CN118011043A - 具有一体式应力隔离下极板的微加速度计及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，提供一种具有一体式应力隔离下极板的微加速度计及其加工方法。微加速度计包括下极板和连接至下极板的应力缓冲板。下极板包括下极板主体和与下极板主体一体成型的隔离结构，应力缓冲板包括应力缓冲板主体和位于应力缓冲板主体上的隔离连接部。其中，下极板与应力缓冲板之间通过隔离结构与隔离连接部键合连接，且下极板主体与应力缓冲板主体之间形成间隙。下极板主体与隔离结构材料一致且一体成型，避免了下极板主体与隔离结构之间热失配的问题。下极板和应力缓冲板的固定连接通过隔离结构和隔离连接部键合连接实现，不仅有利于降低下极板固定至应力缓冲板时对加速度计性能的影响，还能降低装配难度，避免精密装配。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及微加速度计的应力隔离。
背景技术
在微加速度计的封装过程中，贴片环节不可避免地对芯片的变形与应力产生影响。为了减小贴片对芯片的变形与应力产生影响，一般在管壳基底（微加速度计的基底）和芯片之间引入应力隔离结构。其中，管壳基底具有安装面，安装面与设置隔离结构的面相对设置。这种方法的好处是应力隔离结构的材料可以灵活选择。但面临如下缺点：应力隔离结构单独加工，跟芯片组装时，需要通过额外的设备控制隔离结构跟芯片的粘接位置精度，并耗费人力；另外，隔离结构跟芯片一般通过胶粘接在一起，面临不同材料热失配（CTE失配）的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有一体式应力隔离下极板的微加速度计及其加工方法。
本公开的第一方面，提供一种具有一体式应力隔离下极板的微加速度计。该微加速度计包括下极板和连接至下极板的应力缓冲板。下极板包括下极板主体和与下极板主体一体成型的隔离结构，应力缓冲板包括应力缓冲板主体和位于应力缓冲板主体上的隔离连接部。其中，下极板与应力缓冲板之间通过隔离结构与隔离连接部键合连接，且下极板主体与应力缓冲板主体之间形成间隙。
具体地，在一些实施例中，下极板主体的下侧设有凹槽，隔离结构设置于凹槽中，隔离结构的下表面与下极板主体的下表面齐平；隔离连接部凸出于应力缓冲板主体。在另一些实施例中，隔离结构凸出于下极板主体的下表面。
优选地，隔离结构和隔离连接部均被构造成柱体。
更具体地，微加速度计还包括上极板和中间极板，上极板、中间极板和下极板依次键合连接。上极板、中间极板、下极板和应力缓冲板主体的材料均为硅。中间极板包括边框和设置于边框内侧的悬臂梁和质量块，悬臂梁的一端连接至边框，悬臂梁的另一端连接至质量块。其中，上极板和质量块形成第一电容，下极板和质量块形成第二电容。
优选地，微加速度计还包括第一电气隔离层和第二电气隔离层。第一电气隔离层设置于下极板与中间极板之间，第二电气隔离层设置于中间极板与上极板之间。其中，第一电气隔离层和第二电气隔离层的材料均为氧化硅。
可选地，上极板、中间极板和下极板分别设有用于与外界电连接的焊盘，三个焊盘在空间上错开布置。
本公开的第二方面，提供一种微加速度计的加工方法，该微加速度计为本公开第一方面的微加速度计，其中，下极板的加工方法包括如下步骤：
S01、清洗第一基片；
S02、使第一基片表面氧化形成氧化膜；
S03、第一基片上、下表面光刻，在第一基片下表面形成隔离结构和焊盘的刻蚀图形，在第一基片上表面形成焊盘的刻蚀图形；
S04、去除待刻蚀区域的氧化膜；
S05、采用湿法刻蚀，形成焊盘和隔离结构；
S06、去胶清洗，在第一基片上没有隔离结构的一面光刻，形成边框的刻蚀图形；
S07、去除第一基片上表面和下表面暴露出的氧化膜；
