CN109292726A - 一种全硅环境隔离mems器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种全硅环境隔离MEMS器件，包括隔离硅片,隔离硅片上方依次设有形成配合的衬底SOI硅片、敏感结构硅片与硅盖帽，隔离硅片、衬底SOI硅片与敏感结构硅片相互之间晶圆级硅硅直接键合；隔离硅片的中部蚀刻有加热电阻图形，使隔离硅片中部形成加热电阻；隔离硅片的四周蚀刻有悬臂梁图形，使隔离硅片四周形成悬臂梁；敏感结构硅片上制备有MEMS敏感可动结构，敏感结构硅片上还蚀刻有温度传感电阻；硅盖帽顶面集成有MEMS结构处理电路与温度控制电路；温度传感电阻采集加热电阻的温度，并将温度反馈给温度控制电路，温度控制电路根据温度传感电阻反馈的温度对加热电阻进行闭环加热控制；整个器件可实现高性能指标，极大提高了环境适应性。

Description

一种全硅环境隔离MEMS器件
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，具体是一种全硅环境隔离MEMS器件。
背景技术
微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems,MEMS）是在微电子制造技术基础上发展起来的一门跨学科技术，利用光刻、刻蚀、成膜、键合等微细加工手段形成电子机械结构，融合了电子、材料、机械、物理、化学、生物等多种领域。MEMS以其小型化、低功耗、批量化生产、成本低等诸多优点吸引了人们的广泛关注，在消费电子、汽车电子、智能终端、物联网、生物医学、国防技术等领域有广泛应用。
目前，硅基MEMS器件占据了整个MEMS行业的大部分市场份额，尤其是硅基MEMS惯性器件已经应用到日常生活的方方面面，MEMS器件在一般民用市场已经非常成熟。但对于高端应用领域，通常应用环境比较复杂，涉及高低温、振动、冲击等，MEMS器件表现出来的环境适应性还难以满足应用需求。
通常MEMS器件中都包含了可动结构，可动结构一般也是利用硅材料制备。由于硅材料的杨氏模量等物理参数随温度变化会有明显的改变，导致可动结构的各方面参数也随之变化，致使硅MEMS器件性能指标对工作温度比较敏感，这就限制了MEMS器件在高端领域的应用。另外，敏感可动结构对外界的振动冲击等也非常敏感，导致器件在振动冲击环境中指标偏离或者失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全硅环境隔离MEMS器件，该MEMS器件为全硅结构，具有恒温温控功能，且能够隔离振动冲击，提高MEMS器件的环境适应性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种全硅环境隔离MEMS器件，包括隔离硅片,隔离硅片上方依次设有形成配合的衬底SOI硅片、敏感结构硅片与硅盖帽，隔离硅片、衬底SOI硅片与敏感结构硅片相互之间晶圆级硅硅直接键合；
所述隔离硅片的中部蚀刻有加热电阻图形，使隔离硅片中部形成加热电阻；加热电阻两端设有压焊点；隔离硅片的四周蚀刻有悬臂梁图形，使隔离硅片四周形成悬臂梁；
敏感结构硅片上制备有MEMS敏感可动结构，敏感结构硅片上还蚀刻有温度传感电阻；
硅盖帽顶面集成有MEMS结构处理电路与温度控制电路；MEMS结构处理电路用于控制MEMS器件工作；温度控制电路分别与加热电阻及温度传感电阻相键合，温度传感电阻采集MEMS器件结构的温度，并将温度反馈给温度控制电路，温度控制电路根据温度传感电阻反馈的温度对加热电阻进行闭环加热控制。
进一步的，所述MEMS器件还包括封装管壳，封装管壳顶部设有封装盖板，封装腔体内形成真空封装；封装管壳的腔体内设有热隔离基板，热隔离基板的顶面与底面分别设有四个粘接柱，粘接柱分布于热隔离基板的四角；所述隔离硅片的悬臂梁通过锚点与热隔离基板顶面的四个粘接柱相粘接；热隔离基板底面的四个粘接柱与封装管壳的内腔底面相粘接。
