够保证足够的层间距离，从而减少甚至避免产生寄生电容，进而保证电路及信号的有效传递；另外，采用导电硅层实现层间的连接，无需过多的绝缘层沉积、开孔、金属沉积，因此不会产生额外加工步骤，降低了生产成本。

 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供一种新型的电容式三轴微陀螺仪的结构示意图；

图2为本发明提供一种新型的电容式三轴微陀螺仪的可动结构基板的结构示意图；

图3为本发明提供一种新型的电容式三轴微陀螺仪的真空盖板的结构示意图。

 

具体实施方式

本发明提供了一种新型的电容式三轴微陀螺仪：该电容式三轴微陀螺仪采用悬空导电桥来实现层（导电层）间的连接，从而在有利于产品小型化的前提下，无需额外增加工艺步骤且能够减少甚至避免产生寄生电容，进而保证电路及信号的有效传递。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

请参考图1、图2和图3，其中，图1为本发明提供一种新型的电容式三轴微陀螺仪的结构示意图，图2和图3分别为所述电容式三轴微陀螺仪的可动结构基板及真空盖板的结构示意图。

所述电容式三轴微陀螺仪包括可动结构基板1和真空盖板2，其中：

所述可动结构基板1包括：第一硅基板11、位于第一硅基板11上依次设置且经过各自图形化处理的第一氧化绝缘层12、第一金属层13、导电硅层14及第二金属层15，所述导电硅层14经图形化处理后至少形成悬空导电桥141及梳齿142，所述悬空导电桥141的主体悬空于所述第一金属层13与第二金属层15之间，两端底部连接所述第一金属层13，顶部的一部分与第二金属层15相连。

所述真空盖板2包括：第二硅基板21、包覆于第二硅基板21外侧的第二氧化绝缘层22、置于所述第二氧化绝缘层22下方的第三金属层23，所述第三金属层23在所述真空盖板2与所述可动结构基板1配合时与所述第二金属层15相连。

所述导电硅层14具体为经过离子掺杂后的多晶硅层。

所述第一金属层13、导电硅层14、第二金属层15和第三金属层23各自经过图形化处理后形成各种结构，具体的：

所述第一金属层13经图形化形成金属互连导线131及下极板132，分别与所述悬空导电桥141的两端底部相连。

所述导电硅层14经图形化后除了形成所述悬空导电桥141和梳齿142，还形成位于所述悬空导电桥141与梳齿142之间的悬臂梁143及位于所述金属互连导131线上方的焊垫承载台144。

所述第二金属层15经图形化后形成位置靠近所述梳齿142的金属互通焊垫151、与下极板132位置相对的桥连接金属焊垫152、位于所述焊垫承载台144上方的电性外接焊垫153和金属密封焊垫154。

所述第三金属层23经图形化后形成位于所述梳齿142上方的上极板231、分别与所述金属互通焊垫151和桥连接金属焊垫152位置相对的两个互连焊垫232和233、连接所述两个焊垫的互连焊垫横向连接线234及位于所述悬空导电桥141上方的纵向导线235。

本实施例提供的电容式三轴微陀螺仪是运用了厚硅外延方法在第一硅基板11上通过沉积、曝光、显影、蚀刻、研磨等工艺方法实现，通过厚硅外延层形成悬空导电桥141及梳齿142、悬臂梁143等结构，由于这些结构的厚度一般为几微米到几十微米，为了此后硅外延层平坦，需要在多晶硅生长后进行研磨来控制表面的平坦度。多晶硅的导电性能经过后期掺杂完成，而研磨剂掺杂后产生的内应力，可以经过干法刻蚀进行释放，避免在运输过程中出现裂片及生长金属剥落的问题。

可动结构基板1的具体工艺过程为：

步骤A、在所述第一硅基板11上生长所述第一氧化绝缘层12；

步骤B、在需要导通处通过光刻转移形成通孔121；

步骤C、在所述第一氧化绝缘层12上生长第一金属层13，对所述第一金属层13进行图形化处理后形成所述金属互连导线131及下极板132；

步骤D、在所述第一金属层13上沉淀一层绝缘牺牲层，绝缘牺牲层经过图形化处理后大部分被刻蚀掉，除了在需要绝缘处保留，如绝缘牺牲层部分16；

步骤E、在所述绝缘牺牲层的基础上生长导电多晶硅层（即导电硅层14）；

步骤F、将所述导电硅层14进行图形化处理，形成所述悬空导电桥141、梳齿142、悬臂梁143及焊垫承载台144，所述悬空导电桥141、梳齿142、悬臂梁143、焊接承载台144层高一致。

