CN111908419B - 一种三明治式mems器件结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三明治式MEMS器件结构，包括衬底电极层、结构层、盖板层。衬底电极层通过第一键合层与结构层键合，结构层通过第二键合层与盖帽层键合；衬底电极层上加工若干衬底电极，盖帽层上加工若干盖板电极，结构层上加工质量块、锚区及弹簧梁、激励电极、拾振电极；衬底电极层包括绝缘层等，质量块通过锚区及弹簧梁和质量块电极引线引出，激励电极、拾振电极分别通过衬底电极层上的对应的激励电极引线和拾振电极引线引出；本发明中质量块上下双侧电极结构即三明治式结构的设计，能避免质量块在其与衬底电极间的静电力以及应力的作用下，偏离平衡位置，从而使器件具有更好的一致性和温度稳定性。

Description

一种三明治式MEMS器件结构
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)制造技术领域，具体涉及一种MEMS器件结构。
背景技术
MEMS器件是近二十年来发展起来的一种新型微机械仪表，其利用半导体工艺加工技术加工微机械结构。一种典型的MEMS器件由可动质量块结构、弹簧梁、锚点、电极等构成，通过不同结构设计其可以实现对力、位移、角速度等物理量的测量，也可以实现谐振器、滤波器等功能，满足不同应用的需求。
谐振式MEMS器件通过激励电极和拾振电极控制可动MEMS质量块运动，从而满足某种特定的需求。MEMS陀螺和MEMS谐振加速度计是其中典型的代表。常见的谐振式MEMS传感器采用体硅MEMS工艺加工。其采用竖直方向的梳齿状变面积或变间隙的电容作为激励和拾振电极。这种梳齿状电极和MEMS质量块、弹簧梁等通过体硅MEMS工艺中的深反应离子刻蚀工艺加工。这种竖直方向上的电极仅能满足MEMS质量块在水平方向上的运动控制。
目前高性能的MEMS器件要求其具有良好的工作稳定性，对谐振MEMS器件来说，需对其运动状态进行精确的控制。传统的谐振式MEMS器件仅有水平方向上的运动检测和控制的电极，无法控制器件在竖直方向上的位移。当器件工作在不同温度条件下或受残余应力等作用下，器件会在竖直方向产生弯曲变形，从而影响器件的工作性能。
目前多轴集成MEMS惯性传感器已经成为一个重要的研究方向，传统的仅具有竖直方向电极的水平方向谐振式MEMS传感器并不能满足这种要求。因此急需突破现有结构设计，实现多轴集成MEMS惯性传感器。
现有MEMS器件结构的问题如下：
一是现有的双层或三层结构的MEMS器件，工作过程中位于结构层的质量块与衬底或盖板之间常存在高电平电压，故会存在静电力。由于双侧电容间隙面积等不相同，质量块所受衬底和盖板的静电力不相同，结构在静电力的作用下会发生偏移，影响器件运动状态，进而影响器件的性能。
二是现有的双层或三层结构的MEMS器件，在结构加工过程中，各层材料间存在残余应力，MEMS结构存在竖直方向上的弯曲变形，进而影响器件的性能。
三是现有双层或三层结构的MEMS器件不同层材料间存在温度系数差异，当器件工作在不同的温度条件下，不同材料热膨胀不同，造成结构变形，影响器件的温度稳定性。
发明内容
本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，本发明公开了一种三明治式MEMS器件结构，能避免质量块在其与衬底电极间的静电力以及应力的作用下，偏离平衡位置，从而使器件具有更好的一致性和温度稳定性。
本发明所采用的技术方案是：一种三明治式MEMS器件结构，包括衬底电极层、结构层、盖帽层；
衬底电极层通过第一键合层与结构层键合，结构层通过第二键合层与盖帽层键合；衬底电极层上加工若干衬底电极，盖帽层上加工若干盖板电极，结构层上加工质量块、锚区及弹簧梁、激励电极、拾振电极；衬底电极层包括绝缘层、衬底电极、质量块电极引线、激励电极引线、拾振电极引线、衬底层，质量块通过锚区及弹簧梁和质量块电极引线引出，激励电极、拾振电极分别通过衬底电极层上的对应的激励电极引线和拾振电极引线引出；衬底电极、质量块电极引线、激励电极引线和拾振电极引线均与衬底层间设置绝缘层；衬底电极与盖板电极为平面极板，衬底电极与质量块间形成变间隙的电容a，盖板电极与质量块间形成变间隙的电容b，且电容a、电容b的间隙相等，电容a、电容b的面积相等。
电容a、电容b的间隙的取值范围为1～5μm。
质量块、锚区及弹性梁、激励电极、拾振电极通过干法刻蚀工艺加工制成。
激励电极、拾振电极为变面积梳齿状平行板电极或变间距平行板电极。
