CN112255432A - 一种微机电系统三轴加速度传感器芯片和制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种微机电系统三轴加速度传感器芯片和制作方法，其中芯片包括：第一轴加速度传感器单元，用于感应第一轴方向的加速度；第二轴加速度传感器单元感应，用于第二轴方向的加速度；和第三轴加速度传感器单元，用于感应第三轴方向的加速度；第一轴加速度传感器单元和第二轴加速度传感器单元层叠布置；第三轴加速度传感器单元包括第四加速度传感器子单元和第五加速度传感器子单元，第四加速度传感器子单元设置于第一轴加速度传感器单元的一侧，第五加速度传感器子单元设置于第二轴加速度传感器单元的一侧，第四加速度传感器子单元与第五加速度传感器子单元为不对称结构。第一、第二和第三轴加速度传感器单元密封在同一个密封腔内。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片领域，具体而言，涉及一种微机电系统三轴加速度传感器芯片和制作方法。
背景技术
微机电系统(Micro-ElectroMechanical System)以下简称MEMS，是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。目前的MEMS加速度传感器有多种实现方式，主要可分为压电式、电容式及热感应式三种。以电容式三轴加速度计的技术原理为例，电容式加速度计能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况。其主要利用硅良好的机械特性设计出的可移动机械结构，由于加速度通过机械悬臂使得两个电极之间的距离发生变化，从而改变了两个电极之间电容的参数，通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化，得到与加速度成正比的电压输出。三轴加速度传感器在三个不同的轴向(X、Y、Z)上设计对应的机械结构，可以测量不同轴向上的加速度。
现有技术的MEMS三轴加速度传感器芯片测量X轴、Y轴及Z轴的加速度传感器大多并列式排布，使得芯片的体积较大，影响灵敏度；另外，通常Z轴加速度计的下电极与芯片底板直接连接，容易受到封装应力的影响,使得三个轴中Z轴的性能最差。
在第一个现有技术(专利CN 102798734)中的MEMS三轴加速度计通过三个独立的敏感质量块分别实现X、Y、Z轴加速度信号检测，如图1所示，这三个质量块在一个平面上，且Z轴采用梳齿方式检测电容信号，相比于平板电容感测方式，这种方式电容变化值较小，产品的量程小且灵敏度不高。
在第二个现有技术(专利US7430909B2)中，MEMS三轴加速度计由两个质量块组成，如图2所示，第一个质量块测量X轴和Z轴方向的加速度，第二个质量块测量Y轴和Z轴方向的加速度。X轴和Y轴的加速度传感器结构采用弹簧和梳齿感测结构；Z轴加速度传感器结构采用悬臂梁结构作为测量方式。两个Z轴可以独立测试或进行差分信号测试。该三轴加速度计的X、Y、Z 三轴的加速度计在同一平面上，占用的芯片面积较大；且Z轴采用梳齿方式测量电容，相比于平板电容感测方式，这种方式电容变化值较小，产品的量程小且灵敏度不高。
在第三个现有技术(专利US20070059857A1)中，MEMS三轴加速度计X轴和Y轴的加速度计采用弹簧和梳齿结构，Z轴的加速度计采用跷跷板平板电容结构，如图3所示，X轴、Y轴、Z轴的的加速度计在同一平面，这种设计需要芯片面积大，成本高。
发明内容
本申请提供一种微机电系统三轴加速度传感器芯片，该芯片具有较小的体积，较高的灵敏度，且X、Y、Z三个轴向的的加速度性能一致。
为实现上述目的，本申请提供一种微机电系统三轴加速度传感器芯片，所述芯片包括：第一轴加速度传感器单元，用于感应第一轴方向的加速度；第二轴加速度传感器单元，用于感应第二轴方向的加速度，所述第一轴方向和第二轴方向相互垂直；和第三轴加速度传感器单元，用于感应第三轴方向的加速度；所述第三轴方向垂直于所述第一轴方向和第二轴方向；其中，所述第一轴加速度传感器单元和第二轴加速度传感器单元层叠布置；所述第三轴加速度传感器单元包括层叠布置的第四加速度传感器子单元和第五加速度传感器子单元，所述第四加速度传感器子单元设置于所述第一轴加速度传感器单元的一侧，所述第五加速度传感器子单元设置于所述第二轴加速度传感器单元的一侧，所述第四加速度传感器子单元与第五加速度传感器子单元为不对称结构；所述第一轴加速度传感器单元、第二轴加速度传感器单元和第三轴加速度传感器单元密封在同一个密封腔内。
在一个可能的实施方式中，所述第四加速度传感器子单元与第五加速度传感器子单元的不对称结构为：所述第四加速度传感器子单元包括第三质量块、第四质量块、第五质量块和扭转梁；所述第三质量块与所述第四质量块相连；所述第三质量块与所述第四质量块之间构成中空结构，所述扭转梁设置于所述中空结构之间；所述第四质量块与所述第五质量块中间相连；所述第五加速度传感器子单元包括第六质量块、第五电极和第六电极；所述第六质量块与第五电极之间隔离，所述第五电极与第六电极之间隔离；所述第五电极与所述第三质量块上下对应，两者之间有间隙隔离；所述第六电极与所述第四质量块上下对应，两者之间有间隙隔离；所述第五质量块与所述第六质量块上下对应，通过氧化层连接；所述第五电极和第六电极通过锚点固定在底板上，与底板之间存在空隙。
