CN104891418B - Mems压力传感器、mems惯性传感器集成结构 - Google Patents

Mems压力传感器、mems惯性传感器集成结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MEMS压力传感器、MEMS惯性传感器集成结构，包括形成于衬底上的绝缘层、均形成于绝缘层上的第一下电极和第二下电极，还包括与第一下电极构成气压敏感型电容器的第一上电极，以及与第二下电极构成基准电容器的第二上电极；还包括通过第三支撑部支撑在衬底上方的惯性敏感结构，以及与惯性敏感结构构成惯性传感器的惯性检测电容器的固定极板；其中还包括盖体，盖体将惯性敏感结构、固定极板构成的惯性检测电容器封装在衬底上。本发明的集成结构，将MEMS惯性传感器和MEMS压力传感器集成在同一衬底上，可有效减小芯片的面积，从而降低了芯片的成本；通过一次封装，即可完成整个芯片的封装，降低了芯片封装的成本。

Description

MEMS压力传感器、MEMS惯性传感器集成结构
技术领域
本发明涉及传感器领域，更具体地，涉及一种将MEMS压力传感器、MEMS惯性传感器集成在同一芯片上的集成结构。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，手机、笔记本电脑等电子产品的体积在不断减小，而且人们对这些便携电子产品的性能要求也越来越高，这就要求与之配套的电子零部件的体积也必须随之减小。
传感器作为测量器件，已经普遍应用在手机、笔记本电脑等电子产品上。在现有的工艺结构中，由于检测的原理不同，MEMS惯性传感器和MEMS压力传感器芯片一般是分立的，MEMS惯性传感器需要密闭的空间来保护其微细结构，而MEMS压力传感器的敏感结构需要与外界接触，两种器件分别基于不同的工艺平台上进行设计和加工，再利用不同的封装形式，形成独立的芯片。装配的时候，系统厂商将MEMS惯性传感器芯片和MEMS压力传感器芯片通过SMT的方式，贴装在同一个主板上，从而增加了芯片的成本，也增加了封装的成本。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种MEMS压力传感器、MEMS惯性传感器集成结构的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS压力传感器、MEMS惯性传感器集成结构，包括衬底、形成于所述衬底上的绝缘层、均形成于所述绝缘层上的第一下电极和第二下电极，还包括通过第一支撑部支撑在所述第一下电极上方的第一上电极，以及通过第二支撑部支撑在所述第二下电极上方的第二上电极；所述第一上电极为压力敏感膜，且所述第一上电极与所述第一下电极之间的腔体为密闭腔体，以使所述第一上电极与所述第一下电极构成压力传感器的气压敏感型电容器；所述第二上电极与所述第二下电极构成电容量不随外界气压变化的基准电容器；还包括通过第三支撑部支撑在衬底上方的惯性敏感结构，以及与惯性敏感结构构成惯性传感器的惯性检测电容器的固定极板；其中还包括盖体，所述盖体将惯性敏感结构、固定极板构成的惯性检测电容器封装在衬底上。
优选地，所述第二上电极也为压力敏感膜，所述基准电容器还包括用于限制所述第二上电极在外界气压作用下发生变形的限位结构。
优选地，所述基准电容器设置有用于支撑所述第二上电极的支撑柱，以形成所述限位结构。
优选地，所述基准电容器设置有压力平衡孔，所述基准电容器中位于第二上电极与第二下电极之间的腔体通过所述压力平衡孔与外界相通，以形成所述限位结构。
优选地，所述盖体还将第二上电极、第二下电极构成的基准电容器封装在衬底上。
优选地，所述第一上电极与所述第二上电极为一体结构。
优选地，所述第一支撑部、第二支撑部、第三支撑部具有相同的材质、相同的高度；所述第一上电极、第二上电极、惯性敏感结构具有相同的材质、相同的高度；所述第一下电极、第二下电极具有相同的材质、相同的高度。
优选地，所述第一上电极、第二上电极的下端面高于惯性敏感结构的下端面。
优选地，所述第一支撑部、第二支撑部、第三支撑部上分别设置有贯通孔，所述贯通孔内分别设有与第一上电极、第二上电极、惯性敏感结构电连接的导电材料，并在第一支撑部、第二支撑部、第三支撑部的下端形成多个相应的连接引线，该多个相应的连接引线通过绝缘层走线，并分别连接至衬底上的焊盘集中区。
优选地，所述固定极板设置在绝缘层上，并作为惯性检测电容器的第三下电极。
