CN111649782A - 单片集成多轴mems传感器制成平台及其制造方法 - Google Patents

单片集成多轴mems传感器制成平台及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单片集成多轴MEMS传感器制成平台及其制造方法，属于传感器制造领域。其技术方案要点是包括平台和多轴MEMS传感器，平台包括带有通气孔的石英基底，带有凹腔和支撑柱的双层SOI圆片，结构圆片，以及带有凹腔、贯穿硅通孔和金属引线的盖板圆片。石英基底、双层SOI圆片、结构圆片和盖板圆片从下至上通过粘合堆叠的方式逐层设置，多轴MEMS传感器包括陀螺仪、加速度计、压力传感器和温度传感器。本发明的优点在于多种传感器可以集成在一个平台上，以获得更小的器件尺寸和更低的成本，同时提高集成器件的性能。

Description

单片集成多轴MEMS传感器制成平台及其制造方法
技术领域
本发明涉及传感器制造技术领域，特别涉及一种单片集成多轴MEMS传感器制成平台及其制造方法。
背景技术
微电子机械(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)惯性传感器是导航定位和姿态控制的重要部件，具有自主导航、不易受干扰以及实时输出等优点，在国防建设、航空航天以及工业机器人和汽车电子等领域具有非常广阔的应用前景。MEMS惯性传感器包括测量加速度的MEMS加速度计和测量角度变化的角速度传感器，也就是MEMS陀螺仪。对于一个运动的物体，利用MEMS加速度计测量得到其加速度后，通过随时间的积分运算就能得到物体的速度以及位移，再结合MEMS陀螺仪测量得到的角度信息，就能精确记录物体的轨迹，进而能够对物理进行姿态控制和定位导航。同时MEMS加速计具有体积小、重量轻、成本低和可靠性高等许多优点，因此MEMS加速度计被广泛地应用于汽车电子、工业控制、自动化和航空航天等领域。
压力传感器是将外界压力或压强信号转化为电信号的装置，在现代工业和军事中都具有广泛的应用。依据检测原理，MEMS压力传感器可以分为电容式、压电式、压阻式以及谐振式等四大类。MEMS谐振式压力传感器是目前长期稳定性最好、测量精度最高的压力传感器之一。MEMS谐振式压力传感器通过测量传感器固有频率的变化来测量外界压力的大小，并通过数字信号输出，可以与计算机组成高精度、高稳定性的微型机电控制测量系统。
目前，多轴传感器的单片集成是MEMS领域的一个主要发展方向。在多轴传感器平台中，多个MEMS传感器(MEMS加速度计、陀螺仪、压力传感器及温度传感器等)被集成于单个芯片，以获得更小的器件尺寸和更低的成本。目前，多轴传感器单片集成平台，主要是针对消费产品，将电容式或者压阻式传感器集成在一起，然而电容式和压阻式传感器性能较低，无法满足工业电子和航空航天等高端产品的需求，亟待研发出一种高性能多轴传感器的单片集成制成平台。
发明内容
本发明的目的是提供一种单片集成多轴MEMS传感器制成平台及其制造方法，其优点在于多种传感器可以集成在一个平台上，以获得更小的器件尺寸和更低的成本，同时提高集成器件的性能。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种单片集成多轴MEMS传感器制成平台，包括平台和多轴MEMS传感器，平台包括带有通气孔的石英基底，带有凹腔和支撑柱的双层SOI圆片，结构圆片，以及带有凹腔、贯穿硅通孔和金属引线的盖板圆片，所述石英基底、双层SOI圆片、结构圆片和盖板圆片从下至上通过粘合堆叠的方式逐层设置，其中双层SOI圆片和盖板圆片具有凹腔，双层SOI圆片的凹腔、结构圆片和盖板圆片的凹腔形成一个用于容纳多轴MEMS传感器的密封的真空腔室，所述结构圆片上刻蚀有可动结构和固定结构，所述多轴MEMS传感器包括陀螺仪、加速度计、压力传感器和温度传感器。