步骤G、在所述导电硅层14的多晶硅结构成型之前，在所述导电硅层14表面生长第二金属层15；

步骤H、对所述第二金属层15进行图形化处理，形成所述金属互通焊垫151、桥连接金属焊垫152、电性外接焊垫153和金属密封焊垫154。

真空盖板2的工艺过程如下：

步骤a、以第二硅基板21作为底板，在其上沉淀第二氧化绝缘层22；

步骤b、在所述第二氧化绝缘层22上生长第三金属层23；

步骤c、对所述第三金属层23进行图形化处理，形成上极板231、互连焊垫232和233、互连焊垫横向连接线234及纵向导线235。

上述实施例所述的电容式三轴微陀螺仪中，在可动结构基板1与真空盖板2配合时，第一金属层13通过悬空导电桥141和位于该悬空导电桥141上方的桥连接金属焊垫152、位于所述真空盖板2上的第三金属层23相连，实现多层互连。并且，所述悬空导电桥141、上极板231、下极板132、梳齿142、悬臂梁143、金属互联导线13和金属互通焊垫151所有个体单元连接，形成导通回路，例如：所述梳齿142可以通过锚点（图中未示出）与金属互连导线13连接，所述悬空导电桥141可以与所述金属互连导线13、金属互通焊垫151连接，所述上极板231、下极板132可以通过金属互连导线13与所述悬空导电桥141相连，所述悬臂梁143、梳齿142通过锚点与所述金属互连导线13连接，上述所有个体均可与通过所述金属互连导线13与电性外接焊垫153连接，以实现最终的电性连接。

需要说明的是，所述悬空导电桥141连接锚点及其悬空结构的形成是运用了所述绝缘牺牲层，所述绝缘牺牲层首先沉淀在设计成型的第一金属层13表面，然后根据需要进行图形化处理时，在连接锚点区域的部分被刻蚀掉，以便导电硅层14沉积时直接连通所述第一金属层13。于所述导电硅层14表面生长第二金属层15之前，由于所述导电硅层14因绝缘牺牲层额机构导致表面不平整，可以采用研磨的方式进行表面平整度控制，然后再进行P（硼）掺杂，退火后再生长所述第二金属层15。绝缘层最后再刻蚀槽底时被释放掉，释放掉后悬空导电桥141的悬空结构及所述梳齿142、悬臂梁143最终形成。

在厚多晶硅外延时温度较高，因此本实施例选用熔点较高的钨（W）或钨铁（WTi）合金作为所述第一金属层13的材料。而第二金属层15和第三金属层23主要采用铜（Cu）作为材料，以便在所述可动结构基板1和真空盖板2配合时，通过Cu-Cu金属扩散键合连接在一起。

可以看出，本发明提供的电容式三轴微陀螺仪采用悬空导电桥实现多层之间的连接，从而避开单面布线线路交叉短接的问题，实现高集成、高布线密度的结构布局，有利于产品小型化；并且，由于是采用悬空导电桥实现层间的连接，且所述悬空导电桥的主体部分与层线之间具有较大空隙， 因此能够保证足够的层间距离，从而减少甚至避免产生寄生电容，进而保证电路及信号的有效传递；另外，采用导电硅层实现层间的连接，无需过多的绝缘层沉积、开孔、金属沉积，因此不会产生额外加工步骤，降低了生产成本。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电容式三轴微陀螺仪，包括可动结构基板和真空盖板，其特征在于：

所述可动结构基板包括：第一硅基板、位于第一硅基板上依次设置且经过各自图形化处理的氧化绝缘层、第一金属层、导电硅层及第二金属层，其中，所述导电硅层经图形化处理后至少形成悬空导电桥及梳齿，所述悬空导电桥的主体悬空于所述第一金属层与第二金属层之间，两端底部连接所述第一金属层，顶部的一部分与第二金属层相连；

所述真空盖板包括：第二硅基板、包覆于第二硅基板外侧的第二氧化绝缘层、置于所述第二氧化绝缘层下方的第三金属层，所述第三金属层在所述真空盖板与所述可动结构基板配合时与所述第二金属层相连。

2.根据权利要求1所述的电容式三轴微陀螺仪，其特征在于，所述导电硅层具体为经过离子掺杂后的多晶硅层。

3.根据权利要求1所述的电容式三轴微陀螺仪，其特征在于，所述第一金属层为钨或钨铁合金层。

4.根据权利要求1所述的电容式三轴微陀螺仪，其特征在于，所述第二金属层和第三金属层均为铜层。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的电容式三轴微陀螺仪，其特征在于，第一金属层图形化形成金属互连导线及下极板，分别与所述悬空导电桥的两端底部相连。

6.根据权利要求5所述的电容式三轴微陀螺仪，其特征在于，所述导电硅层图形化后还形成位于所述悬空导电桥与梳齿之间的悬臂梁及位于所述金属互连导线上方的焊垫承载台。

7.根据权利要求6所述的电容式三轴微陀螺仪，其特征在于，所述悬空导电桥、梳齿、悬臂梁和焊接承载台层高一致。

8.根据权利要求7所述的电容式三轴微陀螺仪，其特征在于，所述第二金属层图形化后形成位置靠近梳齿的金属互通焊垫、与下极板位置相对的桥连接金属焊垫、位于所述焊垫承载台上方的电性外接焊垫和金属密封焊垫。

9.根据权利要求8所述的电容式三轴微陀螺仪，其特征在于，第三金属层图形化后形成位于梳齿上方的上极板、分别与所述金属焊垫和桥连接金属焊垫位置相对的两个互连焊垫、连接所述两个焊垫的互连焊垫横向连接线及位于所述悬空导电桥上方的纵向导线。

10.根据权利要求9所述的电容式三轴微陀螺仪，其特征在于，所述悬空导电桥与第一金属层与之间的空隙由绝缘牺牲层蚀刻形成。

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