本发明的集成结构，将MEMS惯性传感器和MEMS压力传感器集成在同一衬底上，可有效减小芯片的面积，从而降低了芯片的成本；通过一次封装，即可完成整个芯片的封装，降低了芯片封装的成本。而且由于气压敏感型电容器与基准电容器所处的应用环境相同，因此能够对外界共模干扰产生基本一致的响应，这样，利用基准电容器的输出信号便可以至少部分地滤除气压敏感型电容器的输出信号中的共模干扰信号，进而提高了气压敏感型电容器输出信号的稳定性。
本发明的发明人发现，在现有技术中，系统厂商将MEMS惯性传感器芯片和MEMS压力传感器芯片通过SMT的方式，贴装在同一个主板上，从而增加了芯片的成本，也增加了封装的成本。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是本发明集成结构的结构示意图。
图2是本发明集成结构第二种实施方式的结构示意图。
图3是本发明集成结构第三种实施方式的结构示意图。
图4是本发明集成结构第四种实施方式的结构示意图。
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、图2，本发明提供了一种MEMS压力传感器、MEMS惯性传感器集成结构，其包括衬底1、形成于衬底1上的绝缘层2、均形成于绝缘层2上的第一下电极3a和第二下电极3b，还包括通过第一支撑部7a支撑在第一下电极3a上方的第一上电极4a，以及通过第二支撑部7b支撑在第二下电极3b上方的第二上电极4b；该第一上电极4a为压力敏感膜，且第一上电极4a与第一下电极3a之间的腔体为密闭腔体9a，以使第一上电极4a与第一下电极3a构成了压力传感器的气压敏感型电容器。在此，为了消除温度变化对气压敏感型电容器检测精度的影响，及为了便于获得绝对气压，该密闭腔体9a优选为真空腔体。而第二上电极4b与第二下电极3b构成电容量不随外界气压变化的基准电容器。
本发明的集成结构，还包括通过第三支撑部7c支撑在衬底1上方的惯性敏感结构4c，以及与惯性敏感结构4c构成惯性检测电容器的固定极板。其中，MEMS惯性传感器的惯性敏感结构4c对于本领域的技术人员来说，属于现有的技术，其具有对称的可动极板，可通过弹性梁结构连接在第三支撑部7c上。其中，在本发明一个具体的实施方式中，所述固定极板设置在绝缘层2上，其位于惯性敏感结构4c的下方，作为惯性检测电容器的第三下电极3c，从而使得该MEMS惯性传感器可以进行Z轴方向的检测。当然对于本领域的技术人员来说，也可设置与惯性敏感结构4c侧面相对的固定极板，使其与惯性敏感结构4c可以构成进行X轴、Y轴方向检测的惯性检测电容器。本发明的MEMS惯性传感器，可以是MEMS加速度计、MEMS陀螺仪及MEMS谐振器等惯性传感器。
本发明中，绝缘层2的作用是为了保证各部件与衬底1之间的绝缘，对于本领域的技术人员来说，如果衬底1本身可以采用绝缘的材料制成，则不再需要设置绝缘层2。
本发明的集成结构，还包括盖体8，所述盖体8将惯性敏感结构4c、固定极板构成的惯性检测电容器封装在衬底1上，参考图2、图3。其中该盖体8可以直接设置在位于衬底1上方的绝缘层2上，当然，为了保证工艺的一致性，可以在绝缘层2上设置第四支撑部7d，所述盖体8与第四支撑部7d连接在一起，共同围成封装惯性检测电容器的腔体。本发明的集成结构中，气压敏感型电容器中的第一上电极4a需要与外界环境接触才能发挥作用，而基准电容器的第二上电极4b则不需要与外界环境接触，因此，本发明的盖体8还可以将第二上电极4b、第二下电极3b构成的基准电容器封装在衬底1上，参考图1、图4。
本发明的集成结构，将MEMS惯性传感器和MEMS压力传感器集成在同一衬底上，可有效减小芯片的面积，从而降低了芯片的成本；通过一次封装工艺，即可完成整个芯片的封装，从而降低了芯片封装的成本。而且由于气压敏感型电容器与基准电容器所处的应用环境相同，因此能够对外界共模干扰信号产生基本一致的响应，这样，利用基准电容器的输出信号便可以至少部分地滤除气压敏感型电容器输出信号中的共模干扰信号，进而提高了气压敏感型电容器输出信号的稳定性。
本发明中，为了能够通过基本相同的工艺步骤制造形成上述气压敏感型电容器和基准电容器，及提高气压敏感型电容器和基准电容器对外界共模干扰的响应一致性，该第二上电极4b也可以采用压力敏感膜，在此，第一上电极4a与第二上电极4b可以相互独立，也可以为一体结构(即第一上电极4a和第二上电极4b为一张压力敏感膜)，参考图3。此时，为了避免第二上电极4b跟随外界气压变化而发生相应地变形，该基准电容器还应该包括用于限制第二上电极4b在外界气压作用下发生变形的限位结构。另外，该第二上电极4b也可以采用在本发明压力传感器的检测范围内不会发生变形的材料制成，该材料优选是使得第二上电极4b与第一上电极4a对于温度等非气压因素的变化的响应差异在压力传感器的允许误差范围内。