进一步的，所述双层SOI圆片包括双层SOI圆片底层硅、双层SOI圆片中间层硅和双层SOI圆片顶层硅，双层SOI圆片的正面设置有凹腔和支撑柱，并且凹腔的深度和支撑柱的高度不超过双层SOI顶层硅的厚度；双层SOI圆片的背面设置有凹腔，凹腔的深度不超过双层SOI底层硅的厚度。
进一步的，所述结构圆片具有可动结构和固定结构，可动结构位于双层SOI圆片凹腔正上方，固定结构位于支撑柱正上方并且通过支撑柱固定，盖板圆片背面具有凹腔，凹腔位于结构圆片可动结构的正上方。
进一步的，所述压力传感器位于双层SOI圆片正面凹腔上方，双层SOI圆片中间层硅具有的压力传感器为压力敏感薄膜，石英基底的通气孔位于压力传感器压力敏感薄膜正下方，支撑柱的高度和压力敏感薄膜的厚度共同决定了压力传感器的压力灵敏度。
进一步的，所述石英基底的热膨胀系数为0.5pmm/℃。
进一步的，所述压力传感器为双端固支音叉式结构，所述温度传感器为弯曲模态谐振器、或扭转模态谐振器、或者体模态谐振器，所述陀螺仪为音叉式振动式陀螺仪、或圆盘状陀螺仪，或圆环状陀螺仪。
进一步的，所述陀螺仪为静电驱动-电容检测或静电驱动-压阻检测MEMS振动式陀螺仪，所述加速度计为电容检测或压阻检测或谐振频率检测MEMS加速度计，所述压力传感器为电容检测或者压阻检测或谐振频率检测MEMS压力传感器，所述温度传感器为谐振频率检测MEMS温度传感器。
一种如权利要求1的单片集成多轴MEMS传感器制成平台的制造方法，包括以下步骤：
S1、提供一双层SOI圆片；
S2、双层SOI圆片正面采用湿法腐蚀的方法，制作出凹腔和支撑柱，并在双层SOI圆片的正面通过热氧化或者化学气相沉积生长或者沉积一层氧化硅；
S3、将结构圆片的背面与双层SOI圆片的正面通过圆片级键合的方式粘合在一起，并将结构圆片减薄、抛光到所需的厚度；
S4、利用深反应离子刻蚀工艺在结构圆片上刻蚀出多轴MEMS惯性传感器的可动结构和固定结构；
S5、在盖板圆片背面采用干法刻蚀的方法，制作出凹腔，将盖板圆片减薄、抛光到所需的厚度，并在盖板圆片的背面通过热氧化或者化学气相沉积生长或者沉积一层氧化硅；
S6、将盖板圆片背面与结构圆片的正面通过圆片级键合的方式粘合在一起；
S7、在盖板圆片正面和双层SOI圆片背面分别刻蚀或者腐蚀出贯穿硅通孔和凹腔，并在盖板圆片的正面和双层SOI圆片背面通过热氧化或者化学气相沉积生长或者沉积一层氧化硅；
S8、在双层SOI圆片背面键合一层石英基底；
S9、在贯穿硅通孔底部刻蚀氧化层露出部分结构圆片，形成电学连接孔，并在压力传感器区域的石英基底刻蚀出通气孔；
S10、通过沉积和刻蚀金属薄膜制作出金属引线和金属焊盘。
进一步的，在步骤S6中，圆片级键合方式是熔融键合，或金-硅/铝-锗/金-锡共晶键合，或金-金/铜-铜热压键合
进一步的，在步骤S6中，圆片级键合方式是熔融键合，或金-硅/铝-锗/金-锡共晶键合，或金-金/铜-铜热压键合。
进一步的，在步骤S8中，圆片级键合方式可以是等离子活化直接键合，或金-硅/铝-锗/金-锡共晶键合，或金-金/铜-铜热压键合。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.通过石英基底，带有凹腔和支撑柱的双层SOI圆片，带有可动结构和固定结构的结构圆片，以及带有凹腔、贯穿硅通孔和金属引线的盖板圆片的设置，双层SOI圆片中间层硅片的厚度就是压力敏感薄膜的厚度，这样可以确保硅微机械压力传感器的灵敏度的一致性和稳定性，有利于多种传感器协同工作；
2.双层SOI圆片上层硅片的厚度确保了压力敏感薄膜的双凸点结构在加工过程中高度的一致性，有利于减少对于传感器的干扰，提高传感器的性能；
