CN113697759B - 基于柔性衬底的mems惯性传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器及制备方法。其中，一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器，包括：柔性衬底、MEMS惯性传感器和保护层；其中，柔性衬底的上表面设有焊盘和蛇形导线；MEMS惯性传感器，设于焊盘上，MEMS惯性传感器中的所有模块通过蛇形导线连接；保护层，覆盖在MEMS惯性传感器和柔性衬底的上表面。本发明提供的基于柔性衬底的MEMS惯性传感器通过采用柔性衬底和保护层对MEMS惯性传感器进行封装，保证MEMS惯性传感器可与被测物随形贴合，保证测量的准确性。

Description

基于柔性衬底的MEMS惯性传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统技术领域，尤其涉及一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器及制备方法。

背景技术

随着微电子与微机械(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的不断进步、智能化的不断发展，可穿戴设备也在飞速的发展。皮肤状的可穿戴设备具有形态可变的特点，能够实现与人体的紧密接触，并通过惯性传感器来监测高保真度的人体运动。惯性传感器利用陀螺仪、加速度计等惯性敏感元件和电子计算机，可以实时测量人体的运动状态。

目前，大多数商用的可穿戴设备都是在由硅基集成电路组件组成的刚性基板上实现的，然而，刚性基板和人体皮肤之间接触的界面上存在着很大的机械不匹配度，惯性传感器无法准确地测量人体的运动，测量精度较低。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器及制备方法，以解决现有惯性传感器无法准确地测量人体的运动，测量精度较低的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器，包括：

柔性衬底，所述柔性衬底的上表面设有焊盘和蛇形导线；

MEMS惯性传感器，设于所述焊盘上，所述MEMS惯性传感器中的所有模块通过所述蛇形导线连接；

保护层，覆盖在所述MEMS惯性传感器和所述柔性衬底的上表面。

本发明实施例提供一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器，一方面，通过采用柔性衬底和保护层对MEMS惯性传感器进行封装，保证MEMS惯性传感器可与被测物随形贴合，保证测量的准确性。另一方面，MEMS惯性传感器中的所有模块通过蛇形导线实现互联。蛇形导线可以保证在被拉长的情况下，MEMS惯性传感器中的所有模块的电连接不受影响。

在一种可能的实现方式中，所述柔性衬底和所述保护层为可拉伸的粘合膜。

在一种可能的实现方式中，所述MEMS惯性传感器包括电源模块、MEMS惯性测量单元、微控制处理模块和蓝牙模块；

所述微控制处理模块通过I2C协议与所述MEMS惯性测量单元进行通信，并通过所述蓝牙模块发送测量数据；

所述MEMS惯性测量单元通过所述MEMS惯性测量单元上金属凸点与所述蛇形导线连接；

所述电源模块为所述MEMS惯性传感器供电。

在一种可能的实现方式中，所述MEMS惯性测量单元包括硅盖板层、MEMS惯性敏感结构层和ASIC电路层；

所述硅盖板层、所述MEMS惯性敏感结构层和所述ASIC电路层通过多层圆片键合成所述MEMS惯性测量单元；所述硅盖板层、所述MEMS惯性敏感结构层和所述ASIC电路层通过硅通孔技术实现垂直互联；

