CN104819730B - 一种mems惯性传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS惯性传感器及其制造方法，包括衬底，以及分别固定在衬底上端、下端的盖体，两个盖体与衬底分别形成位于衬底两侧的第一容腔、第二容腔；在所述衬底的上端通过中间结合层设有位于第一容腔内的第一敏感结构，在所述衬底的下端通过中间结合层设有位于第二容腔内的第二敏感结构。发明的MEMS惯性传感器，衬底位于芯片的中部，在衬底的上下表面分别键合敏感结构，使得该MEMS惯性传感器具有双层的敏感结构，从而提高了芯片面积的利用率，提升了MEMS惯性传感器的整体性能，使得灵敏度增加了一倍，提高了信噪比；换言之，相比传统的MEMS惯性传感器，在不降低芯片性能的基础上，进一步缩减了MEMS芯片的尺寸，以满足电子产品的小型化发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种惯性测量器件，更具体地，涉及一种基于MEMS制造的惯性测量器件，例如MEMS加速度计、陀螺仪、振荡器等；本发明还涉及一种MEMS惯性传感器的制造方法。
背景技术
目前，随着消费电子和可穿戴设备的发展，对MEMS惯性传感器的性能提出了越来越高的要求，众多系统厂商希望MEMS惯性器件在保持现有性能的基础上，进一步缩小芯片的尺寸。目前的MEMS惯性器件，其敏感结构层通过键合锚定在衬底上，在敏感结构层的上表面键合MEMS密封盖，形成与外界隔离的密封腔体。目前的问题是，MEMS工艺的发展已经比较成熟，工艺能力已经接近极限，很难再根据系统厂商的要求进一步缩减芯片的尺寸，而芯片性能继续提升的空间也已经很小。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种MEMS惯性传感器的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS惯性传感器，包括衬底，以及分别固定在衬底上端、下端的盖体，两个盖体与衬底分别形成位于衬底两侧的第一容腔、第二容腔；在所述衬底的上端通过中间结合层设有位于第一容腔内的第一敏感结构，在所述衬底的下端通过中间结合层设有位于第二容腔内的第二敏感结构。
优选地，其中在所述衬底上设有金属化通孔，所述第一敏感结构和第二敏感结构通过穿过金属化通孔的导电材料或连通导电材料的引线连接。
优选地，所述第一敏感结构包括第一弹性梁，以及位于第一弹性梁两侧的可动极板C1-1、可动极板C1-2，所述第二敏感结构包括第二弹性梁，以及位于第二弹性梁两侧的可动极板C2-1、可动极板C2-2；所述衬底的上端设有与可动极板C1-1构成C1电容结构的固定极板C3-1，以及与可动极板C1-2构成C2电容结构的固定极板C3-2；所述衬底的下端设有与可动极板C2-1构成C3电容结构的固定极板C4-1，以及与可动极板C2-2构成C4电容结构的固定极板C4-2。
优选地，所述第一敏感结构、第二敏感结构为平动结构，其中，C1电容结构与C3电容结构形成叠加电容C13；C2电容结构与C4电容结构形成叠加电容C24，叠加电容C13与C24构成差分电容结构。
优选地，所述第一敏感结构、第二敏感结构为偏转结构，其中，所述第一敏感结构重心偏移的方向与第二敏感结构重心偏移的方向相反；C1电容结构与C3电容结构形成叠加电容C13；C2电容结构与C4电容结构形成叠加电容C24，叠加电容C13与C24构成差分电容结构。
优选地，所述第一敏感结构、第二敏感结构为偏转结构，其中，所述第一敏感结构重心偏移的方向与第二敏感结构重心偏移的方向相同；C1电容结构与C4电容结构形成叠加电容C14；C2电容结构与C3电容结构形成叠加电容C23，叠加电容C14与C23构成差分电容结构。
优选地，所述第一敏感结构为加速度计结构，所述第二敏感结构为陀螺仪结构；或者所述第一敏感结构为陀螺仪结构，所述第二敏感结构为加速度计结构。