在一个可能的实施方式中，所述第一轴加速度传感器单元包括第一轴质量块、第一可动电极、第二可动电极、第一固定电极和第二固定电极；所述第一轴质量块为框架结构，在所述框架结构的内部设置有第一可动电极，所述第一可动电极与所述第一固定电极对应，两者之间存在间隙；在所述第一轴质量块的内部设置有第二可动电极；所述第二可动电极与所述第二固定电极对应，两者之间存在间隙；在所述第一轴质量块带动第一可动电极和第二可动电极沿第一轴方向运动时，所述第一固定电极和第二固定电极固定。
在一个可能的实施方式中，所述第一轴加速度单元包括第一轴质量块，所述第一轴质量块为框架结构，在所述框架结构的中部对称设置第一弹簧和第二弹簧，第一轴质量块在所述第一弹簧和第二弹簧的作用力下保持平衡；当有第一轴方向的加速度施加到所述三轴加速度传感器芯片时，所述第一轴质量块沿第一轴方向运动。
在一个可能的实施方式中，所述第二轴加速度单元包括第二轴质量块，所述第二轴质量块为框架结构，在所述框架结构的内部设置有第三可动电极，所述第三可动电极与所述第三固定电极对应，两者之间存在间隙；在所述第二轴质量块的内部设置有第四可动电极；所述第四可动电极与所述第四固定电极对应，两者之间存在间隙；在所述第二轴质量块带动所述第三可动电极和所述第四可动电极沿第二轴方向运动时，所述第三固定电极和所述第四固定电极固定。
在一个可能的实施方式中，所述第二轴加速度单元包括第二轴质量块，所述第二轴质量块为框架结构，在所述框架结构的中部对称设置第三弹簧和第四弹簧，所述第二轴质量块在所述第三弹簧和第四弹簧的作用力下保持平衡；当有第二轴方向的加速度施加到所述三轴加速度传感器芯片时，所述第二轴质量块沿第二轴方向运动。
在一个可能的实施方式中，所述芯片还包括第二电极层、第一电极层和至少一个金属导电塞；所述第一轴加速度单元和所述第四加速度子单元设置于所述第二电极层上；所述第二轴加速度单元和所述第五加速度子单元设置于所述第一电极层上；所述第二电极层设置有至少一个第一电极锚点；所述第一电极层设置有至少一个第二电极锚点；所述至少一个金属导电塞将所述至少一个所述第一电极锚点与对应的所述至少一个第二电极锚点连接。
在一个可能的实施方式中，所述第一轴加速度传感器单元与所述第二轴加速度传感器单元之间沿第三轴方向的间距大于所述第四加速度传感器单元与所述第五加速度传感器单元的间距。
第二方面，本申请的实施例提出一种三轴加速度传感器芯片的制造方法，所述方法包括：制作第一电极层圆片，在所述第一电极层圆片上形成第一轴加速度传感器单元，以及第三轴加速度传感器单元的第四加速度传感器子单元，并形成氧化层；制作第二电极层圆片，在所述第二电极层圆片上形成第二轴加速度传感器单元区域，然后同时形成第二轴加速度传感器单元以及第三轴加速度传感器单元的第五加速度传感器子单元。
在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：在所述第二电极层圆片的锚点上形成通孔；在所述通孔内和所述第二电极层圆片表面淀积导电金属；除去所述通孔以外的金属层，形成金属导电塞。
本申请的实施例提出一种三轴加速度传感器芯片内部的传感器采用层叠方式排布，这种层叠方式排布与并列式排布设计相比降低了芯片面积，极大的降低了成本,而且第三轴加速度传感器单元(相当于Z轴加速度计)的下电极与芯片底板没有直连接，减少了由封装导入的机械应力，提高了Z轴加速度计的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书披露的多个实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书披露的多个实施例，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它的附图。
图1为第一个现有技术中的MEMS三轴加速度计图结构示意图；
图2为第二个现有技术中由两个质量块组成的MEMS三轴加速度计结构示意图；
图3为第三个现有技术中X轴和Y轴采用弹簧和梳齿结构的MEMS三轴加速度计结构示意图；
图4为本申请实施例提供一种三轴加速度传感器芯片的结构示意图；
图5为图1中Y轴加速度传感器结构22的俯视图；
图6为图1中x轴加速度传感器结构24的俯视图；
图7a为图1中Z轴电极结构261的平面示意图；
图7b为图1中Z轴电极结构262的平面示意图；
图8为图1中电极层15平面示意图；
图9为图1中电极层19平面示意图。
图10为图8所示的电极层15和图9所示的电极层19结构键合后的平面示意图；
图11a为图10的三轴加速度传感器芯片沿虚线A-B的剖面图；
图11b为图10的三轴加速度传感器芯片沿虚线C-D的剖面图；
图12为本申请实施例提供的一种三轴加速度传感器芯片的制造方法中底板圆片形成氧化层图形后的剖面示意图；
图13为键合第一电极层后的底板圆片剖面示意图；
图14为刻蚀第一电极层及生长氧化层后的底板圆片剖面示意图；
图15为形成氧化层图形后的第二电极层圆片剖面示意图；
图16为形成凹腔图形后的第二电极层圆片剖面示意图；
图17为底板圆片和第二电极层圆片键合后的二次键合圆片剖面示意图；
图18为形成深孔后的二次键合圆片剖面示意图；
图19为形成金属塞后的二次键合圆片剖面示意图；