3.石英基底的热膨胀系数0.5pmm/℃远低于单晶硅的热膨胀系数2.6pmm/℃，所以石英基底能够隔离封装应力，提高传感器的一致性和可靠性。
附图说明
图1是一双层SOI圆片的结构示意图；
图2是在双层SOI圆片正面腐蚀出凹腔和支撑柱之后的结构示意图；
图3是在双层SOI圆片正面键合结构圆片的结构示意图；
图4是在结构圆片上刻蚀出可动结构和固定结构的结构示意图；
图5是盖板圆片上刻蚀出凹腔之后的结构示意图；
图6是盖板圆片和结构圆片粘合之后的结构示意图；
图7是盖板圆片和双层SOI圆片制作出凹腔后的结构示意图；
图8是双层SOI圆片键合石英基底之后的结构示意图；
图9是盖板圆片加工出电学连接孔之后的结构示意图；
图10是平台加工出金属引线和金属焊盘之后的结构示意图；
图11是实施例2中单片集成多轴MEMS传感器制成平台的结构示意图。
图中，1、双层SOI圆片底层硅；2、氧化硅层一；3、双层SOI圆片中间层硅；4、氧化硅层二；5、双层SOI圆片顶层硅；6、氧化硅层三；7、结构圆片；8、氧化硅层四；9、盖板圆片；10、氧化硅层五；11、金属电极；12、氧化硅层六；13、石英基底。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向，“正面”在说明书附图中指代朝上的一面，“背面”在说明书附图中指代朝下的一面。为了更清楚地说明本发明和现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明实施例。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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，并获得其他的实施方式。
实施例1：一种单片集成多轴MEMS传感器制成平台，如图10所示，包括平台和多轴MEMS传感器，其中平台包括石英基底13、双层SOI圆片、结构圆片7进而盖板圆片9。石英基底13、双层SOI圆片、结构圆片7和盖板圆片9从下至上通过粘合堆叠的方式逐层设置。多轴MEMS传感器安装在平台中，多轴MEMS传感器陀螺仪、加速度计、压力传感器和温度传感器。
石英基底13上带有通气孔，并且通气孔对应压力传感器设置，有利于增加石英基底13的散热性能。石英基底13的热膨胀系数为0.5pmm/℃，石英基底13能够隔离封装应力，提高传感器的一致性和可靠性。
双层SOI圆片包括双层SOI圆片底层硅1、双层SOI圆片中间层硅3、双层SOI圆片顶层硅5，上述三者从下到上逐层布置。
双层SOI圆片底层硅1的正面沉积有氧化硅层一2，氧化硅层一2位于双层SOI圆片底层硅1和双层SOI圆片中间层硅3之间。双层SOI圆片底层硅1的背面沉积有氧化硅层六12，氧化硅层六12位于双层SOI圆片底层硅1和石英基底13之间。
双层SOI圆片中间层硅3的正面沉积有氧化硅层二4，氧化硅层二4位于双层SOI圆片中间层硅3和双层SOI圆片顶层硅5之间。
双层SOI圆片顶层硅5的正面沉积有氧化硅层三6，氧化硅层三6位于双层SOI圆片顶层硅5和结构圆片7之间。双层SOI圆片顶层硅5上制作出凹腔和支撑柱。
结构圆片7上刻蚀有多轴MEMS惯性传感器的可动结构和固定结构。结构圆片7的正面沉积有氧化硅层四8，氧化硅层四8位于结构圆片7和盖板圆片9之间。
可动结构位于双层SOI圆片凹腔正上方，固定结构位于支撑柱正上方并且通过支撑柱固定，固定结构位于支撑柱正上方并且通过支撑柱固定。
盖板圆片9的正面沉积有氧化硅层五10。盖板圆片9的正面设置有贯穿硅通孔和凹腔。盖板圆片9的凹腔和双层SOI圆片顶层硅5的凹腔用于容纳多轴MEMS传感器的密封的真空腔室。盖板圆片9的正面安装有金属电极11，金属电极11位于盖板圆片9的凹腔中。盖板圆片9的背面同样设置有凹腔，凹腔位于结构圆片7可动结构的正上方。