本发明的有益效果是，采用全硅工艺，工艺应力低，单芯片集成了MEMS敏感结构、MEMS结构处理电路与温度控制电路、环境隔离结构，加热电阻、温度传感电阻均在隔离硅片上形成，为单晶硅材料，工艺兼容性好，工艺加工简单；整个器件采用降低热对流和热传导损失的管壳封装方式；工作时，温度控制电路控制加热电阻将整个MEMS芯片结构加热到超过环境要求的最高温度进行恒温控制，不管环境温度如何变化，始终保持MEMS器件温度不变；悬臂梁构成的弹性结构可以吸收大部分振动冲击，起到振动冲击隔离的作用，提高MEMS器件的环境适应性；整个器件可实现高性能指标，极大提高了环境适应性，并具有体积小、功耗低、成本低、可批量化制造等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的仰视图；
图4是本发明的封装示意图。
具体实施方式
结合图1～3所示，本发明提供一种全硅环境隔离MEMS器件，包括隔离硅片1,隔离硅片1上方依次设有形成配合的衬底SOI硅片2、敏感结构硅片3与硅盖帽4，隔离硅片1、衬底SOI硅片2与敏感结构硅片3相互之间晶圆级硅硅直接键合；
隔离硅片1的中部蚀刻有加热电阻图形1a，加热电阻图形1a可以是矩形、U形或者蛇形等形状，使隔离硅片1中部形成加热电阻4；加热电阻4两端设有压焊点4a；隔离硅片1的四周蚀刻有悬臂梁图形1b，使隔离硅片四周形成悬臂梁5；
敏感结构硅片3上制备有MEMS敏感可动结构3a以及MEMS器件PAD3b，敏感结构硅片3上还蚀刻有温度传感电阻6；
硅盖帽13顶面集成有MEMS结构处理电路与温度控制电路7,以及对应的电路PAD7a，MEMS结构处理电路用于控制MEMS器件工作；温度控制电路分别与加热电阻4及温度传感电阻6相键合，温度传感电阻6采集MEMS器件结构的温度，并将温度反馈给温度控制电路，温度控制电路根据温度传感电阻反馈的温度对加热电阻进行闭环加热控制。
结合图4所示，MEMS器件还包括封装管壳8，封装管壳8顶部设有封装盖板9，封装管壳8的腔体内设有热隔离基板10，热隔离基板10的顶面设有四个上粘接柱10a、热隔离基板10的底面设有四个下粘接柱10b，四个上粘接柱10a以及四个下粘接柱10b均分别分布于热隔离基板10的四角；所述隔离硅片1的悬臂梁5通过锚点5a与热隔离基板10顶面的四个上粘接柱10a相粘接；热隔离基板10底面的四个下粘接柱10b与封装管壳8的内腔底面相粘接。MEMS器件PAD3b、电路PAD7a、压焊点4a分别通过键合引线12与封装管壳8内的键合点11相键合。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，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做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种全硅环境隔离MEMS器件，其特征在于，包括隔离硅片,隔离硅片上方依次设有形成配合的衬底SOI硅片、敏感结构硅片与硅盖帽，隔离硅片、衬底SOI硅片与敏感结构硅片相互之间晶圆级硅硅直接键合；
所述隔离硅片的中部蚀刻有加热电阻图形，使隔离硅片中部形成加热电阻；加热电阻两端设有压焊点；隔离硅片的四周蚀刻有悬臂梁图形，使隔离硅片四周形成悬臂梁；
敏感结构硅片上制备有MEMS敏感可动结构，敏感结构硅片上还蚀刻有温度传感电阻；
硅盖帽顶面集成有MEMS结构处理电路与温度控制电路；MEMS结构处理电路用于控制MEMS器件工作；温度控制电路分别与加热电阻及温度传感电阻相键合，温度传感电阻采集MEMS器件结构的温度，并将温度反馈给温度控制电路，温度控制电路根据温度传感电阻反馈的温度对加热电阻进行闭环加热控制。
2.根据权利要求1所述的一种全硅环境隔离MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件还包括封装管壳，封装管壳顶部设有封装盖板，封装管壳的腔体内设有热隔离基板，热隔离基板的顶面与底面分别设有四个粘接柱，粘接柱分布于热隔离基板的四角；所述隔离硅片的悬臂梁通过锚点与热隔离基板顶面的四个粘接柱相粘接；热隔离基板底面的四个粘接柱与封装管壳的内腔底面相粘接。
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