图20a为形成第二电极层圆片图形后的二次键合圆片剖面示意图；
图20b为除去氧化层后的二次键合圆片剖面示意图；
图21为TSV圆片剖面示意图；
图22为TSV圆片与二次键合圆片键合后的三轴加速度传感器圆片剖面示意图；
图23为金属布线后的三轴加速度传感器圆片剖面示意图。
1-底板圆片；3-一次键合圆片；5-第二电极层圆片；7-二次键合圆片； 9-TSV圆片；10-三次键合圆片；11-底板；13-第一氧化层；15-第一电极层；15a-Z-电极；15b-下电极锚点；15c-Z+电极；15d-附加质量块； 15e-下电极密封区；15f-Y轴结构；16-第一间隙；17-第二氧化层；18- 第二间隙；19-第二电极层；19a-Z-质量块；19b-上电极锚点；19c-Z+ 质量块；19d-延长质量块；19e-上电极密封区；19f-X轴结构层；19g- 第二电极层凹腔；20-第三间隙；23-导电焊料层；22-Y轴加速度传感器结构；24-X轴加速度传感器结构；26-Z轴加速度传感器结构；31-TSV基板层；31a-TSV键合柱；31b-TSV层密封区；33-凹腔；35-TSV隔离槽/隔离槽绝缘层；37-TSV密封孔；39-第三氧化层；41-密封腔；43-导电塞；45-接触孔；49-金属层；51-钝化层；53-焊盘窗；59-Z轴附加块；61-Z+锚点；62-Z轴质量块下锚点；63-Z-锚点；69-Y轴质量块； 70-第一Y轴弹簧；70′-第二Y轴弹簧71-Y+固定电极；72-Y+可动电极；73-Y-固定电极；74-Y-可动电极；75-Y-锚点；76-X+下锚点； 77-Y+锚点；78-X-下锚点；79-Y质量块锚点；81-Z+上锚点；82-Z轴质量块锚点；83-Z-上锚点；85-Z轴扭曲梁；87-释放孔；89-X轴质量块；90-第一X轴弹簧；90′-第二X轴弹簧；91-X+固定电极；92-X+可动电极；93-X-固定电极；94-X-可动电极；95-Y-上锚点；96-X+锚点； 97-Y+上锚点；98-X-锚点；99-X质量块锚点；261-第一Z轴电极结构； 262-第二Z轴电极结构；101-第四氧化层；103-第二电极层圆片基板； 105-第五氧化层；107-深孔；A/B-虚线，截面；C/D-虚线，截面
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本申请实施例提供一种MEMS三轴加速度传感器芯片，以X轴为第一轴，垂直于X轴的Y轴为第二轴，垂直于X-Y平面的Z轴为第三轴。该三轴加速度传感器芯片由X轴加速度传感器结构、Y轴加速度传感器结构、Z轴加速度传感器结构三个独立的单元构成。X轴加速度传感器结构感应X轴方向的加速度；Y轴加速度传感器结构感应Y轴方向的加速度，Z轴加速度传感器结构感应Z轴方向的加速度；其中，所述X轴加速度传感器结构和Y轴加速度传感器结构层叠布置；Z轴加速度传感器结构包括层叠布置的两个不同的电极结构，一个电极结构设置于X轴加速度传感器结构的一侧，第二个电极结构设置于Y轴加速度传感器结构的一侧，这两个电极结构为不对称结构；X轴加速度传感器结构、Y轴加速度传感器结构、Z轴加速度传感器结构密封在密封腔内。该芯片结构布局紧凑，节省空间，使芯片的体积大幅减小。
图4为本申请实施例提供一种三轴加速度传感器芯片的结构示意图。如图4所示，Z轴箭头指示方向为上方,所述芯片包括电极层15和电极层19，电极层15和电极层19层叠排列。可以将电极层15记为第一电极层，电极层 19记为第二电极层。
电极层19包括X轴加速度传感器结构24、Z轴加速度传感器结构26的 Z轴电极结构261。Z轴电极结构261位于X轴加速度传感器结构24的一侧。
电极层15包括Y轴加速度传感器结构22、Z轴加速度传感器结构26的 Z轴电极结构262。Z轴电极结构262位于Y轴加速度传感器结构22的一侧。 Z轴电极结构261与Z轴电极结构262上下层叠排列。
图5为Y轴加速度传感器结构22的俯视图。如图5所示，Y轴加速度传感器结构22在X-Y平面上的投影，Y轴箭头指示方向为上方；X轴箭头指示方向为右方。
Y轴加速度传感器结构22包括Y轴质量块69，Y轴质量块69为框架结构；在一些实施例中，该框架结构可以为任意对称结构的框架，在本实施例中为长方形框架结构。
在框架结构的中间包括对称设置的弹簧70和弹簧70′，可以将弹簧70 记为第一弹簧，弹簧70′记为第二弹簧。弹簧70的一端与质量块69的内壁第一边框连接，弹簧70的另一端通过固定梁连接弹簧70′，弹簧70′的另一端与质量块69的内壁第三边框链接。弹簧70和弹簧70′之间的固定梁上设置有Y轴质量块锚点79，Y质量块锚点79固定和支撑Y轴质量块。对称设置的弹簧70和弹簧70′可以在质量块69运动时保持Y轴加速度传感器结构 22在X-Y平面上的平衡,从而减少来自Z轴方向加速度的干扰。弹簧70和弹簧70′之间通过固定梁沿Y轴方向对称设置，可以在质量块69沿Y轴方向运动时增加Y轴方向的配重和惯性，提高感应Y轴方向加速度的灵敏度，并减少来自X轴方向加速度的干扰。
框架结构的左侧内壁上间隔设置至少一个Y+可动电极72，与Y+可动电极 72对应设置的是至少一个Y+固定电极71，Y+可动电极72与Y+固定电极71 之间存在一定的间隙。
