CN104267214B - 物联网用无源无线的加速度传感芯片及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物联网用无源无线的加速度传感芯片及其加工方法，其中芯片包括上层结构和下层结构；所述下层结构包括下层衬底片，该下层衬底片上设有串联的MEMS电容和MEMS电感；上层结构包括上层衬底片，MEMS加速度感应的可动导体质量块和支撑梁，支撑梁与上层衬底片连接，固定在下层结构上方，可动导体质量块通过支撑梁悬浮于MEMS电感上方，可动导体质量块底部淀积有金属层；当加速度传感芯片有垂直于该可动导体质量块的加速度时，该可动导体质量块会随之上下运动。
Description
技术领域
本发明涉及加速度传感芯片，尤其涉及一种物联网用无源无线的加速度传感芯片及其加工方法。
背景技术
物联网被称为继计算机、互联网之后信息产业的第三次浪潮，为二十一世纪全球工业化、城市化进程提供了革命性的信息技术和智能技术。作为物联网的基础底层器件以及物联网终端节点—传感器，将是整个物联网产业链中需求总量最大和最基础的环节，物联网终端节点及其相关产业的技术水平和发展速度将直接影响物联网的发展速度。
加速度计是用来测量加速度的仪器，在航天、航海、汽车具有重要的应用价值。随着微机电 MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）产业的兴起，加速度计逐渐向微型化、集成化方向发展。MEMS加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、易批量生产等优点，目前已广泛应用于车辆、测试、航空航天、日常运动监控、游戏及一些消费类电子产品等领域。
用于物联网的加速度传感器件要求其具有低功耗和低成本的特定。而现在用于物联网的加速度传感器都是有源方式的，在一些安装条件不便的情况下，如地下结构，高空建筑结构等处，更换物联网传感器节点器件的电池就成了很大的问题，从而大大影响了该传感器的广泛应用。本发明提出的无源无线加速度传感芯片，其芯片的工作是无需电源的，而且加速度信号以电感耦合无线方式传出，故能解决现有加速度传感芯片在物联网应用中所遇到的这方面的问题。另一方面，本发明提出利用加速度改变MEMS电感，继而改变无源谐振电路谐振频率的新方法，设计中加速度的变化能引起微电感的电感量连续变化，变化范围大。且电感器件尺寸小，加工工艺简单，易于封装，适合大规模生产。较之传统改变电容的方法，便于消除寄生电容影响和提高系统Q值，大大提升传感器芯片的工作性能和可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中物联网中的加速度传感器都是有源方式的缺陷，提供一种全新的MEMS结构和信号传输方法，实现一种无源无线MEMS加速度传感芯片，该芯片无需电源就可以以无线方式将加速度信号传递给接收端。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种物联网用无源无线的加速度传感芯片，包括上层结构和下层结构；
所述下层结构包括下层衬底片，该下层衬底片上设有串联的MEMS电容和MEMS电感；
上层结构包括上层衬底片，MEMS加速度感应的可动导体质量块和支撑梁，支撑梁与上层衬底片连接，固定在下层结构上方，可动导体质量块通过支撑梁悬浮于MEMS电感上方，可动导体质量块底部淀积有金属层；当加速度传感芯片有垂直于该可动导体质量块的加速度时，该可动导体质量块会随之上下运动。
本发明所述的加速度传感芯片中，上层衬底片和下层衬底片通过键合工艺连接成一个整体。
本发明所述的加速度传感芯片中，该支撑梁为十字形支撑梁。