陀螺仪为音叉式振动式陀螺仪、或圆盘状陀螺仪，或圆环状陀螺仪。加速度计为电容检测或压阻检测或谐振频率检测MEMS加速度计。
压力传感器位于双层SOI圆片正面凹腔上方，双层SOI圆片中间层硅3具有的压力传感器为压力敏感薄膜，石英基底13的通气孔位于压力传感器压力敏感薄膜正下方，支撑柱的高度和压力敏感薄膜的厚度共同决定了压力传感器的压力灵敏度。压力传感器为电容检测或者压阻检测或谐振频率检测MEMS压力传感器。
温度传感器为谐振频率检测MEMS温度传感器。
单片集成多轴MEMS传感器制成平台的制造方法，包括以下步骤：
S1、图1所示，准备双层SOI圆片，双层SOI圆片包括双层SOI圆片底层硅1、氧化硅层一2、双层SOI圆片中间层硅3、氧化硅层二4和双层SOI圆片顶层硅5；
S2、图2所示，双层SOI圆片顶层硅5的正面采用湿法腐蚀的方法制作出凹腔和支撑柱，双层SOI圆片顶层硅5的正面通过热氧化或者化学气相沉积生长或者沉积一层氧化硅层三6；
S3、图3所示，将结构圆片7的背面与双层SOI圆片的正面通过圆片级键合的方式粘合在一起，并将结构圆片7减薄、抛光到所需的厚度；
S4、图4所示，利用深反应离子刻蚀工艺在结构圆片7上刻蚀出多轴MEMS惯性传感器的可动结构和固定结构。
S5、图5所示，盖板圆片9背面采用干法刻蚀的方法制作出凹腔，将盖板圆片9减薄、抛光到所需的厚度。并在盖板圆片9的背面通过热氧化或者化学气相沉积生长或者沉积一层氧化硅层四8。
S6、图6所示，盖板圆片9背面与结构圆片7的正面通过圆片级键合的方式粘合在一起，圆片级键合方式是熔融键合，或金-硅/铝-锗/金-锡共晶键合，或金-金/铜-铜热压键合。
S7、图7所示，在盖板圆片9正面和双层SOI圆片底层硅1分别刻蚀或者腐蚀出贯穿硅通孔和凹腔，盖板圆片9的正面通过热氧化或者化学气相沉积生长或者沉积一层氧化硅层五10；双层SOI圆片底层硅1的背面通过热氧化或者化学气相沉积生长或者沉积一层氧化硅层六12。
S8、图8所示，在双层SOI圆片背面键合一层石英基底13，圆片级键合方式可以是等离子活化直接键合，或金-硅/铝-锗/金-锡共晶键合，或金-金/铜-铜热压键合。
S9、图9所示，在盖板圆片9的贯穿硅通孔底部刻蚀氧化层露出部分结构圆片7，形成电学连接孔；在石英基底13的背面刻蚀出通气孔，通气孔位置对应安装压力传感器区域。
S10、图10所示，结构圆片7通过沉积和刻蚀金属薄膜制作出金属引线和金属焊盘，形成金属电极11，金属电极11位于盖板圆片9的凹腔中。
实施例2：如图11所示，与实施例1不同的地方在于，在制造方法的步骤S2中，采用干法刻蚀的方法在双层SOI圆片顶层硅5的正面制作出凹腔和支撑柱。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种单片集成多轴MEMS传感器制成平台，其特征在于：包括平台和多轴MEMS传感器，平台包括带有通气孔的石英基底(13)，带有凹腔和支撑柱的双层SOI圆片，结构圆片(7)，以及带有凹腔、贯穿硅通孔和金属引线的盖板圆片(9)，所述石英基底(13)、双层SOI圆片、结构圆片(7)和盖板圆片(9)从下至上通过粘合堆叠的方式逐层设置，其中双层SOI圆片和盖板圆片(9)具有凹腔，双层SOI圆片的凹腔、结构圆片(7)和盖板圆片(9)的凹腔形成一个用于容纳多轴MEMS传感器的密封的真空腔室，所述结构圆片(7)上刻蚀有可动结构和固定结构，所述多轴MEMS传感器包括陀螺仪、加速度计、压力传感器和温度传感器。