框架结构的右侧内壁上间隔设置至少一个Y-可动电极74；与Y-可动电极 74对应设置的是至少一个Y-固定电极73，Y-可动电极74与Y-固定电极73 之间存在一定的间隙。
将Y+可动电极72记为第一可动电极、Y-可动电极74记为第二可动电极、Y+固定电极71记为第一固定电极和Y-固定电极73记为第二固定电极，Y 轴质量块69记为第一轴质量块。
当Y+可动电极72和Y-可动电极74随着质量块69在Y轴方向运动时， Y+固定电极71和Y-固定电极73在固定位置保持不动。电极之间的距离发生变化，会改变两电极之间的电容。
Y+可动电极72与Y+固定电极71之间的距离变化，与Y-可动电极74与 Y-固定电极73之间的距离变化方向相反，使得Y轴质量块69带动Y+可动电极72和Y-可动电极74沿Y轴方向运动时，Y+固定电极71输出Y+电信号， Y-固定电极73输出Y-电信号。
Y+固定电极71的连接桥上有Y+锚点77，Y+锚点77用于将Y+电信号导出。Y-固定电极73的连接桥上有Y-锚点75，并将Y-电信号导出。
图6为x轴加速度传感器结构24的俯视图。如图6所示，X轴加速度传感器结构24在X-Y平面上的投影，Y轴箭头指示方向为上方；X轴箭头指示方向为右方。
X轴加速度传感器结构24包括X轴质量块89，X轴质量块89为长方形框架结构；在一些实施例中，该框架结构可以为任意对称结构的框架，在本实施例中为长方形框架结构。
在框架结构的中间包括对称设置的弹簧90和弹簧90′，可以将弹簧90 记为第三弹簧，弹簧90′记为第四弹簧。弹簧90的一端与X轴质量块89的左侧边框的内壁连接，另一端通过固定梁连接弹簧90′，弹簧90′的另一端连接X轴质量块89的右侧边框的内壁。弹簧90和弹簧90′之间的固定梁上设置有X轴质量块锚点99，可以固定和支撑X轴质量块89。
对称设置的弹簧90和弹簧90′可以在X轴质量块89运动时保持X轴加速度传感器结构24在X-Y平面上的平衡，从而减少来自Z轴方向加速度的干扰。弹簧90和弹簧90′之间通过固定梁沿X轴方向对称设置，可以在质量块 89沿X轴方向运动时增加X轴方向的配重和惯性，提高感应X轴方向加速度的灵敏度，并减少来自Y轴方向加速度的干扰。
框架结构的上侧边框内壁上设置至少一个X+可动电极92；与X+可动电极 92对应设置的是至少一个X+固定电极91，在X+可动电极92与X+固定电极 91之间存在一定的间隙，间隙会随着X+电极的位置变化而增大或减小。
框架结构的下侧内壁上设置至少一个X-可动电极94；与X-可动电极94 对应设置的是X-固定电极93，X-可动电极94与X-固定电极93之间存在一定的间隙，间隙随着X-可动电极94的位置变化而增大或减小。
当X+可动电极92和X-可动电极94可以随着质量块89在X轴方向运动， X+固定电极91和X-固定电极93在固定位置保持不动。电极之间的间隙距离发生变化，会改变两电极之间的电容。
X+可动电极92与X+固定电极91之间的距离变化，与X-可动电极94与 X-固定电极93之间的距离变化方向相反，使得X轴质量块89带动X+可动电极92和X-可动电极94沿X轴方向运动时，X+电极91输出X+电信号，X-固定电极93输出X-电信号。
X+固定电极91的连接桥上有X+锚点96，可以固定和支撑X+电极，并将 X+电信号导出。X-固定电极93的连接桥上有X-锚点98，可以固定和支撑X- 电极，并将X-电信号导出。
可以将X+可动电极92记为第三可动电极、X-可动电极94记为第四可动电极、X+固定电极91记为第三固定电极和X-固定电极93记为第四固定电极，X轴质量块89记为第二轴质量块。
Z轴加速度传感器结构为不对称结构，包括位于电极层19的Z轴电极结构261和位于电极层15的Z轴电极结构262。Z轴电极结构261包括Z+质量块、Z-质量块和附件质量块；Z轴电极结构262包括延长质量块、Z+电极15c 和Z-电极15a。将Z轴电极结构261记为第四加速度子单元，Z轴电极结构 262记为第五加速度子单元。
图7a为Z轴电极结构262的俯视图。如图7a所示，Z轴电极结构262在 X-Y平面上的投影，Y轴箭头指示方向为上方；X轴箭头指示方向为右方。
Z轴电极结构262包括：附加质量块15d、Z+电极15c和Z-电极15a。附加质量块15d与Z+电极15c相邻，之间有一定间隙；Z+电极15c的另一侧设置Z-电极15a，Z+电极15c与Z-电极15a之间有相隔一定间隙。将附加质量块15d记为第六质量块、Z+电极15c记为第五电极，Z-电极15a记为第六电极。
Z轴质量块下锚点62隔离设置于Z+电极15c与Z-电极15之间；Z+电极 15c与Z+锚点61连接；Z-电极15a与Z-锚点63连接；Z+锚点61和Z-锚点 63固定在底板上，使得Z+电极15c和Z-电极15a与底板之间存在空隙。
图7b为Z轴电极结构261的俯视图。如图7b所示，Z轴电极结构261在 X-Y平面上的投影，Y轴箭头指示方向为上方；X轴箭头指示方向为右方。
Z轴电极结构261包括：Z-质量块19a、Z+质量块19c，延长质量块19d。延长质量块19d的一侧的中间伸出两条连接线，连接Z+质量块19c，Z+质量块19c的两边与Z-质量块19a的对应边连接，Z-质量块19a伸出的两边与Z+ 质量块19c之间形成中空结构。中空结构中间设置有Z轴扭曲梁85。将Z-质量块19a记为第三质量块、Z+质量块19c记为第四质量块。延长质量块19d 记为第五质量块，Z轴扭曲梁85记为扭转梁。