本发明所述的加速度传感芯片中，可动导体质量块、支撑梁和上层衬底片为一体结构。
本发明所述的加速度传感芯片中，MEMS电感的线圈为在下层衬底片上的平面螺旋。
本发明所述的加速度传感芯片中，可动导体质量块底部淀积的金属层为非晶体软磁合金层。
本发明还提供一种物联网用无源无线的加速度传感芯片的加工方法，包括以下步骤：
在下层衬底片上淀积一层绝缘层，并利用标准的光刻和干法腐蚀工艺将下层衬底片的周边键合区域的绝缘层去除；
在绝缘层上溅射一层金属层；
在该金属层上通过光刻和金属腐蚀工艺得到MEMS电容的下电极，以及MEMS电感的平面螺旋结构的一个接线端，该接线端与MEMS电容的下电极连接；
在金属层上淀积一层绝缘层，并用标准的光刻和腐蚀工艺去除多余部分，而将所述MEMS电感的平面螺旋结构的所述接线端形成一个开孔，使开孔下面的金属层露出来；
在绝缘层上淀积另外一层金属层，该金属层和所述开孔处的所述接线端形成电连接，再通过光刻和金属腐蚀工艺得到所需要的MEMS电感的平面螺旋结构，以及该平面螺旋结构的另外一个接线端；
在MEMS电容的下电极金属层上沉积一层中间介质层，作为电容的绝缘电介质层；
在MEMS电感区域旋涂一层厚胶，并光刻出MEMS电感的平面螺旋结构的图形，再利用金属电镀工艺，电镀具有一定厚度的平面螺旋电感结构；
最后溅射另一层金属层，通过光刻和腐蚀工艺得到MEMS电容的上电极，以及该上电极和MEMS电感平面螺旋结构的另外一个接线端的连接线；
在上层衬底片的上部利用多步标准光刻和深度反应离子刻蚀工艺制作支撑梁以及支撑梁上的MEMS加速度感应的可动导体质量块；
在上层衬底片的下部利用标准光刻和深度反应离子刻蚀工艺实现凹坑结构，并得到上层衬底片与下层衬底片的键合区域；
在上层衬底片的下部淀积一层金属层，并用标准的光刻和金属腐蚀工艺，或剥离工艺，去掉其余部分，仅保留可动导体质量块下部的金属层部分；
将上层衬底片与下层衬底片键合。
本发明所述的方法中，所述中间介质层为二氧化硅。
本发明所述的方法中，所述绝缘层为氮化硅。
本发明所述的方法中，对应可动导体质量块的区域淀积一层金属层为非晶体软磁合金层。
本发明所述的方法中，上层衬底片与下层衬底片均为硅片。
本发明产生的有益效果是：本发明提出一种结构简单，无功耗的物联网用无源无线加速度传感芯片，工艺简单，易于实现大规模生产，满足了物联网节点器件的低成本和低功耗的需求。传感原理为当加速度改变时，可动导体块发生移动，使得导体层和线圈层的间距发生变化，从而引起MEMS的电感值发生变化，最终导致LC谐振回路的频率发生变化。这种结构和工艺设计保证了传感器的高灵敏度和高可靠性。其中MEMS电感采用电镀工艺的平面螺旋线圈和高导磁率的非晶体软磁合金，可大大提高品质因数Q 值，提升传感器芯片的工作性能和可靠性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明无源无线加速度传感芯片原理图；
图2是本发明MEMS加速度传感芯片的LC谐振回路；
图3a是本发明实施例的芯片下层结构的俯视示意图；
图3b是本发明实施例的芯片下层结构的一个剖面示意图；
图3c是本发明实施例MEMS电容示意图；
图4a是本发明实施例芯片上层结构的俯视示意图；
图4b是本发明实施例芯片上层结构的一个剖面示意图；