S08、去胶清洗。
进一步地，应力缓冲板的加工方法包括如下步骤：
S01、清洗第二基片；
S02、在第二基片的一面光刻形成隔离连接部的刻蚀图形；
S03、采用湿法刻蚀，形成隔离连接部；
S04、去胶清洗。
具体地，该加工方法包括：在不同的基片上分别制备上极板、中间极板、下极板及应力缓冲板；先将上极板、中间极板和下极板键合；再将下极板的隔离结构与应力缓冲板的隔离连接部键合；最后划片，形成独立的微加速度计。
本发明的一体式应力隔离下极板的微加速度计及其加工方法，具备以下的特点和优点：
1、下极板主体与隔离结构材料一致且一体成型，避免了下极板主体与隔离结构之间热失配的问题。
2、由于隔离结构是下极板的一部分，下极板和应力缓冲板的固定连接通过隔离结构和隔离连接部键合连接实现，不仅有利于降低下极板固定至应力缓冲板时对加速度计性能的影响，还能降低装配难度，避免精密装配。
3、在上极板与中间极板之间设置第二电气隔离层，以及在下极板与中间极板之间设置第一电气隔离层即可实现封装和电气隔离，封装工艺简单，通过设置第一电气隔离层和第二电气隔离层还为质量块提供了摆动空间。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明的微加速度计的剖面示意图；
图2示出了本发明的微加速度计的俯视示意图；
图3示出了图1中的下极板的仰视示意图；
图4示出了图1中的下极板设有第一电气隔离层的俯视示意图；
图5示出了本发明的另一种实施例的下极板的仰视示意图；
图6示出了图1中的应力缓冲板的俯视示意图；
图7~图15示出了下极板的加工流程示意图；
图16示出了在图9所示的加工步骤中，基片的上表面的光刻图形；
图17示出了在图9所示的加工步骤中，基片的下表面的光刻图形；
图18~图21示出了应力缓冲板的加工流程示意图。
附图标记说明：
100-微加速度计，55-第一电气隔离层，72-第二电气隔离层，104-间隙；
10-上极板，20-中间极板；
30-下极板，31-下极板主体，32-凹槽，33-隔离结构，34-焊盘，35-下表面，36-凹槽底面；
40-应力缓冲板，41-应力缓冲板主体，42-隔离连接部；
51-第一基片，52-氧化膜，61-第二基片，70-光刻胶。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明公开一种具有一体式应力隔离下极板的微加速度计100，其包括具有应力隔离结构的下极板30和应力缓冲板40。其中，下极板30具有电容面，隔离结构设置在与电容面相对的一侧。应力缓冲板40具有封装面，与封装面相对的一面上设有隔离连接部。下极板30的隔离结构和应力缓冲板40的隔离连接部键合连接，且在下极板30和应力缓冲板40之间形成间隙（此处是指在下极板30的主体与应力缓冲板40的主体之间形成间隙，后续再详细介绍）。对微加速度计100进行封装时，将应力缓冲板40的封装面直接固定至管壳的基底。下极板主体与隔离结构材料一致且一体成型，可以避免下极板主体与隔离结构材料不一致且通过粘接的方式固定导致的热失配的问题。由于隔离结构是下极板30的一部分，下极板30与应力缓冲板40之间的固定连接通过隔离结构与隔离连接部键合连接来实现，不仅有利于降低下极板30固定至应力缓冲板40时对加速度计性能的影响，还能降低装配难度，避免精密装配。