Z轴电极结构261和Z轴电极结构262为不对称结构，分别位于电极层 19和电极层15。其中附加质量块15d与延长质量块19d通过氧化层层叠连接在一起，组合记为Z轴附加块59(见图11b)；Z+质量块19c与Z+电极15c 之间存在一定间隙，Z-质量块19a与Z-电极15a之间存在一定间隙。
Z轴加速度传感器结构的这种不对称结构，使配重增加，大大提高了Z轴加速度的灵敏度。
具体来说，在发生Z轴方向的运动时，Z轴加速度传感器结构由于Z轴附加块59的配重使得局部惯性增加，在Z轴附加块59的牵动下，Z+质量块19c 和Z-质量块19a分别以不同的速度朝向Z轴方向运动，使得Z轴电极结构261 沿扭曲梁85轴向发生扭曲变形，Z+质量块19c与Z+电极15c之间距离发生变化，Z-质量块19a与Z-电极15a之间的距离也发生变化。质量块与电极之间的距离发生变化，会改变两者之间的电容。
由于Z+质量块19c和Z-质量块19a相连，当沿扭曲梁85轴向发生扭曲时，Z+质量块19c与Z+电极15c之间的距离变化方向，和Z-质量块19a与Z- 电极15a之间的距离变化方向相反，从而在Z+电极15c输出Z+电信号，在Z- 电极15a输出Z-电信号。
Z-质量块19a和Z+质量块19c设置若干释放孔87，释放孔87用于在制作工艺中通入气相氟化氢(HF)以除去氧化层。
在Z轴扭曲梁85上设置Z轴质量块锚点82，在中空结构还隔离设置了 Z+上锚点81和Z-上锚点83。
Z轴加速度传感器结构的这种不对称结构使配重增加，大大提高了Z轴加速度的灵敏度。
图8为图4中电极层15俯视图。如图8所示，三轴加速度传感器结构的电极层15包括图5所示的Y轴加速度传感器结构22和图7a所示的Z轴电极结构262。
围绕于Y轴加速度传感器结构22和Z轴电极结构262设置有呈闭环状态的下电极密封区15e。下电极密封区15e与Y轴加速度传感器结构22和Z轴电极结构262之间存在一定间隙，Y轴加速度传感器结构22和Z轴电极结构 262之间存在一定间隙。
电极层15上还包括：Y质量块锚点79，Y+锚点77，Y-锚点75，X+ 下锚点76，X-下锚点78、Z轴质量块下锚点62，Z+下锚点61，Z-下锚点 63。上述锚点可以统称为下电极锚点15b。
图9为图4中电极层19俯视图。如图9所示，电极层19包括图6所示的X轴加速度传感器结构24和图4所示的Z轴电极结构261。
围绕X轴加速度传感器结构24以及Z轴电极结构261设置有有呈闭环状态的上电极密封区19e。上电极密封区19e与X轴加速度传感器结构24和Z 轴电极结构261之间存在一定间隙，X轴加速度传感器结构24和Z轴电极结构261之间存在一定间隙。
电极层19还包括：X轴质量块锚点99，X+锚点96，X-锚点98，Y+上锚点97，Y-上锚点95，Z轴质量块上锚点82，Z+上锚点81，Z-上锚点83。上述锚点可以统称为上电极锚点19b。
图10为图8所示的电极层15和图9所示的电极层19结构键合后的俯视示意图。如图10所示，电极层19位于电极层15的上方，电极层15的各个电信号可以通过各个锚点导通到电极层19相应的锚点。
Y+上锚点97与Y+锚点77连接，支撑并固定Y+固定电极71，输出Y+电信号；Y-上锚点95与Y-锚点75连接，支撑并固定Y-固定电极73,输出Y-电信号。
X+锚点96与X+下锚点76连接，支撑并固定X+电极,输出X+电信号。X- 锚点98与X-下锚点78连接，支撑并固定X-电极,输出X-电信号。
Z+上锚点81连接Z+锚点61，支撑并固定Z+电极15c输出Z+电信号；Z 轴质量块锚点82连接Z轴质量块下锚点62，支撑并固定Z轴质量块；Z-上锚点83连接Z-锚点63，支撑并固定Z-电极15a，输出Z-电信号。
图11a为图10的三轴加速度传感器芯片沿虚线A-B的剖面图。该剖面图提供了三轴加速度传感器芯片的各个构件结构布局。如图11a所示，三轴加速度传感器芯片包括第一电极层圆片和第二电极层圆片。
具体地，第一电极层圆片1包括底板11、氧化层13、Y轴结构15f、Z+ 电极15c、下电极密封区15e和氧化层17。Y轴结构15f为Y轴加速度传感器结构22的剖面。
Y轴结构15f和Z+电极15c位于氧化层13上，在氧化层13上，围绕于第一电极层圆片一周设置有下电极密封区15e。在氧化层13下面为底板11。将氧化层13记为第一氧化层。
Y轴结构15f和Z+电极15c与底板11之间存在间隙16。将间隙16记为第一间隙。
在Y轴结构15f和Z+电极15c上面是氧化层17。将氧化层17记为第二氧化层。
第二电极层圆片包括TSV基板层31、导电焊料层23，X轴结构层19f、 Z+质量块19c、上电极密封区19e和氧化层17。X轴结构层19f为X轴加速度传感器结构24的剖面。
在TSV基板层31下面为导电焊料层23。
在导电焊料层23下面设置X轴结构层19f、Z+质量块19c。围绕X轴结构层19f和Z+质量块19c为上电极密封区19e。X轴结构层19f和Z+质量块 19c、TSV基板层31和导电焊料23之间为凹腔33。
在X轴结构层19f和Z+质量块19c下面是氧化层17′。
将氧化层17与第二电极层的氧化层17键合后，第一电极层圆片和第二电极层圆片形成密封腔体。键合后，Z+质量块19c和Z+电极15c之间存在间隙18，X轴结构层19f和Y轴结构15f之间存在间隙20；将间隙18记为第二间隙，将间隙20记为第三间隙。