图5是本发明实施例MEMS加速度传感芯片的上下层键合在一起的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的物联网用无源无线的加速度传感芯片，传感芯片由如图2所示的MEMS电容和MEMS电感组成LC谐振回路，其中的MEMS电感由平面螺旋线圈和MEMS加速度感应可动导体块组成。其中的加速度感应可动导体块悬浮支撑在平面螺旋线圈上方，当有加速度变化时，可动导体块发生移动，使得导体层和线圈层的间距发生变化，从而引起MEMS的电感值发生变化，最终导致LC谐振回路的频率发生变化。这样，加速度的变化就可以表征为LC谐振回路的谐振频率的变化。如图1所示，当加速度传感芯片10工作时，可由外部读取电路的耦合电感将加速度传感芯片10的谐振频率信号耦合输出。
本发明实施例的物联网用无源无线的加速度传感芯片，如图5所示，包括上层结构和下层结构。
所述下层结构包括下层衬底片1，该下层衬底片1上有绝缘层4，该绝缘层4上设有串联的MEMS电容2和MEMS电感3，如图3a， 图3b和图3c所示。
如图4a所示，上层结构包括MEMS加速度感应的可动导体质量块5-1和支撑梁6，支撑梁6固定在上层衬底片7的边框部分，可动导体质量块5-1通过支撑梁6悬浮于MEMS电感3上方，可动导体质量块5-1底部淀积金属层5-2，该金属层5-2可以但不限于非晶体软磁合金层，其具有高的导磁率，如镍铁合金NiFe。
当加速度传感芯片有垂直于该可动导体质量块5-1的加速度时，该可动导体质量块5-1会随之上下运动。
本发明的一个实施例中，可动导体质量块5-1，支撑梁6和上层衬底片7为一体结构。如在上层衬底片的上部利用多步标准光刻和深度反应离子刻蚀工艺制作支撑梁6以及支撑梁上的MEMS加速度感应的可动导体质量块5-1。
如图3a所示，MEMS电感的线圈为在下层衬底片的绝缘层4上的平面螺旋。如图3a或图3b所示，MEMS电感的平面螺旋线圈可以，但不限于，是溅射或电镀的螺旋线圈结构。如图3c所示，MEMS电容包括上电极2-1、下电极2-3以及中间介质层2-2。
本发明实施例的物联网用无源无线的加速度传感芯片的加工方法，包括以下步骤：
在下层衬底片上淀积一层绝缘层，如Si3N4绝缘层，并利用标准的光刻和干法腐蚀工艺将下层衬底片的周边键合区域的绝缘层去除；
在绝缘层上溅射一层金属层，如铝Al；
在该金属层上通过光刻和金属腐蚀工艺得到MEMS电容的下电极，以及MEMS电感的平面螺旋结构和一个接线端，该接线端与MEMS电容的下电极连接；
在金属层上淀积一层绝缘层，并用标准的光刻和干法腐蚀去除多余部分，而将前述的MEMS电感的平面螺旋结构的那个接线端形成一个开孔，将开孔下面的金属层露出来；
在绝缘层上淀积另外一层金属层，该金属层和上述开孔处的平面螺旋结构的接线端形成电连接，再通过光刻和金属腐蚀工艺得到所需要的MEMS电感的平面螺旋结构，以及该平面螺旋结构的另外一个接线端；
在MEMS电容的下电极金属层上沉积一层中间介质层，如SiO2，作为电容的绝缘电介质层；
在MEMS电感区域旋涂一层厚胶，如AZ4620,并光刻出MEMS电感的平面螺旋结构的图形，再利用金属电镀工艺，电镀具有一定厚度的平面螺旋电感结构，如电镀厚铜Cu；
最后溅射另一层金属层，通过光刻和腐蚀工艺得到MEMS电容的上电极，以及该电极和MEMS电感平面螺旋结构的另外一个接线端的连接线；
在上层衬底片的上部利用多步标准光刻和深度反应离子刻蚀工艺制作支撑梁以及支撑梁上的MEMS加速度感应的可动导体质量块；
在上层衬底片的下部利用标准光刻和深度反应离子刻蚀工艺实现凹坑结构，并实现上层衬底片与下层衬底片的键合区域；
在上层衬底片的下部淀积一层金属层，并用标准的光刻和金属腐蚀工艺，或剥离工艺，去掉其余部分，仅保留可动导体质量块下部的金属层部分,，该金属层可以为但不限于非晶体软磁合金，其具有高的导磁率，如镍铁合金NiFe。