优选地，所述衬底上还设有贯通第一容腔和第二容腔的气压导通孔。
本发明还提供了一种MEMS惯性传感器的制造方法，包括以下步骤：
a)在衬底的上表面刻蚀多个金属化通孔；
b)在衬底的上表面以及多个金属化通孔的内壁上沉积或热生长绝缘层；
c)在金属化通孔内填充导电材料；
d)在衬底上沉积中间结合层，并刻蚀；
e)将第一敏感结构键合在衬底的中间结合层上，并对第一敏感结构进行刻蚀；
f)将盖体固定在衬底上，形成封闭第一敏感结构的第一容腔；
g)将衬底翻转180°，在衬底上沉积中间结合层，并刻蚀；
h)将第二敏感结构键合在衬底的中间结合层上，并对第二敏感结构进行刻蚀；
i)将盖体固定在衬底上，形成封闭第二敏感结构的第二容腔。
优选地，所述步骤a)中，金属化通孔为盲孔，所述步骤g)为：衬底翻转180°后，将衬底减薄至金属化通孔位置，之后在衬底上沉积中间结合层，并刻蚀。
本发明的MEMS惯性传感器，衬底位于芯片的中部，在衬底的上下表面分别键合敏感结构，使得该MEMS惯性传感器具有双层的敏感结构，从而提高了芯片的利用率，提升了MEMS惯性传感器的整体性能，使得灵敏度增加了一倍，提高了信噪比；换言之，相比传统的MEMS惯性传感器，在不降低芯片性能的基础上，进一步缩减了MEMS芯片的尺寸，以满足电子产品的小型化发展。本发明的MEMS惯性传感器，增加了芯片尺寸和芯片性能之间的设计余量，可以应用于MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS谐振器等具有可动敏感结构的MEMS惯性器件。
本发明的发明人发现，在现有技术中，MEMS工艺的发展已经比较成熟，工艺能力已经接近极限，很难再根据系统厂商的要求进一步缩减芯片的尺寸，而芯片性能继续提升的空间也已经很小。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明MEMS惯性传感器的结构示意图。
图2是本发明一种具体实施方式中MEMS惯性传感器的结构示意图。
图3是本发明另一种具体实施方式中MEMS惯性传感器的结构示意图。
图4是本发明另一种具体实施方式中MEMS惯性传感器的结构示意图。
图5至图12是本发明MEMS惯性传感器制造方法的步骤示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1，本发明提供的一种MEMS惯性传感器，其包括衬底1，以及分别固定在衬底1上端、下端的盖体2，两个盖体2与衬底1固定在一起，分别形成了位于衬底1两侧的第一容腔、第二容腔。该第一容腔、第二容腔可以是一封闭的结构，其中，在所述衬底1的上端通过中间结合层4设有位于第一容腔内的第一敏感结构3，在所述衬底1的下端通过中间结合层4设有位于第二容腔内的第二敏感结构6。
本发明中，第一敏感结构3、第二敏感结构6为惯性传感器的可动器件，其可以是可动极板等本领域技术人员所熟知的结构，其与衬底1之间例如可以采用键合的方式进行连接；这些可动极板与各自的固定电极对应，分别构成电容结构，用来检测外部的惯性信号。当然，该敏感结构也可以是电阻式或压电式，在此不再具体说明。
为了提高传感器的灵敏度，可以将第一敏感结构3、第二敏感结构6组合到一起，例如在某些环境下需要将第一敏感结构3中的部分极板与第二敏感结构6中的部分极板电连接在一起，此时，可以在衬底1上设置金属化通孔，并在该金属化通孔内填充导电材料5，通过该导电材料5可以将位于金属化通孔正上方、正下方的相应极板电连接在一起。当上下方的极板错开分布时，也就是说，当某个需要连接的极板远离金属化通孔时，则需要在衬底1上例如以沉积的方式设置相应的引线9，该引线9与金属化通孔中的导电材料5连通在一起，从而将位于金属化通孔位置的极板与远离金属化通孔的极板电连接在一起。