所述硅盖板层上设有所述金属凸点，所述硅盖板层通过所述金属凸点与所述蛇形导线互联。

在一种可能的实现方式中，所述蛇形导线的线宽范围为200μm-400μm。

第二方面，本发明实施例提供了一种柔性衬底的MEMS惯性传感器的制备方法，包括：

将铜箔贴合在热熔胶带上，对所述铜箔进行预设切割处理，得到焊盘和蛇形导线；

在所述焊盘和所述蛇形导线上依次粘贴水溶胶带、聚酰亚胺薄膜和玻璃基板；

去除所述热熔胶带，并将MEMS惯性传感器中的所有模块安装在所述焊盘上；

在所述MEMS惯性传感器中的所有模块和所述蛇形导线上，采用聚酯薄膜敷料进行封装；

去除所述水溶胶带，并采用聚酯薄膜敷料对所述MEMS惯性传感器中的所有模块和所述蛇形导线进行封装。

在一种可能的实现方式中，所述对所述铜箔进行预设切割处理，包括：

采用计算机辅助设计程序预先在所述铜箔上设计所述焊盘和所述蛇形导线的形状；

利用可编程切割器对所述铜箔按照所述形状进行切割，得到所述焊盘和所述蛇形导线，并去除多余的铜箔。

在一种可能的实现方式中，所述去除所述热熔胶带，包括：对所述玻璃基板进行加热，剥离所述热熔胶带。

在一种可能的实现方式中，所述去除所述水溶胶带，包括：采用去离子水剥离所述水溶胶带。

在一种可能的实现方式中，所述MEMS惯性传感器包括电源模块、MEMS惯性测量单元、微控制处理模块和蓝牙模块；所述MEMS惯性测量单元包括硅盖板层、MEMS惯性敏感结构层和ASIC电路层，所述硅盖板层上设有金属凸点；

所述将MEMS惯性传感器中的所有模块安装在所述焊盘上，包括：

采用无源器件技术将所述ASIC电路层的无源器件进行集成，并利用重新布线技术对所述ASIC电路层的电路再布线；

通过多层圆片将所述硅盖板层、所述MEMS惯性敏感结构层和所述ASIC电路层键合成所述MEMS惯性测量单元；

通过硅通孔技术将所述硅盖板层、所述MEMS惯性敏感结构层和所述ASIC电路层垂直互联；

通过所述金属凸点将所述硅盖板层与所述蛇形导线互联。

本发明实施例提供一种柔性衬底的MEMS惯性传感器的制备方法，首先，将铜箔贴合在热熔胶带上，对铜箔进行预设切割处理，得到焊盘和蛇形导线，然后，在焊盘和蛇形导线上依次粘贴水溶胶带、聚酰亚胺薄膜和玻璃基板，接着，去除热熔胶带，并将MEMS惯性传感器中的所有模块安装在焊盘上。次之，在MEMS惯性传感器中的所有模块和蛇形导线上，采用聚酯薄膜敷料进行封装。最后，去除水溶胶带，并采用聚酯薄膜敷料对MEMS惯性传感器中的所有模块和蛇形导线进行封装。本发明提供的制备方法工艺简单，易于操作，可实现量化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的MEMS惯性传感器的构成原理示意图；

图3是本发明实施例提供的MEMS惯性测量单元的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的柔性衬底的MEMS惯性传感器的制备方法的结构示意图。

图中：101-柔性衬底，102-蛇形导线，103-电源模块，104-微控制处理模块，105-MEMS惯性测量单元，106-蓝牙模块，201-硅盖板层，202-MEMS惯性敏感结构层，203-ASIC电路层，204-金属凸点，301-铜箔，302-热熔胶带，303-焊盘和蛇形导线，304-水溶胶带，305-聚酰亚胺薄膜，306-玻璃基板，307-MEMS惯性传感器，308-聚酯薄膜敷料。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

随着柔性电子设备或可拉伸电子设备的快速发展，人们使用的可穿戴式和便携式设备越来越多。通过使用柔性材料，皮肤状的可穿戴电子模块可以与人体的一部分进行可靠的接触，用来高保真度的监测人体运动。皮肤状的可穿戴电子模块具有形态可变的特点，能够实现与人体的紧密接触，防止机械滑动，并显著提高电子器件的测试性能。

MEMS惯性传感器作为人体运动状态测量中最重要的部分之一，能够实现运动的实时测量，例如：步态分析、姿态检测以及行为安全监控等。但是受限于MEMS惯性传感器的敏感原理，在人体软性环境下的测量精度较难保证。

为了解决上述技术问题，以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：

本发明实施例提供了一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器，该MEMS惯性传感器包括：柔性衬底、MEMS惯性传感器和保护层。其中，柔性衬底的上表面设有焊盘和蛇形导线。MEMS惯性传感器设于焊盘上，MEMS惯性传感器中的所有模块通过蛇形导线连接。在上述MEMS惯性传感器和柔性衬底的上表面设有保护层。

图1示出了本发明实施例提供的一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器的结构示意图。参照图1，该MEMS惯性传感器包括：柔性衬底101、MEMS惯性传感器和保护层。其中，柔性衬底101的上表面设有焊盘和蛇形导线102，MEMS惯性传感器设于上述焊盘上，且MEMS惯性传感器中的所有模块通过蛇形导线102实现互连。在MEMS惯性传感器和柔性衬底的上表面覆盖有保护层，以保护MEMS惯性传感器中的电子模块在附着到人体过程中，免受湿气或灰尘的影响。

