CN117054687A - 一种单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，包括硅敏感结构及其两侧的盖板、基板，硅敏感结构由SOI(Silicon on Insulator)片加工而成，通过矩形连接梁弹性悬置于设计在硅敏感结构中心位置的方形锚点上，SOI片的器件层与衬底层通过电气孔实现等电势作为电容器的公共上电极；基板上加工有若干个独立的电容器下电极，分别检测三个轴向加速度；盖板实现了加速度计一定真空度的晶圆封装，盖板上的引线孔实现了加速度计芯片外部的电气连接。本发明采用中心单支点结构，相比传统周边固支结构，一方面可以有效地减小芯片在MEMS加工、封装过程中温度应力对传感器的影响，另一方面，可以从理论上消除轴间耦合的影响。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS传感器领域，特别涉及一种单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片。
背景技术
低成本、小型化、高稳定性是MEMS加速度计产品的核心竞争力。加速计芯片的面积、生产的效率和成本率直接影响生产成本，加速度计芯片在封装过程中会产生应力，严重影响加速度计性能的稳定性，
三轴加速度计的实现有三种模式，分别为混合集成式，片内、片外集成式和单片集成式。第一种模式多个加速度计的组装精度直接影响到三轴加速度计的性能，还存在生产效率低、体积大的不足，无法在消费电子领域中应用；第二种模式下水平面采用集成式，竖直方向的加速度计需要一个栓锁装置与水平面相连，同前一模式加速度计一样同样需要校准、无法量产；第三种模式下应用MEMS体硅加工工艺或表面微机械加工工艺，将三个轴向做在同一个衬底上，可采用单质量块或多质量块结构，相比前两种具有体积小、无需人工校准，易于批量化生，可重复度高等特点。现在，单片集成式成为三轴加速度计的主流模式。单质量块结构具有体积小、成本低的优点，是单片三轴加速度计的一个重要研究方向。此外，晶圆级封装可以提高MEMS传感器的成本率和生产效率，是提高MEMS传感器竞争力的核心技术之一。
三、现有技术及存在的不足：
发明专利《一种新型MEMS高g值三轴加速度计》(申请号CN202111531486.8)公开的三轴加速度计包括外部矩形框架，设在外部矩形框架中心的质量块，设计外部矩形框架和质量块之间的回形梁，回形梁与质量块之间通过中间支撑梁连接，外部矩形框架、回形梁及质量块在四角位置通过对角支撑梁连接，在外部矩形框架和回形梁之间连接有敏感微梁，在敏感微梁上设置有压敏电阻。
发明专利《一种三轴加速度计》(申请号CN202211256355.8)公开的三轴加速度计包括衬底及位于衬底上的第一锚点、第二锚点、X轴检测结构、Y轴检测结构和Z轴检测结构，所述Z轴检测结构具有空腔，包括Z轴质量块、扭转梁和Z轴检测梳齿，所述Z轴梳齿并具有重叠面积，其中，所述X轴检测结构及Y轴检测结构设于所述空腔中。
发明专利《MEMS三轴加速度计》(申请号CN202210405363.8)公开的三轴加速度计包括可沿彼此垂直的三个方向运动的可动结构以及用于固定可动结构的中心锚点，可动结构包括三个质量块，每个质量块的运运直线相互独立，从而能够在加速度检测时，互不干扰。
发明专利《一种三轴加速度计》(申请号CN202121928376.0)公开的三轴加速度计采用中心锚点结构，将X轴加速度计和Y轴加速度计设置在Z轴加速度计的质量块内，其整体架构合理紧凑，可节省芯片面积，降低成本。
上述发明专利1用一个敏感结构实现了三轴加速度的检测，将敏感结构四周的边框设置为锚点，存在易受应力影响的问题；发明专利2只采用两个锚点结构，用三个敏感结构分另检测三个轴向的加速度，减小了应力对加速计性能的影响，多外敏感结构导致体积比较大，成本高；发明专利3和4均采用了单支点结构，将应力对传感器性能的影响降到了最低，多敏感结构限制了传感器的体积和成本。此外，上述发明专利所提出的三轴加速度计没有实现晶圆级封装，直接影响到传感器的生产效率、成本、成品率等。
发明内容
本发明目的是：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，有效地减小芯片在MEMS加工、封装过程中温度应力对传感器性能的影响，以及三轴加速度计的轴间耦合问题。
本发明的技术方案是：
一种单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，包括硅敏感结构及其两侧分别设置的盖板、基板，其中：
硅敏感结构包括一个“回”形加速度敏感结构、一个方形锚点和四个矩形连接梁；方形锚点位于硅敏感结构的中心，方形锚点的四条边上分别通过一个矩形连接梁将“回”形加速度敏感结构悬置于方形锚点上，“回”形加速度敏感结构外围还设置一个回形的键合环；回形加速度敏感结构采用SOI晶圆，与器件层等电势的衬底层作为电容器的上电极；