将上层衬底片与下层衬底片键合，当上层衬底片与下层衬底片均采用硅片时，可通过标准的 MEMS硅-硅直接键合工艺连接成一个整体，如图5所示。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种物联网用无源无线的加速度传感芯片，其特征在于，包括上层结构和下层结构；
所述下层结构包括下层衬底片，该下层衬底片上设有串联的MEMS电容和MEMS电感；
上层结构包括上层衬底片，MEMS加速度感应的可动导体质量块和支撑梁，支撑梁与上层衬底片连接，固定在下层结构上方，可动导体质量块通过支撑梁悬浮于MEMS电感上方，可动导体质量块底部淀积有金属层；当加速度传感芯片有垂直于该可动导体质量块的加速度时，该可动导体质量块会随之上下运动，使得可动导体质量块和MEMS电感的线圈层的间距发生变化，从而引起MEMS的电感值发生变化。
2.根据权利要求1所述的加速度传感芯片，其特征在于，上层衬底片和下层衬底片通过键合工艺连接成一个整体。
3.根据权利要求2所述的加速度传感芯片，其特征在于，该支撑梁为十字形支撑梁。
4.根据权利要求3所述的加速度传感芯片，其特征在于，可动导体质量块、支撑梁和上层衬底片为一体结构。
5.根据权利要求1所述的加速度传感芯片，其特征在于，MEMS电感的线圈为在下层衬底片上的平面螺旋。
6.根据权利要求1所述的加速度传感芯片，其特征在于，可动导体质量块底部淀积的金属层为非晶体软磁合金层。
7.一种如权利要求1所述的物联网用无源无线的加速度传感芯片的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
在下层衬底片上淀积一层绝缘层，并利用标准的光刻和干法腐蚀工艺将下层衬底片的周边键合区域的绝缘层去除；
在绝缘层上溅射一层金属层；
在该金属层上通过光刻和金属腐蚀工艺得到MEMS电容的下电极，以及MEMS电感的平面螺旋结构的一个接线端，该接线端与MEMS电容的下电极连接；
在金属层上淀积一层绝缘层，并用标准的光刻和干法腐蚀去除多余部分，而将所述MEMS电感的平面螺旋结构的所述接线端形成一个开孔，使开孔下面的金属层露出来；
在绝缘层上淀积另外一层金属层，该金属层和所述开孔处的所述接线端形成电连接，再通过光刻和金属腐蚀工艺得到所需要的MEMS电感的平面螺旋结构，以及该平面螺旋结构的另外一个接线端；
在MEMS电容的下电极金属层上沉积一层中间介质层，作为电容的绝缘电介质层；
在MEMS电感区域旋涂一层厚胶，并光刻出MEMS电感的平面螺旋结构的图形，再利用金属电镀工艺，电镀具有一定厚度的平面螺旋电感结构；
最后溅射另一层金属层，通过光刻和腐蚀工艺得到MEMS电容的上电极，以及该上电极和MEMS电感平面螺旋结构的另外一个接线端的连接线；
在上层衬底片的上部利用多步标准光刻和深度反应离子刻蚀工艺制作支撑梁以及支撑梁上的MEMS加速度感应的可动导体质量块；
在上层衬底片的下部利用标准光刻和深度反应离子刻蚀工艺实现凹坑结构，并得到上层衬底片与下层衬底片的键合区域；
在上层衬底片的下部淀积一层金属层，并用标准的光刻和金属腐蚀工艺，或剥离工艺，去掉其余部分，仅保留可动导体质量块下部的金属层部分；
将上层衬底片与下层衬底片键合。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述中间介质层为二氧化硅。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对应可动导体质量块的区域淀积一层金属层为非晶体软磁合金层。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，上层衬底片与下层衬底片均为硅片。
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