该引线9可与导电材料5具有相同的材质。本发明的衬底1可以采用单晶硅材料，为了保证这些导电部件与衬底1之间的绝缘，在导电材料5、引线9与衬底1之间设置绝缘层7。
本发明的MEMS惯性传感器，衬底1位于芯片的中部，在其两侧分别形成一容腔，用来安装敏感结构。其中，第一敏感结构3和第二敏感结构4可以是相同的器件，比如都是MEMS加速度计、MEMS陀螺仪或MEMS谐振器；也可以采用不同的部件，例如所述位于第一容腔中的第一敏感结构3可以为加速度计结构，位于第二容腔中的第二敏感结构6可以为陀螺仪结构；反之亦然。上下两个容腔通过衬底完全隔离，可以按照器件对真空度的不同需求，来设计两个容腔。例如，当位于第一容腔中的第一敏感结构3为加速度计结构时，第一容腔可以是大气压状态；当位于第二容腔中的第二敏感结构6为陀螺仪结构时，第二容腔为真空状态。这样，就可以将MEMS加速度计和MEMS陀螺仪集成在一起。
当然，如果上下两个容腔的敏感结构一致，例如第一敏感结构3、第二敏感结构6均是MEMS加速度计、MEMS陀螺仪或MEMS谐振器时，可在衬底1上设置气压导通孔，将第一容腔和第二容腔贯通起来，从而可以保证第一容腔和第二容腔具有相同的真空度，从而保证两个容腔中敏感结构的品质因数完全相同。
本发明的MEMS惯性传感器，衬底位于芯片的中部，在衬底的上下表面分别键合敏感结构，使得该MEMS惯性传感器具有双层的敏感结构，从而提高了芯片的利用率，提升了MEMS惯性传感器的整体性能，使得灵敏度增加了一倍，提高了信噪比；换言之，相比传统的MEMS惯性传感器，在不降低芯片性能的基础上，进一步缩减了MEMS芯片的尺寸，以满足电子产品的小型化发展。本发明的MEMS惯性传感器，增加了芯片尺寸和芯片性能之间的设计余量，可以应用于MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS谐振器等具有可动敏感结构的MEMS惯性器件。
在本发明一个具体的实施方式中，参考图2，所述第一敏感结构3包括第一弹性梁(视图未给出)，以及与第一弹性梁连接并位于第一弹性梁两侧的可动极板C1-1 30、可动极板C1-2 31，该可动极板C1-1 30、可动极板C1-2 31为一质量块，通过第一弹性梁悬置在衬底1的上方；所述第二敏感结构6包括第二弹性梁(视图未给出)，以及与第二弹性梁连接并位于第二弹性梁两侧的可动极板C2-1 60、可动极板C2-2 61；该可动极板C2-1 60、可动极板C2-2 61为一质量块，通过第二弹性梁悬置在衬底1的下方。质量块、弹性梁之间具体连接的方式属于现有的技术，在此不再具体说明。
其中，在所述衬底1的上端还设有与可动极板C1-1 30构成C1电容结构的固定极板C3-1 80，以及与可动极板C1-2 31构成C2电容结构的固定极板C3-2 81；所述衬底1的下端设有与可动极板C2-1 60构成C3电容结构的固定极板C4-1 82，以及与可动极板C2-2 61构成C4电容结构的固定极板C4-2 83。通过改变可动极板与固定极板之间的距离或者正对的面积，来实现电容信号的变化。通过上述组成的四个电容结构，可以提高MEMS惯性传感器的灵敏度，提高MEMS惯性传感器的信噪比。
在本发明一个具体的实施方式中，参考图2，所述第一敏感结构3、第二敏感结构6为平动结构，第一敏感结构3、第二敏感结构6例如受到在X轴或Y轴方向的加速度时，其中，C1电容结构与C3电容结构同时增加或减小，C2电容结构与C4电容结构同时减小或增加。这样，可以将C1电容结构与C3电容结构形成叠加电容C13；C2电容结构与C4电容结构形成叠加电容C24，叠加电容C13与C24构成一对差分电容结构，通过差分检测电路，检测到输出信号的变化。同时，在外界的温度和应力发生变化时，衬底1上下表面所产生的应变是相反的，C1电容结构、C3电容结构分别位于衬底1的上、下表面，将这两个电容结构并联起来时，则可以将温度或其它干扰方面所带来的应变抵消；基于相同的道理，C2电容结构、C4电容结构并联起来，也可以将温度或其它干扰方面所带来的应变抵消，从而使得最后的输出既提高了信噪比，又消除了温度或其它干扰方面所带来的误差。