凹腔33、间隙16、间隙18和间隙20使三轴传感器的各个电极之间互相隔离。凹腔33、间隙16、间隙18和间隙20的间隔值均不相同，使电极之间隔离效果更好，减少电信号的噪音干扰。
在图11a所示的三轴加速度传感器芯片中还包括若干个金属塞43，可以通过一个金属塞43将上电极锚点19b和下电极锚点15b连接，使X轴结构层 19f和Y轴结构15f形成等电位，并固定相对位置。要注意的是，在上电极锚点19b和下电极锚点15b之间存在氧化层17。
金属塞43数量为多个，彼此之间绝缘，分别连接电极层19和电极层15 的相应锚点。X+电信号、X-电信号、Y+电信号和Y-电信号分别通过不同的金属塞43连接至导电焊料层23。导电焊料层23按照设定的电路设置导线。
在导电焊料层23的上方，金属塞43的横截面投影方向上，在TSV基板层31内设置有绝缘层35，绝缘层35从TSV基板层31中隔离出TSV密封孔 37。
在TSV基板层31的外表面平铺氧化层39；将氧化层39记为第三氧化层。在氧化层39对应TSV密封孔37的区域形成一个截面积小于TSV密封孔37的投影面积的接触孔45。可以通过接触孔45测量导电焊料层23上连接的各个电信号。
氧化层39上设定位置设置金属层49；金属层49按照设定的电路图设置导线。在金属层49上和氧化层39上平铺设置钝化层51，并在钝化层51上的一定位置设置焊盘窗53与金属层49的某点相连。
图11b为图10的三轴加速度传感器芯片沿虚线C-D的剖面图。该剖面图提供了Z轴加速度传感器结构24内部的各个构件结构,如图11b所示，Z+质量块19c、Z-质量块19a和延长质量快19d设置于电极层19，Z+电极15c、Z- 电极15a和附加质量块15d设置于电极层15。Z+质量块19c位于Z+电极15c 上方，Z-质量块19a位于Z-电极15a上方，延长质量快19d位于附加质量块15d两者之间为氧化层17。
金属塞43将上电极锚点19b和下电极锚点15b连接，上电极锚点19b和下电极锚点15b之间有氧化层17。氧化层17的厚度决定间隙18的厚度。
其中，上电极锚点19b包括Z轴质量块上锚点82，Z+上锚点81和Z-上锚点83，下电极锚点15b包括Z轴质量块下锚点62，Z+下锚点61和Z-下锚点63。图11b中不可见的是，一个金属塞43连接Z轴质量块上锚点82和Z 轴质量块下锚点62，第二个金属塞43连接Z+上锚点81和Z+下锚点61；第三个金属塞43连接Z-上锚点83和Z-下锚点63。各个金属塞之间绝缘。
Z+电信号和Z+电信号分别通过不同的金属塞43连接至导电焊料层23。导电焊料层23按照设定的电路设置。
导电焊料层23上方，金属塞43的横截面投影方向上各层的设置同图8，此处不在赘述。
本申请实施例提供的一种微机电系统三轴加速度传感器芯片的制造方法，具体制作过程如图12-图22。
图12为本申请实施例提供的一种微机电系统三轴加速度传感器芯片的制造方法中底板圆片1形成氧化层图形后的剖面示意图。如图12所示，在Si 圆片底板11上形成第一氧化层(SiO2)13，厚度通常在0.5微米至2微米；在第一氧化层13上按照设计的图形进行光刻和刻蚀，形成带浅槽的氧化层图形13a，其厚度通常在0.2微米至1.5微米，完成底板圆片1的制作。
图13是键合第一电极层后的底板圆片剖面示意图。如图13所示，将底板圆片1的第一氧化层(SiO2)13图形与电极层15键合，电极层15可以是普通双面抛光Si圆片或SOI圆片；如果是SOI圆片，则键合后需除去支撑层和夹层氧化层；如果电极层15是双面抛光Si圆片，则需要减薄，抛光到需要的厚度，形成一次键合圆片3。
图14是刻蚀第一电极层及生长氧化层后的底板圆片剖面示意图。如图14 所示，通过光刻、刻蚀工艺，刻蚀第一电极层15形成Y轴加速度传感器结构 22以及Z轴加速度传感器结构的下电极部分；具体包括：下电极锚点15b、 Z+电极15c、附加质量块15d、下电极密封区15e、和Y轴结构15f。然后氧化电极层15，形成第四氧化层101，第四氧化层101为下电极结构的保护层，一般厚度在0.1微米至1微米之间，完成一次键合圆片3的制作。
图15所示的是形成氧化层图形后的第二电极层圆片剖面示意图。如图15 所示，SOI圆片由基板103、第五氧化层105、第二电极层19、第二氧化层17 构成，通过光刻、刻蚀工艺，刻蚀第二电极层19表面形成第二氧化层17图形，形成成第二电极层圆片5。
图16所示的是形成凹腔图形后的第二电极层圆片剖面示意图。如图16 所示,通过光刻、刻蚀工艺，刻蚀第二电极层19形成X轴结构层19f和第二电极层凹腔19g，完成第二电极层圆片5的制作。
图17所示的是底板圆片和第二电极层圆片键合后的二次键合圆片剖面示意图。如图17所示，将第二电极层圆片5和一次键合圆片3对准键合，除去 SOI圆片的基板层103，形成二次键合圆片7。
图18所示的是形成深孔后的二次键合圆片剖面示意图。如图18所示，在二次键合后的圆片7上通过光刻、刻蚀工艺，形成深孔107，深孔107贯穿第五氧化层105、电极层19、第二氧化层17和第四氧化层101，到达电极层 15。