具体地，参见图1、图2，微加速度计100为电容式微加速度计，包括上极板10、中间极板20、下极板30和应力缓冲板40。其中，上极板10、中间极板20和下极板30依次键合连接。上极板10具有电容面，该电容面为靠近中间极板20的一面。下极板30具有电容面，该电容面为靠近中间极板20的一面。中间极板20包括边框、质量块和悬臂梁，质量块和悬臂梁设置于边框的内侧，质量块通过悬臂梁连接至边框，质量块的上下表面均为电容面。在一些实施例中，上极板10、中间极板20和下极板30的材料一致且为半导体材料，例如硅等。上极板10与质量块形成第一电容，下极板30与质量块形成第二电容。当质量块位于纵向的中间位置时，第一电容、第二电容的电容值相等。当质量块在加速度作用下，上下摆动时，第一电容、第二电容的电容值一个变大一个变小，通过差分可获得加速度的大小和方向。在另一些实施例中，上极板10、中间极板20和下极板30的材料可以部分或全部为非导电材料。例如，上极板10、中间极板20和下极板30的材料为非导电材料且为同一种材料，例如熔石英等。上极板10的电容面上设有第一导电层，质量块的上下表面分别设有第二导电层和第三导电层，下极板30的电容面上设有第四导电层。此时，质量块的上表面的第一导电层与上极板的第二导电层形成第一电容，质量块的下表面的第三导电层与下极板的第四导电层形成第二电容。
继续参见图1、图3和图5，下极板30包括下极板主体31和与下极板主体31一体成型的隔离结构33。具体地，下极板主体31大致被构造成平板状，下极板30的电容面为下极板主体31的上表面，隔离结构33设置于与上表面相对的另一侧。下极板主体31与隔离结构33材料一致且一体成型，避免了下极板主体31与隔离结构33之间热失配的问题。更具体地，在一些实施例中，参见图3，下极板主体31的下侧设有凹槽32，凹槽32环绕隔离结构33。具体地，参见图1，凹槽32具有凹槽底面36，隔离结构33凸出于凹槽底面36。下极板主体31具有下表面35，凹槽32设置于下表面35的内侧。继续参见图3，下极板主体31被构造成方形的平板状，下极板主体31的下侧中部设有凹槽32，凹槽32可以被构造成规则或不规则图形，例如方形、圆形等。隔离结构33被构造成柱状，可选地，隔离结构33的横截面形状与凹槽32的形状相似。优选地，凹槽32为圆形，隔离结构33为圆柱状。更优选地，为方便加工，隔离结构33的下表面与下极板主体31的下表面齐平。
可替代地，在另一些实施例中，参见图5，下极板主体31被构造成方形的平板状，下极板主体31未设置凹槽32，隔离结构33设置于下极板主体31下表面的中部。隔离结构33凸出于下极板主体31的下表面。隔离结构33可被构造成圆柱状、其它规则或不规则的柱状体。
参见图6，应力缓冲板40包括应力缓冲板主体41和隔离连接部42，隔离连接部42设置于应力缓冲板主体41的上表面，应力缓冲板40的封装面为下表面。应力缓冲板主体41被构造成方形的平板状，隔离连接部42设置于应力缓冲板主体41的上表面的中部。具体地，隔离连接部42也被构造成柱状，其横截面形状与隔离结构33的横截面形状相似。更具体地，隔离连接部42被构造成圆柱状。优选地，隔离连接部42的横截面的圆形的半径与隔离结构33的横截面的圆形的半径相等。
继续参见图1，下极板30与应力缓冲板40之间通过隔离连接部42和隔离结构33键合连接，应力缓冲板40和下极板30之间形成环绕隔离连接部42和隔离结构33的间隙104。间隙104有利于降低应力缓冲板40的封装面的应力传导至下极板30，从而降低对微加速度计100的各个电容面的影响。
当下极板主体31的下表面35与隔离结构33的下表面平齐时，通过调节隔离连接部42的纵向高度即可调节下极板主体31的下表面35与应力缓冲板主体41的上表面之间的距离。隔离连接部42和隔离结构33被构造成横截面形状相同的柱状，有利于隔离连接部42和隔离结构33装配时定位，避免精密装配，从而简化装配操作。另外，在一些实施例中，下极板30和应力缓冲板40为同一种材料，例如，均为硅。下极板30和应力缓冲板40通过较小的面积键合连接，且两者材料相同，进一步解决了封装时热失配（CTE失配）的问题，降低封装应力。