本发明中，MEMS惯性传感器也可以是Z轴加速度计，此时，所述MEMS惯性传感器的第一敏感结构3、第二敏感结构6为偏转结构，参考图3，其中，所述第一敏感结构3重心偏移的方向与第二敏感结构6重心偏移的方向相反。
在本发明一个具体的实施方式中，例如第一敏感结构3的重心偏向可动极板C1-130，而第二敏感结构6的重心偏向可动极板C2-2 61。上述的偏心方式可以通过尺寸大小来实现，也可以通过材质、镂空或配重等方式来实现，在此不再具体说明。当上述结构的第一敏感结构3、第二敏感结构6受到Z轴方向的加速度时，C1电容结构与C3电容结构同时增加或减小，C2电容结构与C4电容结构同时减小或增加。这样，可以将C1电容结构与C3电容结构形成叠加电容C13；C2电容结构与C4电容结构形成叠加电容C24，叠加电容C13与C24构成一对差分电容结构，通过差分检测电路，检测到输出信号的变化。同时，在外界的温度和应力发生变化时，衬底1上下表面所产生的应变是相反的，C1电容结构、C3电容结构分别位于衬底1的上、下表面，将这两个电容结构并联起来后，则可以将温度或其它干扰方面所带来的应变抵消；基于相同的道理，C2电容结构、C4电容结构并联起来，也可以将温度或其它干扰方面所带来的应变抵消，从而使得最后的输出既提高了信噪比，又消除了温度或其它干扰方面所带来的误差。
在本发明另一实施结构中，所述第一敏感结构3重心偏移的方向与第二敏感结构6重心偏移的方向相同；参考图4，例如第一敏感结构3的重心偏向可动极板C1-1 30，第二敏感结构6的重心偏向可动极片C2-1 60。当上述结构的第一敏感结构3、第二敏感结构6受到Z轴方向的加速度时，C1电容结构与C4电容结构同时增加或减小，C2电容结构与C3电容结构同时减小或增加。这样，可以将C1电容结构与C4电容结构形成叠加电容C14；C2电容结构与C3电容结构形成叠加电容C23，叠加电容C14与C23构成一对差分电容结构，通过差分检测电路，检测到输出信号的变化。
该种情况下，需要将C1电容结构中的固定极板C3-1 80与C4电容结构中的固定极板C4-2 83连接起来，由于这两个固定极板位于衬底的不同位置，此时，需要在衬底上铺设相应的引线9，与金属化通孔中的导电材料5连接起来。
在本发明另一实施结构中，C1电容结构和C2电容结构可以组成一对差分电容结构C12，通过差分检测电路，直接输出，得到输出信号，记为Vout1；C3电容结构和C4电容结构可以组成一对差分电容结构C34，通过差分检测电路，直接输出，得到输出信号，记为Vout2；将Vout1和Vout2相加，取平均，得到最终的输出。由于温度和应力对衬底1上下层结构造成的影响是相反的，所以，通过这两对差分电容结构的相加，可以消除温度和应力带来的误差。
本发明还提供了一种MEMS惯性传感器的制造方法，包括以下步骤：
a)在衬底1的上表面刻蚀多个金属化通孔10，参考图5；
b)在衬底1的上表面以及多个金属化通孔10的内壁上沉积或热生长绝缘层7，参考图6；
c)在金属化通孔10内填充导电材料5，为了工艺的方便，可在金属化通孔10、衬底1上表面同时设置一层导电材料5，参考图7，之后，再将衬底1上方的导电材料5研磨或刻蚀掉，保留金属化通孔10内的导电材料5；另外，可根据需要在衬底1上沉积和刻蚀连通导电材料5的引线9，参考图8；
d)在衬底1上沉积中间结合层4，并刻蚀成所需形状，形成敏感结构释放后运动的腔体，参考图9；
e)将第一敏感结构3键合在衬底1的中间结合层4上，参考图10，在具体的工艺中，可以首先将敏感结构层键合在中间结合层4上，通过刻蚀使其释放，形成第一敏感结构3；
f)将盖体2固定在衬底1上，形成封闭第一敏感结构3的第一容腔，参考图11；
g)将衬底1翻转180°，参考图12，对衬底1的另一面进行加工，在衬底1上沉积中间结合层4，并刻蚀，具体参考步骤d)；