在本发明一个具体的实施方式中，如图1、图3、图4所示，上述限位结构如下：为基准电容器设置压力平衡孔12，使基准电容器中位于第二上电极4b与第二下电极3b之间的腔体9b通过压力平衡孔12与外界相通，这样，腔体9b内的气压将根据外界气压而发生相同的变化，实现通过压力平衡孔12限制第二上电极4b在外界气压作用下发生变形的目的，获得保持第二上电极4b各点的位置不变的效果。在此，该压力平衡孔12可以设置在第二上电极4b上，以简化压力传感器的制造工艺。当然如果可以，该压力平衡孔12可以设置在第二支撑部7b上，同样可以实现气压均衡的目的。
在本发明另一具体的实施方式中，如图2所示，上述限位结构也可以如下：设置支撑柱13，从而为第二上电极4b提供支撑，该支撑柱13可以设置在第二下电极3b上，但由于该支撑柱13需要采用绝缘材料，为了提高支撑柱13的连接强度，该支撑柱13也可以设置在绝缘层2上，这就需要在第二下电极3b上设置供支撑柱13穿过的通孔，以使支撑柱13穿过对应通孔向上延伸至第二上电极4b的位置。
本发明的集成结构，为了便于制造，所述第一支撑部7a、第二支撑部7b、第三支撑部7c、第四支撑部7d具有相同的材质、相同的高度，例如可采用二氧化硅材料；所述第一上电极4a、第二上电极4b、惯性敏感结构4c具有相同的材质、相同的高度，例如可采用单晶硅材料；所述第一下电极3a、第二下电极3b、第三下电极3c具有相同的材质、相同的高度，例如采用金属材料。这就使得上述各层允许通过逐层沉积或键合的方式设置，并通过图形化工艺形成各自的结构，由此可以使MEMS惯性传感器的制造工艺与MEMS压力传感器的工艺完全兼容。更为重要的是，通过相同的材料、工艺、尺寸，可以使气压敏感型电容器与基准电容器具有基本相同的初始电容量，从而可以使气压敏感型电容器和基准电容器对外界共模干扰的响应基本一致，以最大程度地滤除气压敏感型电容器输出信号中的共模干扰信号，并消除基准电容器输出信号对气压敏感型电容器输出信号中有效信号的影响。
基于上述制造工艺的一致性，在本发明一个优选的实施方式中，为了提高气压敏感型电容器的灵敏度，同时为了保证气压敏感型电容器与基准电容器的一致性，使所述第一上电极4a、第二上电极4b的下端面高于惯性敏感结构4c的下端面。具体地，可通过将第一上电极4a、第二上电极4b的下端面刻蚀减薄来实现，由此，增大了密闭腔体9a、腔体9b的容积，在保证气压敏感型电容器与基准电容器一致性的同时，提高了气压敏感型电容器的灵敏度；同时，将第一上电极4a的下端面减薄，增大了第一上电极4a至第一下电极3a之间的距离，可以防止高压力输入的情况下，第一上电极4a与第一下电极3a粘在一起，以造成气压敏感型电容器的失效。
本发明中，需要将各个电极的信号引出，这可通过传统的引线来实现，在本发明提供的一种优选的实施方式中，参考图1，所述第一支撑部7a、第二支撑部7b、第三支撑部7c上分别设置有贯通孔，所述贯通孔内分别设有与第一上电极4a、第二上电极4b、惯性敏感结构4c电连接的导电材料6，从而可以将位于上方的电极的信号引到下端来，并在第一支撑部7a、第二支撑部7b、第三支撑部7c的下端形成多个相应的连接引线5，该多个相应的连接引线5连同各个下电极的引线可通过绝缘层2进行走线，并分别连接至衬底1上的焊盘集中区10中。例如可以设置绝缘层2具有多层的结构，以使多个连接引线5相互错开，这种走线的方式属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
本发明还提供了一种上述集成结构的制造方法，首先在衬底1上沉积绝缘层2，其中，衬底1可以采用单晶硅材料，绝缘层2可以采用二氧化硅材料；其次，在绝缘层2的上表面沉积金属层，并对该金属层进行刻蚀，形成焊盘集中区10、第一下电极3a、第二下电极3b、第三下电极3c；之后沉积另一绝缘层，并刻蚀形成第一支撑部7a、第二支撑部7b、第三支撑部7c、第四支撑部7d；将敏感膜层通过键合的方式键合在各个支撑部上，对该敏感膜层进行刻蚀，形成第一上电极4a、第二上电极4b以及惯性敏感结构4c。当然根据需要，可在刻蚀敏感膜层之前，首先在第一支撑部7a、第二支撑部7b、第三支撑部7c上刻蚀出贯通孔，键合敏感膜层后，将贯通孔位置的敏感膜层刻蚀掉，填充导电材料6，以便将第一上电极4a、第二上电极4b、惯性敏感结构4c的电信号引到下端，并通过绝缘层进行走线；在后续的工艺中，可在敏感膜层的上表面沉积另一金属层，并刻蚀形成位于导电材料6上方的导电焊盘以及位于第四支撑部7d上方的金属键合层11，最终，通过该金属键合层11可将盖体8键合在第四支撑部7d上。其中，为了保证结构尺寸的一致性，在对敏感膜层进行刻蚀的时候，可以保留第四支撑部7d上方的敏感膜层，并通过后续的金属键合层11与盖体8键合在一起。