在一些实施例中，上极板10和中间极板20的材料与下极板30和应力缓冲板40相同。优选地，上极板10、中间极板20、下极板30和应力缓冲板40均为硅。
可选地，在一些实施例中，上极板10的下侧设有第一凹部，第一凹部的底面为上极板10的电容面。下极板30的上侧设有第二凹部，第二凹部的底面为下极板30的电容面。上极板10、中间极板20和下极板30依次键合时，上极板10外周的下表面连接至中间极板20的边框的上表面，下极板30外周的上表面连接至中间极板20的边框的下表面。通过设置第一凹部和第二凹部，可为质量块提供摆动空间。
在另一些实施例中，参见图1，微加速度计100还包括第一电气隔离层55和第二电气隔离层72，上极板10与中间极板20之间设有第二电气隔离层72，中间极板20与下极板30之间设有第一电气隔离层55。第一电气隔离层55和第二电气隔离层72不仅用于实现微加速度计100的电气隔离，还能为质量块提供摆动空间。通过调节第一电气隔离层55和第二电气隔离层72的厚度，可调节中间极板20与上极板10、下极板30的距离。具体地，第一电气隔离层55和第二电气隔离层72被构造成与边框相同的框形。参见图4，第一电气隔离层55具体为方框形。第一电气隔离层55和第二电气隔离层72的材料可以是氧化硅。优选地，上极板10、中间极板20和下极板30的材料为硅时，在使用基片制备下极板30时，通过表面氧化而形成第一电气隔离层55；在使用基片制备上极板10和/或中间极板20时，通过表面氧化而形成第二电气隔离层72。
在一些实施例中，上极板10、中间极板20和下极板30均设有用于与外界电连接的焊盘。参见图2，三者的焊盘设置于同一侧，且该侧与悬臂梁相邻。优选地，三者的焊盘在空间上错开布置，也即，三个焊盘在水平面上的投影错开布置。参见图3和图5，下极板30的焊盘34设置于下极板主体31的外侧。焊盘34的上表面可以与下极板主体31的上表面齐平；焊盘34的下表面可以与下极板主体31的下表面35齐平，也可以与凹槽底面36齐平。参见图3和图5，下极板30的焊盘34的下表面与下极板主体31的下表面35齐平。
本发明还公开一种微加速度计的加工方法，被加工的微加速度计为上述的微加速度计，其中，微加速度计的上极板10、中间极板20、下极板30及应力缓冲板40的材料均为硅。下面以设置图3所示的下极板30的微加速度计100为例进行说明。微加速度计100的加工方法为：分别采用不同的基片制备上极板10、中间极板20、下极板30及应力缓冲板40，各基片上分别制备若干个上极板10、中间极板20、下极板30及应力缓冲板40。其中，氧化下极板30的上表面和/或中间极板20的下表面形成第一电气隔离层55，氧化上极板10的下表面和/或中间极板20的上表面形成第二电气隔离层72。先将上极板10、中间极板20和下极板30键合；再将下极板30与应力缓冲板40键合，即将隔离结构33与隔离连接部42键合。最后划片，形成若干个独立的微加速度计100。其中，制备上极板10和中间极板20可用现有的常规加工方法实现。在此，对下极板30和应力缓冲板40的加工步骤进行详细说明。
参见图7~图15以及图16和图17，其中，图7为第一基片上下表面氧化后的示意图，图8为在氧化后的第一基片正反两面涂覆光刻胶后的示意图，图9为光刻后的示意图，图10为去除待刻蚀区域氧化层后的示意图，图11为刻蚀形成隔离结构并去胶清洗后的示意图，图12为在未设置隔离结构的一面涂覆光刻胶后的示意图，图13为光刻形成边框刻蚀图形后的示意图，图14为去除第一基片上下表面暴露出的氧化膜后的示意图，图15为去胶清洗后的示意图，本发明提供的制备下极板30的方法包括如下几个步骤：
S01：清洗第一基片51。可使用硫酸和双氧水的混合溶液清洗硅材质的第一基片51，清除第一基片表面的杂质。本施例中，第一基片51的厚度约为800μm。