一些实施例中，柔性衬底101和保护层均为可拉伸的粘合膜。本申请中采用柔性封装，可保证人体运动中MEMS惯性传感器的准确测量，实现MEMS惯性传感器与人体皮肤进行紧密的连接和定位，保证与人体皮肤紧密贴合的同时能够不产生不良反应。

具体的，柔性衬底101和保护层可以为聚脂薄膜辅料，如3M-Tegaderm，上述材料的伸长变形率不超过30％，不易与人体皮肤产生过敏反应，柔软度与人体皮肤易贴合即可。从而保证MEMS惯性传感器与皮肤间的贴合度，从而实现准确的测量。

一些实施例中，上述蛇形导线的金属导线线宽范围为200μm-400μm。蛇形导线可以在各种机械应变下被拉长，而且保证电连接不受影响。具体的，上述蛇形导线可以采用金属铜制作，蛇形结构的金属导线线宽可以设计为300μm，即使系统发生了超过原始尺寸30％的拉伸应变时，蛇形导线也能够保证MEMS惯性传感器在机械和电气性能上的稳定性。

一些实施例中，请一并参见图1和图2，上述MEMS惯性传感器包括电源模块103、MEMS惯性测量单元105、微控制处理模块104和蓝牙模块106。其中，微控制处理模块104通过I2C协议与MEMS惯性测量单元105进行通信，并通过蓝牙模块106发送测量数据。MEMS惯性测量单元105通过MEMS惯性测量单元上金属凸点与蛇形导线102连接。上述电源模块为MEMS惯性传感器供电。

上述电源模块103、MEMS惯性测量单元105、微控制处理模块104和蓝牙模块106都安装在柔性衬底101上的焊盘上，MEMS惯性传感器为表贴式安装。本申请中的MEMS惯性传感器是基于模块化概念设计的，允许内部模块被重新配置，允许为应对多种不同类型的应用而进行功能优化。因此，该MEMS惯性传感器可以用作多参数的表贴式传感器系统，例如添加可以测量电生理信号、应变或体温的传感器。

具体的，上述MEMS惯性测量单元105可以为六轴MEMS惯性测量单元，包括三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度传感器。本申请中在芯片层级对MEMS惯性传感器进行封装，能够最大程度的减小MEMS惯性测量单元105的面积和厚度，面积能够小于等于5*5mm²，厚度能够小于等于2mm。

一些实施例中，参见图3，上述MEMS惯性测量单元105包括硅盖板层201、MEMS惯性敏感结构层202和ASIC电路层203。其中，硅盖板层201、MEMS惯性敏感结构层202和ASIC电路层203通过多层圆片键合成MEMS惯性测量单元105；硅盖板层201、MEMS惯性敏感结构层202和ASIC电路层203通过硅通孔技术实现垂直互联。硅盖板层201上设有金属凸点204，硅盖板层201通过金属凸点204与蛇形导线102互联。

其中，上述MEMS惯性测量单元105最下层为专用ASIC电路层203，用于实现对微机械结构的驱动和检测。ASIC电路层203上采用IPD技术实现对电阻、电容等无源器件的集成，并利用RDL技术实现对ASIC电路的再布线。利用RDL层，排布ASIC电路的电极位置，实现与MEMS惯性测量单元锚点、TSV通孔的对位。

中间层为MEMS惯性敏感结构层202，用于敏感外界加速度、角速度等惯性信息。

最上层为硅盖板层201，实现对MEMS惯性测量单元的芯片级封装。硅盖板层201上方采用金属凸点204与铜质蛇形导线102进行焊接。上述MEMS惯性测量单元105可直接用于蛇形导线的焊接，大幅度降低MEMS惯性测量单元105的面积、厚度及质量，提高集成化水平。

本发明实施例提供一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器，一方面，通过采用柔性衬底和保护层对MEMS惯性传感器进行封装，保证MEMS惯性传感器可与被贴合物随形贴合，保证测量的准确性。另一方面，MEMS惯性传感器中的所有模块通过蛇形导线实现互联。蛇形导线可以保证在被拉长的情况下，MEMS惯性传感器中的所有模块的电连接不受影响。