器件工作时，质量块接高电平电压，激励电极、拾振电极、盖板电极、衬底电极接低电平电压，形成电压差；激励电极上另加交流低电平信号，所加交流低电平信号频率等于质量块水平方向谐振固有频率；在激励电极作用下，质量块做水平谐振运动；拾振电极检测质量块谐振运动幅度，并经电路反馈调节激励电极的交流信号大小，实现质量块谐振运动幅度稳定。
盖板背面焊盘分布在盖板层上，盖板电极通过盖板层、盖板背面焊盘接地；衬底电极的低电平电压可调节，衬底电极与盖板电极共同作用，保证质量块在水平方向运动时，竖直高度不变。
盖板背面焊盘分布在盖板层上，盖板电极通过盖板层、与盖板背面焊盘接地；衬底电极的低电平电压可调节，衬底电极与盖板电极共同作用，使质量块在竖直方向运动时，其运动中心始终保持在某一特定水平位置；衬底电极检测质量块在竖直方向的运动幅度，在此工作模式下，器件作为水平轴敏感的MEMS陀螺，用于检测水平方向上输入角速率的大小。
接触孔内填充导电材料，盖板电极通过接触孔内的导电材料与盖板背面焊盘相连；盖板电极、接触孔内的导电材料、盖板背面焊盘与盖帽层结构间均设置有绝缘层，盖板电极、衬底电极分别作为质量块做竖直方向运动时的驱动电极和拾振电极，盖板电极作为驱动，衬底电极检测质量块在竖直方向的运动幅度；在此工作模式下，利用盖板电极、衬底电极、激励电极、拾振电极，实现多个质量块在各个方向上的运动控制和检测，器件作为多轴MEMS惯性传感器器件，用于检测各个方向上的输入角速率和加速度大小。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)采用本发明能解决现有的双层或三层结构的MEMS器件由于质量块所受静电力不平衡、残余应力及不同温度条件下热应力差异所造成的结构完全形变及位移等，造成的器件性能的变化。
(2)本发明所采用的三明治结构不仅在结构层内部布置竖直的电极，也在质量块的上方和下方布置水平电极，从而满足了对质量在各个方向上运动控制与检测的要求，能够实现多轴MEMS惯性器件集成的要求。
附图说明
图1是本发明三明治式MEMS器件结构横截面示意图
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种三明治式MEMS器件结构，其基本结构包括衬底电极层1、结构层2、盖帽层3三层。三层结构通过键合层13与14键合起来。在衬底电极层1上加工衬底电极10，盖帽层3上加工盖板电极8，在结构层2上加工出质量块4、锚区及弹簧梁5、激励电极6、拾振电极7。衬底电极10与盖板电极8为平面极板。衬底电极10与质量块4间形成变间隙的电容，盖板电极8与质量块4间形成变间隙的电容。电容间隙1～5μm，且两电容间隙接近或相等，两电容面积接近或相等。
质量块4、锚区及弹性梁5、激励电极6、拾振电极7通过干法刻蚀工艺加工。激励电极6、拾振电极7为变面积梳齿状平行板电极或变间距平行板电极。
衬底电极层1包括绝缘层17、衬底电极10、质量块电极引线9、激励电极引线11、拾振电极引线12、衬底层，质量块4通过锚区及弹簧梁5和质量块电极引线9引出，激励电极6、拾振电极7分别通过衬底电极层1上的对应的激励电极引线11和拾振电极引线12引出；衬底电极10、质量块电极引线9、激励电极引线11和拾振电极引线12均与衬底层间设置绝缘层17；
器件工作时，质量块4接高电平电压，激励电极6、拾振电极7、盖板电极8、衬底电极10接低电平电压。各电极与质量块4间形成电压差。
在激励电极6上另加交流低电平信号，所加交流信号频率接近或等于质量块水平方向谐振固有频率。在激励电极6作用下，质量块4在水平谐振运动。所述拾振电极7检测质量块4谐振运动幅度，并经电路反馈调节激励电极6交流信号大小，实现质量块4谐振运动幅度稳定。
实施例1
在上述三明治式MEMS器件基本结构基础上，盖板背面焊盘15分布在盖板层3上，盖板电极8通过盖板层3与盖板背面焊盘15接地。衬底电极10低电平电压可调节，其与盖板电极8共同作用，可保证质量块4在水平方向运动时，竖直高度不变，从而使MEMS器件具有更高的温度稳定性。
实施例2
在上述三明治式MEMS器件基本结构基础上，盖板背面焊盘15分布在盖板层3上，在盖板电极8通过盖板层3与盖板背面焊盘15接地。所述衬底电极10低电平电压可调节，其与盖板电极8共同作用，使质量块4在竖直方向运动时，其运动中心始终保持在某一特定水平位置。所述衬底电极10可用于检测质量块在竖直方向的运动幅度。在此工作模式下，器件可作为水平轴敏感的MEMS陀螺，用于检测水平方向上输入角速率的大小。
实施例3