h)将第二敏感结构6键合在衬底1的中间结合层4上，具体参考步骤e)；
i)将盖体2固定在衬底1上，形成封闭第二敏感结构6的第二容腔，最终形成具有双层敏感结构的MEMS惯性传感器。
在所述步骤a)中，金属化通孔10可以是盲孔，此时，在所述步骤g)中，将衬底1翻转180°后，需要将衬底1减薄至金属化通孔10位置，也就是说，将金属化通孔10露出衬底1的表面，之后在衬底1上沉积中间结合层4，并刻蚀成所需形状。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种MEMS惯性传感器，其特征在于：包括衬底(1)，以及分别固定在衬底(1)上端、下端的盖体(2)，两个盖体(2)与衬底(1)分别形成位于衬底(1)两侧的第一容腔、第二容腔；在所述衬底(1)的上端通过中间结合层(4)设有位于第一容腔内的第一敏感结构(3)，在所述衬底(1)的下端通过中间结合层(4)设有位于第二容腔内的第二敏感结构(6)，所述第一敏感结构(3)包括第一弹性梁，以及位于第一弹性梁两侧的可动极板C1-1(30)、可动极板C1-2(31)，所述第二敏感结构(6)包括第二弹性梁，以及位于第二弹性梁两侧的可动极板C2-1(60)、可动极板C2-2(61)；所述衬底(1)的上端设有与可动极板C1-1(30)构成C1电容结构的固定极板C3-1(80)，以及与可动极板C1-2(31)构成C2电容结构的固定极板C3-2(81)；所述衬底(1)的下端设有与可动极板C2-1(60)构成C3电容结构的固定极板C4-1(82)，以及与可动极板C2-2(61)构成C4电容结构的固定极板C4-2(83)。
2.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：其中在所述衬底(1)上设有金属化通孔，所述第一敏感结构(3)和第二敏感结构(6)通过穿过金属化通孔的导电材料(5)或连通导电材料(5)的引线(9)连接。
3.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述第一敏感结构(3)、第二敏感结构(6)为平动结构，其中，C1电容结构与C3电容结构形成叠加电容C13；C2电容结构与C4电容结构形成叠加电容C24，叠加电容C13与C24构成差分电容结构。
4.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述第一敏感结构(3)、第二敏感结构(6)为偏转结构，其中，所述第一敏感结构(3)重心偏移的方向与第二敏感结构(6)重心偏移的方向相反；C1电容结构与C3电容结构形成叠加电容C13；C2电容结构与C4电容结构形成叠加电容C24，叠加电容C13与C24构成差分电容结构。
5.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述第一敏感结构(3)、第二敏感结构(6)为偏转结构，其中，所述第一敏感结构(3)重心偏移的方向与第二敏感结构(6)重心偏移的方向相同；C1电容结构与C4电容结构形成叠加电容C14；C2电容结构与C3电容结构形成叠加电容C23，叠加电容C14与C23构成差分电容结构。
6.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述第一敏感结构(3)为加速度计结构，所述第二敏感结构(6)为陀螺仪结构；或者所述第一敏感结构(3)为陀螺仪结构，所述第二敏感结构(6)为加速度计结构。
7.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述衬底(1)上还设有贯通第一容腔和第二容腔的气压导通孔。
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