2.根据权利要求1所述的单片集成多轴MEMS传感器制成平台，其特征在于：所述双层SOI圆片包括双层SOI圆片底层硅(1)、双层SOI圆片中间层硅(3)和双层SOI圆片顶层硅(5)，双层SOI圆片的正面设置有凹腔和支撑柱，并且凹腔的深度和支撑柱的高度不超过双层SOI顶层硅的厚度；双层SOI圆片的背面设置有凹腔，凹腔的深度不超过双层SOI底层硅的厚度。
3.根据权利要求1所述的单片集成多轴MEMS传感器制成平台，其特征在于：所述结构圆片(7)具有可动结构和固定结构，可动结构位于双层SOI圆片凹腔正上方，固定结构位于支撑柱正上方并且通过支撑柱固定，盖板圆片(9)背面具有凹腔，凹腔位于结构圆片(7)可动结构的正上方。
4.根据权利要求1所述的单片集成多轴MEMS传感器制成平台，其特征在于：所述压力传感器位于双层SOI圆片正面凹腔上方，双层SOI圆片中间层硅(3)具有的压力传感器为压力敏感薄膜，石英基底(13)的通气孔位于压力传感器压力敏感薄膜正下方，支撑柱的高度和压力敏感薄膜的厚度共同决定了压力传感器的压力灵敏度。
5.根据权利要求1所述的单片集成多轴MEMS传感器制成平台，其特征在于：所述石英基底(13)的热膨胀系数为0.5pmm/℃。
6.根据权利要求1所述的单片集成多轴MEMS传感器制成平台，其特征在于：所述压力传感器为双端固支音叉式结构，所述温度传感器为弯曲模态谐振器、或扭转模态谐振器、或者体模态谐振器，所述陀螺仪为音叉式振动式陀螺仪、或圆盘状陀螺仪，或圆环状陀螺仪。
7.根据权利要求1所述的单片集成多轴MEMS传感器制成平台，其特征在于：所述陀螺仪为静电驱动-电容检测或静电驱动-压阻检测MEMS振动式陀螺仪，所述加速度计为电容检测或压阻检测或谐振频率检测MEMS加速度计，所述压力传感器为电容检测或者压阻检测或谐振频率检测MEMS压力传感器，所述温度传感器为谐振频率检测MEMS温度传感器。
8.一种如权利要求1的单片集成多轴MEMS传感器制成平台的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、提供一双层SOI圆片；
S2、双层SOI圆片正面采用湿法腐蚀的方法，制作出凹腔和支撑柱，并在双层SOI圆片的正面通过热氧化或者化学气相沉积生长或者沉积一层氧化硅；
S3、将结构圆片(7)的背面与双层SOI圆片的正面通过圆片级键合的方式粘合在一起，并将结构圆片(7)减薄、抛光到所需的厚度；
S4、利用深反应离子刻蚀工艺在结构圆片(7)上刻蚀出多轴MEMS惯性传感器的可动结构和固定结构；
S5、在盖板圆片(9)背面采用干法刻蚀的方法，制作出凹腔，将盖板圆片(9)减薄、抛光到所需的厚度，并在盖板圆片(9)的背面通过热氧化或者化学气相沉积生长或者沉积一层氧化硅；
S6、将盖板圆片(9)背面与结构圆片(7)的正面通过圆片级键合的方式粘合在一起；
S7、在盖板圆片(9)正面和双层SOI圆片背面分别刻蚀或者腐蚀出贯穿硅通孔和凹腔，并在盖板圆片(9)的正面和双层SOI圆片背面通过热氧化或者化学气相沉积生长或者沉积一层氧化硅；
S8、在双层SOI圆片背面键合一层石英基底(13)；
S9、在贯穿硅通孔底部刻蚀氧化层露出部分结构圆片(7)，形成电学连接孔，并在压力传感器区域的石英基底(13)刻蚀出通气孔；
S10、通过沉积和刻蚀金属薄膜制作出金属引线和金属焊盘。
9.根据权利要求8所述的单片集成多轴MEMS惯性传感器制成平台的制作方法，其特征在于：在步骤S6中，圆片级键合方式是熔融键合，或金-硅/铝-锗/金-锡共晶键合，或金-金/铜-铜热压键合。
10.根据权利要求8所述的单片集成多轴MEMS惯性传感器制成平台的制作方法，其特征在于：在步骤S8中，圆片级键合方式可以是等离子活化直接键合，或金-硅/铝-锗/金-锡共晶键合，或金-金/铜-铜热压键合。
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