在上述三明治式MEMS器件基本结构基础上，接触孔16内填充导电材料，在盖板电极8通过接触孔16内导电材料与盖板背面焊盘15相连。所述盖板电极8、接触孔16内导电材料、盖板背面焊盘15三者与盖帽层3结构间均有绝缘层。盖板电极8、衬底电极10可分别作为质量块做竖直方向运动的驱动电极和拾振电极，盖板电极8作为驱动，衬底电极10检测质量块4在竖直方向的运动幅度。
综合利用盖板电极8、衬底电极9、激励电极6、拾振电极7，可实现质量块4在各个方向上的运动控制和检测，实现多轴MEMS惯性器件集成。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未详细说明的部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种三明治式MEMS器件结构，其特征在于，包括衬底电极层(1)、结构层(2)、盖帽层(3)；
衬底电极层(1)通过第一键合层(13)与结构层(2)键合，结构层(2)通过第二键合层(14)与盖帽层(3)键合；衬底电极层(1)上加工若干衬底电极(10)，盖帽层(3)上加工若干盖板电极(8)，结构层(2)上加工质量块(4)、锚区及弹簧梁(5)、激励电极(6)、拾振电极(7)；衬底电极层(1)包括绝缘层(17)、衬底电极(10)、质量块电极引线(9)、激励电极引线(11)、拾振电极引线(12)、衬底层，质量块(4)通过锚区及弹簧梁(5)和质量块电极引线(9)引出，激励电极(6)、拾振电极(7)分别通过衬底电极层(1)上的对应的激励电极引线(11)和拾振电极引线(12)引出；衬底电极(10)、质量块电极引线(9)、激励电极引线(11)和拾振电极引线(12)均与衬底层间设置绝缘层(17)；衬底电极(10)与盖板电极(8)为平面极板，衬底电极(10)与质量块(4)间形成变间隙的电容a，盖板电极(8)与质量块(4)间形成变间隙的电容b，且电容a、电容b的间隙相等，电容a、电容b的面积相等。
2.如权利要求1所述的三明治式MEMS器件结构，其特征在于，电容a、电容b的间隙的取值范围为1～5μm。
3.如权利要求1或2所述的三明治式MEMS器件结构，其特征在于，质量块(4)、锚区及弹簧梁(5)、激励电极(6)、拾振电极(7)通过干法刻蚀工艺加工制成。
4.如权利要求3所述的三明治式MEMS器件结构，其特征在于，激励电极(6)、拾振电极(7)为变面积梳齿状平行板电极或变间距平行板电极。
5.如权利要求4所述的三明治式MEMS器件结构，其特征在于，器件工作时，质量块(4)接高电平电压，激励电极(6)、拾振电极(7)、盖板电极(8)、衬底电极(10)接低电平电压，形成电压差；激励电极(6)上另加交流低电平信号，所加交流低电平信号频率等于质量块(4)水平方向谐振固有频率；在激励电极(6)作用下，质量块(4)做水平谐振运动；拾振电极(7)检测质量块(4)谐振运动幅度，并经电路反馈调节激励电极(6)的交流信号大小，实现质量块(4)谐振运动幅度稳定。
6.如权利要求5所述三明治式MEMS器件结构，其特征在于，盖板背面焊盘(15)分布在盖帽层(3)上，盖板电极(8)通过盖帽层(3)、盖板背面焊盘(15)接地；衬底电极(10)的低电平电压可调节，衬底电极(10)与盖板电极(8)共同作用，保证质量块(4)在水平方向运动时，竖直高度不变。
7.如权利要求5所述三明治式MEMS器件结构，其特征在于，盖板背面焊盘(15)分布在盖帽层(3)上，盖板电极(8)通过盖帽层(3)、与盖板背面焊盘(15)接地；衬底电极(10)的低电平电压可调节，衬底电极(10)与盖板电极(8)共同作用，使质量块(4)在竖直方向运动时，其运动中心始终保持在某一特定水平位置；衬底电极(10)检测质量块(4)在竖直方向的运动幅度，在此工作模式下，器件作为水平轴敏感的MEMS陀螺，用于检测水平方向上输入角速率的大小。
8.如权利要求5所述三明治式MEMS器件结构，其特征在于，接触孔(16)内填充导电材料，盖板电极(8)通过接触孔(16)内的导电材料与盖板背面焊盘(15)相连；盖板电极(8)、接触孔(16)内的导电材料、盖板背面焊盘(15)与盖帽层(3)结构间均设置有绝缘层，盖板电极(8)、衬底电极(10)分别作为质量块(4)做竖直方向运动时的驱动电极和拾振电极，盖板电极(8)作为驱动，衬底电极(10)检测质量块(4)在竖直方向的运动幅度；在此工作模式下，利用盖板电极(8)、衬底电极(10)、激励电极(6)、拾振电极(7)，实现多个质量块(4)在各个方向上的运动控制和检测，器件作为多轴MEMS惯性传感器器件，用于检测各个方向上的输入角速率和加速度大小。
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