盖板中间设置一个引线孔，引出加速度计芯片的引线；引线孔及盖板四周分别设置键合环，与硅敏感结构的方形锚点、外围键合环键合；
基板上加工有若干个独立的电容器下电极，分别检测三个轴向加速度，基板四周与硅敏感结构的键合环键合。
回形加速度敏感结构与基板及盖板之间均有一定的间隙，使回形加速度敏感结构在受到加速度时可以产生位移，完成加速度到电信号的转换。
所述硅敏感结构的方形锚点、矩形连接梁和回形加速度敏感结构的上表面处于同一水平面内。
优选的，硅敏感结构所用的SOI片的器件层和衬底层的电阻率不大于0.01Ω·cm～0.02Ω·cm。
优选的，在回形加速度敏感结构的四条边上和方形锚点上分别设置有一个电气孔，电气孔的深度不小于SOI器件层和氧化层的厚度，在电孔侧壁上设置有金属，实现SOI片衬底层和器件层的电势相等；方形锚点上设置有金属焊盘，实现传感器与外部电路的电学连接。
优选的，所述基板上加工有8独立的电容器下电极，其中两个电极差分输出检测X方向加速度，另外两个差分输出检测Y方向加速度，剩余四个电极并联检测Z方向加速度。
优选的，所述回形加速度敏感结构关于X轴和Y轴对称，受到X方向加速度时，检测X轴向加速度的两个电容一个增大、一个减小，经过C-V转换电路差分输出电信号检测到相应的加速度；检测Y方向加速度的两个电容变化量相同，经过C-V转换电路差分输出为零，检测Z方向加速度的四个电容，其中两个电容变大，两个电容变小，变化量相同，并联之后电容整体变化量为零，即输出为零；回形加速度敏感结构受到Z方向加速度时，检测Z方向加速度的四个电容同时增大或减小，经过C-V转换电路后输出电压信号，而检测X和Y轴向加速度的两个电容同时增大或减小且变化量相同，经过C-V转换电路差分输出之后为零。
优选的，所述基板上的下电极可以通过掺杂工艺、也可以通过淀积或蒸镀金属后图形化加工形成。
优选的，所述四个矩形连接梁呈十字形垂直分布在方形锚点的四条边上。
优选的，所述四个矩形连接梁的厚度为SOI片器件层的厚度，方形锚点的厚度为SOI片的厚度，“回”形加速度敏感结构的厚度小于方形锚点的厚度，使回形加速度敏感结构与基板之间有一定的间隙。
本发明的优点是：
1.本发明提出的三轴电容式加速度传感器芯片，采用中心单支点结构，相比传统周边固支结构，能够大幅度降低芯片在M E MS加工、封装过程中温度应力对传感器性能的影响，可以有效地提高加速度计的整体性能。
2、本发明提出的单片三轴电连接梁结构采用电容原理，与传统压阻式连接梁结构相比，可以有效地降低连接梁末端应力不对称导致的轴间耦合大的问题。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片的结构爆炸图；
图2为盖板的结构示意图；
图3为硅敏感结构的示意图；
图4为基板的结构示意图；
图5为本发明芯片的有限元仿真模型；
图6为本发明芯片受到+X方向加速度时硅敏感结构的变形示意图；
图7为本发明芯片受到+Y方向加速度时硅敏感结构的变形示意图；
图8为本发明芯片受到+Z方向加速度时硅敏感结构的变形示意图；
图9传统周边固支结构的测试位移示意图；
图10中心单支点固支结构测试位移示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，由盖板1、硅敏感结构2和基板3三部分组成，盖板1和基板3分别位于硅敏感结构2的两侧，盖板1和基板3都是硅晶圆，实现硅敏感结构2的晶圆级密封。
如图2所示，所述盖板层1中间设置一个方形的引线孔12，引出加速度计芯片的引线，使加速度计芯片的电信号与外部互连。方形的引线孔12周围有一圈第一键合环11，盖板层1的最外层有一圈第二键合环13，盖板层1的两个键合环之间形成第一腔体14，第一腔体14使硅敏感结构2在加速度的作用下可以运动变形。
硅敏感结构2为SOI晶圆，在器件层和衬底层之间有电学连接孔，使衬底层与器件层的电势相等，SOI晶圆的器件层和衬底层视为良导体，衬底层作为电容器的上电极，是检测三个轴向加速度电容变化的公共可动电极。
如图3所示，所述硅敏感结构2包括一个“回”形加速度敏感结构26、一个方形锚点23、四个矩形连接梁24和第四键合环27；方形锚点23的四边上分别通过一个矩形连接梁24连接回形加速度敏感结构26，将回形加速度敏感结构弹性悬置于方形锚点23上。回形加速度敏感结构26外围设置第四键合环27，回形加速度敏感结构26与第四键合环27之间通过隔离槽21实现物理隔离。第四键合环27的的厚度与SOI片的厚度相同。