另一方面，本发明实施例还提供了一种柔性衬底的MEMS惯性传感器的制备方法，参见图4，包括：

S101、将铜箔贴合在热熔胶带上，对铜箔进行预设切割处理，得到焊盘和蛇形导线。

一些实施例中，在制作蛇形导线时，需要使用计算机辅助设计(CAD)程序预先设计蛇形导线的形状。在设计过程中，需要重点考虑金属导线的伸长率极限，在极限范围内变形的导线阻值没有变化。本发明中蛇形导线的线宽设计为300μm，即使系统发生了超过原始尺寸30％的拉伸应变时，蛇形导线也能够保证系统在机械和电气性能上的稳定性。在使用CAD程序设计了蛇形导线的布局后，可以采用可编程切割器来加工蛇形导线结构的互连和焊盘。

在本发明实施例中，请参考图4(1)-4(3),蛇形导线采用18μm厚的铜箔301加工，在加工前，采用CAD程序预先在铜箔301上对蛇形导线和焊盘进行布局。将铜箔301与热熔胶带302贴合。根据蛇形导线和焊盘的图案，采用可编程切割器对铜箔进行切割，得到焊盘和蛇形导线303的图案，并手动去除焊盘和蛇形导线303外的其他多余铜箔。

S102、在焊盘和蛇形导线上依次粘贴水溶胶带、聚酰亚胺薄膜和玻璃基板。

在本发明实施例中，请参考图4(4)-4(5),在焊盘和蛇形导线303上依次粘贴水溶胶带304、聚酰亚胺薄膜305和玻璃基板306，通过聚酰亚胺薄膜305可将上述样品粘合在玻璃基板306上。

S103、去除热熔胶带，并将MEMS惯性传感器中的所有模块安装在焊盘上。

在本发明实施例中，请参考图4(5)-4(6),将上述粘合后的玻璃基板306在120℃的热板上加热30s，剥离热熔胶带302。剥离热熔胶带302后，即可露出焊盘和蛇形导线303。然后在焊盘上安装MEMS惯性传感器307中的所有模块。

可选的，可以采用无铅焊膏焊接MEMS惯性传感器307中的所有模块。

具体的，MEMS惯性传感器307包括电源模块、MEMS惯性测量单元、微控制处理模块和蓝牙模块；MEMS惯性测量单元包括硅盖板层、MEMS惯性敏感结构层和ASIC电路层，硅盖板层上设有金属凸点。采用无源器件技术将ASIC电路层的无源器件进行集成，并利用重新布线技术对ASIC电路层的电路再布线。通过多层圆片将硅盖板层、MEMS惯性敏感结构层和ASIC电路层键合成MEMS惯性测量单元。通过硅通孔技术将硅盖板层、MEMS惯性敏感结构层和ASIC电路层垂直互联。最后通过金属凸点将硅盖板层与蛇形导线互联。从而构成整个MEMS惯性传感器。

S104、在MEMS惯性传感器中的所有模块和蛇形导线上，采用聚酯薄膜敷料进行封装。

在本发明实施例中，请参考图4(7)，通过聚酰亚胺薄膜305将MEMS惯性传感器307从玻璃基板306上释放出来。然后使用可拉伸粘合膜，如聚酯薄膜辅料，覆盖MEMS惯性传感器307的顶层。

S105、去除水溶胶带，并采用聚酯薄膜敷料对MEMS惯性传感器中的所有模块和蛇形导线进行封装。

在本发明实施例中，请参考图4(8)，采用去离子水剥离水溶胶带304，露出MEMS惯性传感器307和蛇形导线。最后采用聚酯薄膜敷料308对MEMS惯性传感器中的所有模块和蛇形导线进行封装。

本发明实施例提供的制备方法，首先，将铜箔贴合在热熔胶带上，对铜箔进行预设切割处理，得到焊盘和蛇形导线，然后，在焊盘和蛇形导线上依次粘贴水溶胶带、聚酰亚胺薄膜和玻璃基板，接着，去除热熔胶带，并将MEMS惯性传感器中的所有模块安装在焊盘上。次之，在MEMS惯性传感器中的所有模块和蛇形导线上，采用聚酯薄膜敷料进行封装。最后，去除水溶胶带，并采用聚酯薄膜敷料对MEMS惯性传感器中的所有模块和蛇形导线进行封装。本发明提供的制备方法工艺简单，易于操作，可实现量化生产。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种柔性衬底的MEMS惯性传感器的制备方法，其特征在于，包括：

