CN104950137B - 具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片 - Google Patents

Abstract

具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片，包括：传感器本体；应力隔离元件，应力隔离元件包括一对横向设置的隔离梁和设置于所述隔离梁之间的隔离框，所述隔离梁两端与所述传感器本体相连，所述隔离框通过连接部与所述隔离梁相连；敏感元件，敏感元件包括质量块和一对横向设置的挠性梁，所述挠性梁连接所述质量块和所述隔离框；压敏电阻，压敏电阻以所述质量块的中心为对称中心对称设置于所述质量块的两侧，且位于连接部的宽度范围内；设置于所述传感器本体上的金属焊盘，所述压敏电阻通过引线与所述金属焊盘相连。本发明的传感器芯片具有结构合理，封装工艺简单，稳定性高，便于大规模、低成本生产的特点。

Description

具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片

技术领域

本发明属于微机械电子技术领域，尤其涉及一种具有封装应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片。

背景技术

微型加速度传感器作为世界销售量第二大的传感器产品，已经广泛应用于汽车安保、消费电子产品、工业自动化等领域，具有广泛的市场需求。用于高速变化加速度信号精确检测的加速度传感器作为诸多超高速、高速装备的核心检测部件，在高端制造装备、超高速武器、高速轨道交通等领域具有迫切的需求。随着MEMS(Micro-electromechanicalSystem)技术的进步和新材料及新工艺的发展，基于MEMS技术的加速度传感器的研究也日新月异。基于不同转换原理，目前已经出现了包括电容式、谐振式、热对流式及压阻式等众多类型的微型加速度传感器，这些不同类型的传感器各有优缺点。而对于同一转换原理的传感器，敏感结构的变化又丰富了传感器具有的性能，进一步细化了其应用范围。

作为最早开发的硅微加速度传感器，压阻式加速度传感器具有结构简单、易集成、功耗小、使用和维护简单等优点，适于大规模使用和广泛应用。然而，在加速度传感器研制和生产过程中，封装是MEMS传感器从芯片转变为可用器件的最后作业流程，为微芯片提供可靠的物理保护和电气接口。但封装在提供工作接口的同时，也向传感器系统带来了新的误差源，其中封装应力是最为典型的干扰源。当应用环境温度发生变化时，传感器中由封装热失配产生的应力可能会发生数倍的变化，严重影响影响传感器的零位和测试精度。然而，为了减小封装应力的影响而对封装的工艺或技术进行再设计，往往只针对某一种传感器，不具有广泛适用性，从而进一步增加了传感器封装的设计、实现成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以阻止封装时产生的干扰应力向传感器芯片的敏感元件及压敏电阻传导的加速度传感器芯片，提高传感器测量性能的稳定性，保证传感器精度。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片，包括：传感器本体，所述传感器本体中部设置通槽；设置于所述传感器本体通槽内的应力隔离元件，所述应力隔离元件包括一对横向设置的隔离梁和设置于所述隔离梁之间的隔离框，所述隔离梁两端与所述传感器本体相连，所述隔离框通过连接部与所述隔离梁相连，所述连接部宽度方向的中心线与隔离框宽度方向的中心线重合；设置于所述隔离框内的敏感元件，所述敏感元件包括质量块和一对横向设置的挠性梁，所述挠性梁连接所述质量块和所述隔离框，所述质量块的横向中心线与所述挠性梁的横向中心线重合；设置于所述质量块和所述隔离框之间的压敏电阻，所述压敏电阻以所述质量块的中心为对称中心对称设置于所述质量块的两侧，且位于连接部的宽度范围内；设置于所述传感器本体上的金属焊盘，所述压敏电阻通过引线与所述金属焊盘相连。

作为本发明具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片的一种改进，所述隔离框的壁厚小于所述隔离梁的宽度。

作为本发明具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片的一种改进，所述挠性梁的宽度小于其厚度。

作为本发明具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片的一种改进，所述质量块的厚度和所述隔离框、隔离梁的厚度相同，且比所述传感器本体的厚度小。

作为本发明具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片的一种改进，所述质量块的厚度和所述隔离框、隔离梁的厚度比所述传感器本体的厚度小5-10μm。

作为本发明具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片的一种改进，所述压敏电阻包括第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻，所述第一压敏电阻、第三压敏电阻分布于所述质量块的一侧，所述第二压敏电阻、第四压敏电阻分布于所述质量块的另一侧，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻通过引线相互连接组成半开环式惠斯通全桥电路。