图19所示的是形成金属塞后的二次键合圆片剖面示意图。如图19所示，在经过图18所示步骤的二次键合圆片7上淀积重掺杂多晶硅或金属作为电材料43，导电塞43填满深孔107，通过返刻蚀或CMP(机械抛光)的方法，除去非深空107区域的导电材料43，除去第五氧化层105。
图20a所示的是形成第二电极层图形后的二次键合圆片剖面示意图。如图20a所示，通过光刻、刻蚀工艺，刻蚀第二电极层19，形成X轴加速度传感器结构24和以及Z轴加速度传感器结构26的上电极部分；具体包括：上电极密封区19e、X轴结构层19f、延长质量块19b、X轴机构层19f、Z+质量块19c、X轴质量块锚点99和延长质量块19d。电极层15有第四氧化层101 保护，不会被刻蚀。
图20b为形成第一电极层图形后的二次键合圆片剖面示意图。如图20b 所示，用气相HF除去下电极结构保护层的第四氧化层101，和电极层15与底板间的第一氧化层13，释放下电极结构，形成间隙16、间隙18和间隙20；完成二次键合圆片7的制作。
图21是TSV圆片剖面示意图。如图21所示，以一重掺杂单晶Si圆片作为TSV基板层31的材料，刻蚀制作TSV隔离槽，氧化隔离槽，形成隔离槽绝缘层35，深度在50～500微米之间，淀积导电焊料层23，通过光刻、刻蚀工艺形成导电焊料图形23，通过光刻、刻蚀工艺形成凹腔33、TSV键合柱31a 和TSV层密封区31b；完成TSV圆片制作。
图22是TSV圆片与二次键合圆片键合后的三轴加速度传感器圆片剖面示意图；如图22所示，将图20b所示的二次键合圆片7与TSV圆片9对准键合，形成密封腔41，研磨TSV基板层31，露出TSV隔离槽绝缘层35，完成三次键合圆片10的制作。
图23是金属布线后的三轴加速度传感器圆片剖面示意图。如图23所示，在三次键合圆片10的TSV层31表面淀积第三氧化层39，在第三氧化层 39上通过光刻和刻蚀工艺形成接触孔45，淀积金属层49，刻蚀金属层49形成导线图形；淀积钝化层51，刻蚀钝化层形成压焊窗53，完成本发明的三轴加速度计圆片的制作。
本领域普通技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微机电系统三轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述芯片包括：
第一轴加速度传感器单元，用于感应第一轴方向的加速度；
第二轴加速度传感器单元，用于感应第二轴方向的加速度；所述第一轴方向和第二轴方向相互垂直；和
第三轴加速度传感器单元，用于感应第三轴方向的加速度；所述第三轴方向垂直于所述第一轴方向和第二轴方向；
其中，所述第一轴加速度传感器单元和第二轴加速度传感器单元层叠布置；所述第三轴加速度传感器单元包括层叠布置的第四加速度传感器子单元和第五加速度传感器子单元，所述第四加速度传感器子单元设置于所述第一轴加速度传感器单元的一侧，所述第五加速度传感器子单元设置于所述第二轴加速度传感器单元的一侧，所述第四加速度传感器子单元与第五加速度传感器子单元为不对称结构；
所述第一轴加速度传感器单元、第二轴加速度传感器单元和第三轴加速度传感器单元密封在同一个密封腔内。
2.根据权利要求1所述的微机电系统三轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述第四加速度传感器子单元与第五加速度传感器子单元的不对称结构为：所述第四加速度传感器子单元包括第三质量块、第四质量块、第五质量块和扭转梁；
所述第三质量块与所述第四质量块相连；
所述第三质量块与所述第四质量块之间构成中空结构，所述扭转梁设置于所述中空结构之间；
所述第四质量块与所述第五质量块中间相连；
所述第五加速度传感器子单元包括第六质量块、第五电极和第六电极；
所述第六质量块与第五电极之间隔离，所述第五电极与第六电极之间隔离；
所述第五电极与所述第三质量块上下对应，两者之间有间隙隔离；
所述第六电极与所述第四质量块上下对应，两者之间有间隙隔离；
所述第五质量块与所述第六质量块上下对应，通过氧化层连接；
所述第五电极和第六电极通过锚点固定在底板上，与底板之间存在空隙。
3.根据权利要求1所述的微机电系统三轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述第一轴加速度传感器单元包括第一轴质量块、第一可动电极、第二可动电极、第一固定电极和第二固定电极；
所述第一轴质量块为框架结构，在所述框架结构的内部设置有第一可动电极，所述第一可动电极与所述第一固定电极对应，两者之间存在间隙；
在所述第一轴质量块的内部设置有第二可动电极；所述第二可动电极与所述第二固定电极对应，两者之间存在间隙；
在所述第一轴质量块带动第一可动电极和第二可动电极沿第一轴方向运动时，所述第一固定电极和第二固定电极固定。
4.根据权利要求1所述的微机电系统三轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述第一轴加速度单元包括第一轴质量块，所述第一轴质量块为框架结构，在所述框架结构的中部对称设置第一弹簧和第二弹簧，第一轴质量块在所述第一弹簧和第二弹簧的作用力下保持平衡；当有第一轴方向的加速度施加到所述三轴加速度传感器芯片时，所述第一轴质量块沿所述第一轴方向运动。