将铜箔贴合在热熔胶带上，对所述铜箔进行预设切割处理，得到焊盘和蛇形导线；

在所述焊盘和所述蛇形导线上依次粘贴水溶胶带、聚酰亚胺薄膜和玻璃基板；

去除所述热熔胶带，并将MEMS惯性传感器中的所有模块安装在所述焊盘上；

在所述MEMS惯性传感器中的所有模块和所述蛇形导线上，采用聚酯薄膜敷料进行封装；

去除所述水溶胶带，并采用聚酯薄膜敷料对所述MEMS惯性传感器中的所有模块和所述蛇形导线进行封装。

2.如权利要求1所述的柔性衬底的MEMS惯性传感器的制备方法，其特征在于，所述对所述铜箔进行预设切割处理，包括：

采用计算机辅助设计程序预先在所述铜箔上设计所述焊盘和所述蛇形导线的形状；

利用可编程切割器对所述铜箔按照所述形状进行切割，得到所述焊盘和所述蛇形导线，并去除多余的铜箔。

3.如权利要求1所述的柔性衬底的MEMS惯性传感器的制备方法，其特征在于，所述去除所述热熔胶带，包括：

对所述玻璃基板进行加热，剥离所述热熔胶带。

4.如权利要求1所述的柔性衬底的MEMS惯性传感器的制备方法，其特征在于，所述去除所述水溶胶带，包括：

采用去离子水剥离所述水溶胶带。

5.如权利要求1所述的柔性衬底的MEMS惯性传感器的制备方法，其特征在于，所述MEMS惯性传感器包括电源模块、MEMS惯性测量单元、微控制处理模块和蓝牙模块；所述MEMS惯性测量单元包括硅盖板层、MEMS惯性敏感结构层和ASIC电路层，所述硅盖板层上设有金属凸点；

所述将MEMS惯性传感器中的所有模块安装在所述焊盘上，包括：

采用无源器件技术将所述ASIC电路层的无源器件进行集成，并利用重新布线技术对所述ASIC电路层的电路再布线；

通过多层圆片将所述硅盖板层、所述MEMS惯性敏感结构层和所述ASIC电路层键合成所述MEMS惯性测量单元；

通过硅通孔技术将所述硅盖板层、所述MEMS惯性敏感结构层和所述ASIC电路层垂直互联；

通过所述金属凸点将所述硅盖板层与所述蛇形导线互联。

6.一种基于柔性衬底的MEMS惯性传感器，采用权利要求1-5任一项所述的柔性衬底的MEMS惯性传感器的制备方法制备而成，其特征在于，包括：

柔性衬底，所述柔性衬底的上表面设有焊盘和蛇形导线；

MEMS惯性传感器，设于所述焊盘上，所述MEMS惯性传感器中的所有模块通过所述蛇形导线连接；

保护层，覆盖在所述MEMS惯性传感器和所述柔性衬底的上表面。

7.如权利要求6所述的基于柔性衬底的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述柔性衬底和所述保护层为可拉伸的粘合膜。

8.如权利要求6所述的基于柔性衬底的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述MEMS惯性传感器包括电源模块、MEMS惯性测量单元、微控制处理模块和蓝牙模块；

所述微控制处理模块通过I2C协议与所述MEMS惯性测量单元进行通信，并通过所述蓝牙模块发送测量数据；

所述MEMS惯性测量单元通过所述MEMS惯性测量单元上金属凸点与所述蛇形导线连接；

所述电源模块为所述MEMS惯性传感器供电。

9.如权利要求8所述的基于柔性衬底的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述MEMS惯性测量单元包括硅盖板层、MEMS惯性敏感结构层和ASIC电路层；

所述硅盖板层、所述MEMS惯性敏感结构层和所述ASIC电路层通过多层圆片键合成所述MEMS惯性测量单元；所述硅盖板层、所述MEMS惯性敏感结构层和所述ASIC电路层通过硅通孔技术实现垂直互联；

所述硅盖板层上设有所述金属凸点，所述硅盖板层通过所述金属凸点与所述蛇形导线互联。

10.如权利要求6所述的基于柔性衬底的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述蛇形导线的线宽范围为200μm-400μm。