需要说明的是，上述绝缘层2可以是一体的，也可以是包括分别对应气压敏感型电容器、基准电容器、惯性检测电容器的多个相互独立的子绝缘层；上述第一支撑部7a、第二支撑部7b、第三支撑部7c、第四支撑部7d采用绝缘材料，它们之间可以相互独立，也可以为一体结构。
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 (9)

1.一种MEMS压力传感器、MEMS惯性传感器集成结构，其特征在于：包括衬底(1)、形成于所述衬底(1)上的绝缘层(2)、均形成于所述绝缘层(2)上的第一下电极(3a)和第二下电极(3b)，还包括通过第一支撑部(7a)支撑在所述第一下电极(3a)上方的第一上电极(4a)，以及通过第二支撑部(7b)支撑在所述第二下电极(3b)上方的第二上电极(4b)；所述第一上电极(4a)为压力敏感膜，且所述第一上电极(4a)与所述第一下电极(3a)之间的腔体为密闭腔体(9a)，以使所述第一上电极(4a)与所述第一下电极(3a)构成压力传感器的气压敏感型电容器；所述第二上电极(4b)与所述第二下电极(3b)构成电容量不随外界气压变化的基准电容器；还包括通过第三支撑部(7c)支撑在衬底(1)上方的惯性敏感结构(4c)，以及与惯性敏感结构(4c)构成惯性传感器的惯性检测电容器的固定极板；其中还包括盖体(8)，所述盖体(8)将惯性敏感结构(4c)、固定极板构成的惯性检测电容器封装在衬底(1)上；
其中，所述第二上电极(4b)也为压力敏感膜，所述基准电容器还包括用于限制所述第二上电极(4b)在外界气压作用下发生变形的限位结构。
2.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于，所述基准电容器设置有用于支撑所述第二上电极(4b)的支撑柱(13)，以形成所述限位结构。
3.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于，所述基准电容器设置有压力平衡孔(12)，所述基准电容器中位于第二上电极(4b)与第二下电极(3b)之间的腔体(9b)通过所述压力平衡孔(12)与外界相通，以形成所述限位结构。
4.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于：所述盖体(8)还将第二上电极(4b)、第二下电极(3b)构成的基准电容器封装在衬底(1)上。
5.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于，所述第一上电极(4a)与所述第二上电极(4b)为一体结构。
6.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于，所述第一支撑部(7a)、第二支撑部(7b)、第三支撑部(7c)具有相同的材质、相同的高度；所述第一上电极(4a)、第二上电极(4b)、惯性敏感结构(4c)具有相同的材质、相同的高度；所述第一下电极(3a)、第二下电极(3b)具有相同的材质、相同的高度。
7.根据权利要求6所述的集成结构，其特征在于：所述第一上电极(4a)、第二上电极(4b)的下端面高于惯性敏感结构(4c)的下端面。
8.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于：所述第一支撑部(7a)、第二支撑部(7b)、第三支撑部(7c)上分别设置有贯通孔，所述贯通孔内分别设有与第一上电极(4a)、第二上电极(4b)、惯性敏感结构(4c)电连接的导电材料(6)，并在第一支撑部(7a)、第二支撑部(7b)、第三支撑部(7c)的下端形成多个相应的连接引线(5)，该多个相应的连接引线(5)通过绝缘层(2)走线，并分别连接至衬底(1)上的焊盘集中区(10)。
9.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于：所述固定极板设置在绝缘层(2)上，并作为惯性检测电容器的第三下电极(3c)。
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