5.根据权利要求1所述的微机电系统三轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述第二轴加速度单元包括第二轴质量块，所述第二轴质量块为框架结构，在所述框架结构的内部设置有第三可动电极，所述第三可动电极与所述第三固定电极对应，两者之间存在间隙；
在所述第二轴质量块的内部设置有第四可动电极；所述第四可动电极与所述第四固定电极对应，两者之间存在间隙；
在所述第二轴质量块带动所述第三可动电极和所述第四可动电极沿第二轴方向运动时，所述第三固定电极和所述第四固定电极固定。
6.根据权利要求1所述的微机电系统三轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述第二轴加速度单元包括第二轴质量块，所述第二轴质量块为框架结构，在所述框架结构的中部对称设置第三弹簧和第四弹簧，所述第二轴质量块在所述第三弹簧和第四弹簧的作用力下保持平衡；当有第二轴方向的加速度施加到所述三轴加速度传感器芯片时，所述第二轴质量块沿所述第二轴方向运动。
7.根据权利要求1所述的微机电系统三轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述芯片还包括第二电极层、第一电极层和至少一个金属导电塞；
所述第一轴加速度单元和所述第四加速度子单元设置于所述第二电极层上；
所述第二轴加速度单元和所述第五加速度子单元设置于所述第一电极层上；
所述第二电极层设置有至少一个第一电极锚点；
所述第一电极层设置有至少一个第二电极锚点；
所述至少一个金属导电塞将所述至少一个第一电极锚点与对应的所述至少一个第二电极锚点连接。
8.根据权利要求1所述的微机电系统三轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述第一轴加速度传感器单元与第二轴加速度传感器单元之间沿第三轴方向的间距大于第四加速度传感器单元与第五加速度传感器单元的间距。
9.一种三轴加速度传感器芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
制作第一电极层圆片，在所述第一电极层圆片上形成第一轴加速度传感器单元，以及第三轴加速度传感器单元的第四加速度传感器子单元，并形成氧化层；
制作第二电极层圆片，在所述第二电极层圆片上形成第二轴加速度传感器单元，以及第三轴加速度传感器单元的第五加速度传感器子单元。
10.根据权利要求9所述的三轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述方法还包括：
在所述第二电极层圆片的锚点上形成通孔；
在所述通孔内和所述第二电极层圆片表面淀积导电金属；
除去所述通孔以外的金属层，形成金属导电塞。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011219115.1A Pending CN112255432A (zh) | 2020-11-04 | 2020-11-04 | 一种微机电系统三轴加速度传感器芯片和制作方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN112255432A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115662847A (zh) * | 2022-11-16 | 2023-01-31 | 山东科技大学 | 基于x波段的串联接触式射频mems开关及其制作方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102401842A (zh) * | 2011-07-08 | 2012-04-04 | 上海亚尚电子科技有限公司 | 不等高梳齿电容式三轴加速度传感器及其制作方法 |
| CN104459203A (zh) * | 2014-12-25 | 2015-03-25 | 歌尔声学股份有限公司 | 一种加速度计中的z轴结构及三轴加速度计 |
| CN105158511A (zh) * | 2015-06-29 | 2015-12-16 | 歌尔声学股份有限公司 | 一种mems三轴加速度计 |
| WO2016101611A1 (zh) * | 2014-12-25 | 2016-06-30 | 歌尔声学股份有限公司 | 惯性测量模块及三轴加速度计 |
| WO2018004113A1 (ko) * | 2016-06-29 | 2018-01-04 | 주식회사 신성씨앤티 | 멤스 기반의 3축 가속도 센서 |
| CN109387668A (zh) * | 2017-08-09 | 2019-02-26 | 美国亚德诺半导体公司 | 集成线性和角度mems加速度计 |
| CN213843299U (zh) * | 2020-11-04 | 2021-07-30 | 安徽芯动联科微系统股份有限公司 | 一种微机电系统三轴加速度传感器芯片 |
-
2020
- 2020-11-04 CN CN202011219115.1A patent/CN112255432A/zh active Pending
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