图3中，四个矩形连接24梁呈“十”字形分布在方形锚点23的四条边上，“回”形加速度敏感结构26、方形锚点23和矩形连接梁24的上表面处于同一水平面内，矩形连接梁24的厚度为SO I片器件层的厚度，方形锚点23的厚度为SOI片的厚度，回形加速度敏感结构26的厚度小于方形锚点23的厚度，使“回”形加速度敏感结构26与基板3之间有一定的间隙，一方面使回形加速度敏感结构26在受到加速度时可以产生位移，使电容器的电容改变，实现加速度到电信号的转换，另一方面可以调节压膜阻尼，使加速度计的工作带宽达到最优值。
在“回”形加速度敏感结构26的四条边上和方形锚点23上分别设置有一个电气孔25，电气孔25的深度不小于SO I器件层和氧化层的厚度，在电孔侧壁上设置有金属，实现SOI片衬底层和器件层的电势相等，在方形锚点23上设置有金属焊盘22，实现传感器与外部电路的电学连接。
如图4所示，在基板表面加工有相互隔离的8个电容器下电极，其中：电极X1和X2差分检测X轴方向加速度，电极Y1和Y2差分检测Y轴方向加速度，电极Z1、Z2、Z3和Z4作为一个整体检测Z方向加速度。为了保证电容器的有效面积不会随敏感结构的运动而发生变化，下电极的尺寸略大于敏感结构的尺寸。下电极可以是通过掺杂工艺加工，也可以通过淀积或蒸镀金属后图形化加工。
所述回形加速度敏感结构关于X轴和Y轴对称，受到X方向加速度时，检测X轴向加速度的两个电容一个增大、一个减小，经过C-V转换电路差分输出电信号检测到相应的加速度；检测Y方向加速度的两个电容变化量相同，经过C-V转换电路差分输出为零，检测Z方向加速度的四个电容，其中两个电容变大，两个电容变小，变化量相同，并联之后电容整体变化量为零，即输出为零；回形加速度敏感结构受到Z方向加速度时，检测Z方向加速度的四个电容同时增大或减小，经过C-V转换电路后输出电压信号，而检测X和Y轴向加速度的两个电容同时增大或减小且变化量相同，经过C-V转换电路差分输出之后为零。
为了验证本专利所提出结构的可行性，对单支点单片三轴电容式加速度传感器进行了仿真验证，建立的有限元仿真模型如图5所示，8个电容器的初始电容如表1所示。
表1不同轴向加速度时加速度计的输出电压
受到+X方向加速度时，敏感结构的变形如图6所示，“回”字形敏感结构绕Y轴转动，最大位移与最小位移的变化量相等，检测X轴向加速度两个电容、检测Y轴向加速度两个电容变、检测Z轴向加速度四个电容值及电容变化量如表2所示。
表2受到+X方向加速度时各加速电容值及电容变化量
Y轴向和Z轴向电容的变化量远远小于X轴向电容的变化量，8个电容器的X、Y和Z三个轴向的灵敏度分别为3.41fF/g，0fF/g和0.06fF/g，X轴向加速度对Y轴和Z轴的交叉耦合度分别为0％和1.76％。
受到+Y方向加速度时，敏感结构的变形如图7所示，“回”字形敏感结构绕Y轴转动，最大位移与最小位移的变化量相等，检测X轴向加速度两个电容、检测Y轴向加速度两个电容变、检测Z轴向加速度四个电容值及电容变化量如表3所示。
表3受到+Y方向加速度时各加速电容值及电容变化量
X轴向和Z轴向电容的变化量远远小于Y轴向电容的变化量，8个电容器的X、Y和Z三个轴向的灵敏度分别为0fF/g，3.41fF/g和0.06fF/g，Y轴向加速度对X轴和Z轴的交叉耦合度分别为0％和1.76％。
受到+Z方向加速度时，敏感结构的变形如图8所示，“回”字形敏感结构绕Y轴转动，最大位移与最小位移的变化量相等，检测X轴向加速度两个电容、检测Y轴向加速度两个电容变、检测Z轴向加速度四个电容值及电容变化量如表4所示。
表4受到+Z方向加速度时各加速电容值及电容变化量
X轴向和Y轴向电容的变化量远远小于Z轴向电容的变化量，8个电容器的X、Y和Z三个轴向的灵敏度分别为0fF/g，0fF/g和7.24fF/g，Z轴向加速度对X轴和Y轴的交叉耦合度分别为0％和0％。
通过热应力仿真分析温度变化对周边固支结构和中心单支点固支结构位移的影响。分析时，在固支表面施加10000W/m2的热通量，在所有其他边界上使用对流边界条件，传热系数为10W/m2K，293.15K室温用作外部温度。周边固支结构和中心单支点固支结构的位移分别如图9和图10所示。从图9、10中可以看出，周边固支结构的位移为面外方向，连接梁的位移最大；中心单支点固支结构位移沿为面内方向，周边惯性敏感单元的位移最大。周边固支结构的最大位移为1.07μm，中心单支点固支结构的最大位移为0.189μm，为周边固支结构的17.66％。
此外，连接梁作为弹性元件，大的位移会导致器件的非线性、压阻器件还会产生较大的零偏，导致器件的失效，因此，热应力对周边固支结构的器件影响非常显著；此外，中心单支点结构的面内位移约为0.189μm，远小于惯性敏感单元的800μm宽度，即对电容式加速度计的初始电容和灵敏度几乎没有影响。
本发明公开和揭示的所有组合可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。
Claims (9)
1.一种单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，其特征在于，包括硅敏感结构及其两侧分别设置的盖板、基板，其中：