作为本发明具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片的一种改进，所述第一压敏电阻和第三压敏电阻位于一组相对的桥臂，所述第二压敏电阻和第四压敏电阻位于另一组相对的桥臂。

根据以上技术方案可知，本发明通过在传感器本体内设置应力隔离元件，将敏感元件设置于应力隔离元件中，通过隔离梁和隔离框阻止传感器芯片封装过程中干扰应力向压敏电阻和敏感元件传导，提高了传感器的测量精度和工作稳定性，降低了传感器芯片对封装工艺和材料的要求，简化了传感器芯片的封装工艺，降低了封装成本，从而该传感器芯片更适于进行低成本、大规模生产。本发明的传感器芯片具有结构合理，封装工艺简单，稳定性高，便于大规模、低成本生产的特点。

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需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例传感器芯片的俯视图；

图3为本发明实施例传感器芯片的仰视图；

图4为沿图1中A-A线的剖视图；

图5为本发明实施例传感器芯片隔离元件的结构示意图；

图6为本发明实施例质量块的结构示意图；

图7为设置了压敏电阻的质量块的结构示意图；

图8为本发明实施例压敏电阻的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1至图4所示，本实施例的横向敏感加速度传感器芯片包括传感器本体1、敏感元件2、应力隔离元件3、压敏电阻4及金属焊盘5。传感器本体1为矩形，传感器本体1中间开有通槽，使传感器本体1呈口字形。为了便于说明，将传感器本体的长度方向定义为横向，即图2中的中心线为横向中心线。应力隔离元件3设置于传感器本体1内，应力隔离元件3包括一对隔离梁3-1以及设置于隔离梁3-1之间的隔离框3-2。隔离梁3-1横向设置于传感器本体1的开槽内并与传感器本体1相连，隔离框3-2设置于两隔离梁3-1之间，并通过连接部3-3与隔离梁3-1相连。连接部3-3的中心线与隔离框3-2宽度方向的中心线重合(图5)。隔离框3-2通过连接部3-3和隔离梁3-1悬空设置于传感器本体1内。优选的，使隔离框3-2的壁厚d2小于隔离梁3-1的宽度d1(图5)，以保证封装应力的隔离效果。

敏感元件2设置于隔离框3-2内。同时结合图6和图7，敏感元件2包括质量块2-1和一对横向设置的挠性梁2-2，质量块2-1设置于两挠性梁2-2之间，挠性梁2-2一端与隔离框3-2相连、另一端与质量块2-1相连，使质量块2-1悬空设置于隔离框3-2内。质量块2-1横向中心线与挠性梁2-2的横向中心线重合。本发明的传感器本体1、敏感元件2和应力隔离元件3均为以横向中心线为对称轴的对称结构，三者的横向中心线重合。优选的，使挠性梁2-2的宽度w小于其厚度h，以保证传感器处于横向敏感状态。敏感元件2(质量块)的厚度l2和应力隔离元件3(隔离框、隔离梁)的厚度l1相同(图4)，且比传感器本体1的厚度l3小5-10μm，以使敏感元件2和应力隔离元件3在芯片封装后仍处于悬空状态，从而保证传感器能够正常工作。

压敏电阻4设置于质量块2-1与隔离框3-2之间，本实施例共设置了4根压敏电阻，分别为：第一压敏电阻4-1、第二压敏电阻4-2、第三压敏电阻4-3及第四压敏电阻4-4。压敏电阻两两设置于质量块2-1的两侧，且以质量块2-1的中心为对称中心对称布置。压敏电阻位于硅晶体相同的晶向。压敏电阻4一端与隔离框3-2相连、另一端与质量块2-1相连，同侧布置的一对压敏电阻位于连接部3-3的宽度s范围内(图2中阴影区域)。将压敏电阻设置于连接部的宽度s范围内，可以进一步减小干扰应力作用时隔离框的变形，限制干扰应力向压敏电阻传递，增强隔离效果。

结合图7和图8所示，第一压敏电阻4-1、第三压敏电阻4-3分布于质量块2-1同一侧，第二压敏电阻4-2、第四压敏电阻4-4分布于质量块2-1的另一侧。第一压敏电阻4-1、第二压敏电阻4-2、第三压敏电阻4-3和第四压敏电阻4-4分别通过传感器本体1上的金属引线6相互连接组成半开环式惠斯通全桥电路，并通过布置于传感器本体1的金属焊盘5实现与外界的电气连接。为了保证传感器输出正常，组桥时应保证第一压敏电阻4-1和第三压敏电阻4-3位于一组相对的桥臂，第二压敏电阻4-2和第四压敏电阻4-4位于另一组相对的桥臂，电桥的激励电压和输出信号均通过金属焊盘5来传导。

本发明横向敏感加速度传感器芯片的采用半导体硅的压阻效应作为敏感原理，当压敏电阻4受到应力作用，其阻值将产生变化。其工作原理为：当传感器芯片受到沿SA方向的加速度作用时(图2)，根据牛顿定律，质量块2-1将受到一个与所施加的加速度成正比的惯性力作用，致使其产生一定的位移；由于压敏电阻4与质量块2-1相连，作用于质量块2-1的惯性力导致四根压敏电阻4受到拉应力或压应力，在质量块2-1的带动下发生变形，从而在压敏电阻4中产生应力，第一压敏电阻4-1、第二压敏电阻4-2、第三压敏电阻4-3和第四压敏电阻4-4的电阻阻值则发生相应变化，进而破坏惠斯通电桥的平衡，引起惠斯通电桥输出一个电压值，该电压与其所承受的加速度值成正比，从而实现了将物理量的加速度转换为便于采集与测量的电压信号。

本发明通过在传感器本体中设置应力隔离元件，在芯片受到封装所产生的干扰应力作用时，应力隔离结构通过自身的变形将干扰应力消减，防止其影响传感器精度，同时通过应力隔离元件使传感器芯片的敏感元件和压敏电阻相对传感器本体悬空，保证传感器的测量性能不会因应力隔离元件的引入而受到影响，提高了传感器芯片对封装应力的抵抗能力，简化了芯片的封装工艺，降低了传感器的设计和制造成本。

而且本发明的压敏电阻没有布置于支撑质量块的挠性梁上，而是作为独立单元位于质量块两侧，从而使得传感器在保证一定响应频率的前提下获得更高的测量灵敏度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片，其特征在于，包括：

传感器本体，所述传感器本体中部设置通槽；

设置于所述传感器本体通槽内的应力隔离元件，所述应力隔离元件包括一对横向设置的隔离梁和设置于所述隔离梁之间的隔离框，所述隔离梁相互平行且分别位于所述隔离框宽度方向上的两侧，所述隔离梁两端与所述传感器本体相连，所述隔离框通过连接部与所述隔离梁相连，所述连接部宽度方向的中心线与隔离框宽度方向的中心线重合；

设置于所述隔离框内的敏感元件，所述敏感元件包括质量块和一对横向设置的挠性梁，所述挠性梁连接所述质量块和所述隔离框，所述质量块的横向中心线与所述挠性梁的横向中心线重合；

设置于所述质量块和所述隔离框之间的压敏电阻，所述压敏电阻以所述质量块的中心为对称中心对称设置于所述质量块的两侧，且位于连接部的宽度范围内；

设置于所述传感器本体上的金属焊盘，所述压敏电阻通过引线与所述金属焊盘相连。

2.如权利要求1所述的具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片，其特征在于：所述隔离框的壁厚小于所述隔离梁的宽度。

3.如权利要求1所述的具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片，其特征在于：所述挠性梁的宽度小于其厚度。

4.如权利要求1所述的具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片，其特征在于：所述质量块的厚度和所述隔离框、隔离梁的厚度相同，且比所述传感器本体的厚度小。

5.如权利要求4所述的具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片，其特征在于：所述质量块的厚度和所述隔离框、隔离梁的厚度比所述传感器本体的厚度小5-10μm。

6.如权利要求1所述的具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片，其特征在于：所述压敏电阻包括第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻，所述第一压敏电阻、第三压敏电阻分布于所述质量块的一侧，所述第二压敏电阻、第四压敏电阻分布于所述质量块的另一侧，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻通过引线相互连接组成半开环式惠斯通全桥电路。

7.如权利要求6所述的具有应力隔离结构的横向敏感加速度传感器芯片，其特征在于：所述第一压敏电阻和第三压敏电阻位于一组相对的桥臂，所述第二压敏电阻和第四压敏电阻位于另一组相对的桥臂。