硅敏感结构包括一个“回”形加速度敏感结构、一个方形锚点和四个矩形连接梁；方形锚点位于硅敏感结构的中心，方形锚点的四条边上分别通过一个矩形连接梁将“回”形加速度敏感结构悬置于方形锚点上，“回”形加速度敏感结构外围还设置一个回形的键合环；回形加速度敏感结构采用SOI晶圆，与器件层等电势的衬底层作为电容器的上电极；
盖板中间设置一个引线孔，将加速度计芯片的信号引出；引线孔及盖板四周分别设置键合环，与硅敏感结构的方形锚点、外围键合环键合；
基板上加工有若干个独立的电容器下电极，分别检测三个轴向加速度，基板四周与硅敏感结构的键合环键合。
2.根据权利要求1所述的单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，其特征在于，“回”形加速度敏感结构与基板及盖板之间均有一定的间隙；“回”形加速度敏感结构在受到加速度时可以产生位移。
3.根据权利要求1所述的单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，其特征在于，所述硅敏感结构中的方形锚点、矩形连接梁和“回”形加速度敏感结构的上表面处于同一水平面内。
4.根据权利要求3所述的单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，其特征在于，在“回”形加速度敏感结构的四条边上和方形锚点上分别设置有一个电气孔，电气孔的深度不小于SOI器件层和氧化层的厚度，在电孔侧壁上设置有金属，实现SOI片衬底层和器件层的电势相等；方形锚点上设置有金属焊盘，实现传感器与外部电路的电学连接。
5.根据权利要求1所述的单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，其特征在于，所述基板上加工有8个隔离的电容器下电极，其中两个电极差分输出检测X方向加速度，另外两个差分输出检测Y方向加速度，剩余四个电极并联检测Z方向加速度。
6.根据权利要求5所述的单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，其特征在于，所述“回”形加速度敏感结构关于X轴和Y轴对称，受到X方向加速度时，检测X轴向加速度的两个电容一个增大、一个减小，经过C-V转换电路差分输出电信号检测到相应的加速度；检测Y方向加速度的两个电容变化量相同，经过C-V转换电路差分输出为零，检测Z方向加速度的四个电容，其中两个电容变大，两个电容变小，变化量相同，并联之后电容整体变化量为零，即输出为零；回形加速度敏感结构受到Z方向加速度时，检测Z方向加速度的四个电容同时增大或减小，经过C-V转换电路后输出电压信号，而检测X和Y轴向加速度的两个电容同时增大或减小且变化量相同，经过C-V转换电路差分输出之后为零。
7.根据权利要求5所述的单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，其特征在于，所述基板上的下电极可以通过掺杂工艺、也可以淀积或蒸镀金属后图形化加工形成。
8.根据权利要求1所述的单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，其特征在于，所述四个矩形连接梁呈“十”字形垂直分布在方形锚点的四条边上。
9.根据权利要求8所述的单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片，其特征在于，所述四个矩形连接梁的厚度为SOI片器件层的厚度，方形锚点的厚度为SOI片的厚度，“回”形加速度敏感结构的厚度小于方形锚点的厚度，使“回”形加速度敏感结构与基板之间有一定的间隙。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311084917.XA CN117054687A (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片 |
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| CN202311084917.XA CN117054687A (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种单支点单片集成三轴电容式加速度计芯片 |
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| CN117054687A true CN117054687A (zh) | 2023-11-14 |
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