S02：将清洗好的第一基片51进行表面氧化形成氧化膜52。具体的，氧化膜的材料为氧化硅。参见图7，具体可采用干氧氧化、湿氧氧化或水汽氧化中的一种，使第一基片51的上下表面被氧化而形成氧化膜52。氧化硅为绝缘材料，第一基片51上表面的部分氧化膜可作为微加速度计的第一电气隔离层55。
S03：参见图8，在氧化后的第一基片51的正反两面涂覆光刻胶70，再光刻形成如图9所示的焊盘的刻蚀图形和隔离结构的刻蚀图形。具体地，在第一基片51的上表面形成如图16所示的焊盘刻蚀图形，在第一基片51的下表面形成如图17所示的焊盘刻蚀图形和隔离结构刻蚀图形。
S04：去除待刻蚀区域的氧化层。具体地，参见图10，例如，使用含HF的溶液去除待刻蚀区域的氧化层。
S05：采用湿法刻蚀，形成焊盘和隔离结构33。具体地，将第一基片51在KOH溶液中刻蚀，刻蚀深度不小于基片厚度的一半，在第一基片51上刻蚀出如图11所示的凹槽32，从而形成隔离结构33，并去除下极板主体31以外的非焊盘区域，保留下焊盘区域（图11中未示出）。优选地，隔离结构33的高度为第一基片51厚度的一半。第一基片51的上表面的焊盘刻蚀区域、下表面的焊盘刻蚀区域以及下表面的凹槽刻蚀区域同时刻蚀，三个刻蚀区域在同一时间完成刻蚀。也就是说，隔离结构33的高度为下极板主体31高度的一半，有利于简化下极板30的加工工艺并缩短其加工时间。可替换地，也可采用干法刻蚀形成焊盘和隔离结构33。
S06：去胶清洗，得到如图11所示的第一基片51。参见图12，在第一基片51的上表面（即在第一基片51未设置隔离结构33的一面）涂覆光刻胶70，再光刻形成如图13所示的边框的刻蚀图形。
S07：去除第一基片51的上表面和下表面暴露出的氧化膜52。具体地，在含HF的溶液中腐蚀掉第一基片51底面和正面暴露出的氧化膜52，仅保留图14所示边框区域的氧化膜，即在第一基片51的上表面形成第一电气隔离层55。
S08：去胶清洗，获得如图15所示的下极板30和第一电气隔离层55。
参见图18~图21，其中，图18为在第二基片的上表面涂覆光刻胶后的示意图，图19为光刻后的示意图，图20为刻蚀后的示意图，图21为去胶清洗后的示意图，本发明提供的制备应力缓冲板40的方法包括如下几个步骤：
S11：清洗第二基片61。可使用硫酸和双氧水的混合溶液清洗硅材质的第二基片61，清除基片表面的杂质。第二基片61的厚度约为400μm。
S12：参见图18，在第二基片61的上表面涂覆光刻胶70，再光刻形成如图19所示的隔离连接部的刻蚀图形。
S13：采用湿法刻蚀，形成隔离连接部42。具体地，将第二基片61在KOH溶液中刻蚀，刻蚀深度10μm～50μm，从而形成凸台（即隔离连接部42），获得如图20所示的结构。
S14：去胶清洗，得到如图21所示的应力缓冲板40。
本发明公开的微加速度计100的加工方法中，将隔离结构33与隔离连接部42键合从而实现下极板30与应力缓冲板40之间的连接，可以降低装配难度，避免精密装配。在上极板10与中间极板20之间设置第二电气隔离层72，以及在下极板30与中间极板20之间设置第一电气隔离层55即可实现封装和电气隔离，封装工艺简单，并且，通过设置第一电气隔离层55和第二电气隔离层72为质量块提供了摆动空间。
需要补充的是，微加速度计100还可以是其他类型的微加速度计，例如压阻式的。
以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种具有一体式应力隔离下极板的微加速度计，其特征在于，包括下极板和连接至所述下极板的应力缓冲板；
所述下极板包括下极板主体和与所述下极板主体一体成型的隔离结构；
所述应力缓冲板包括应力缓冲板主体和位于所述应力缓冲板主体上的隔离连接部；
其中，所述下极板与所述应力缓冲板之间通过所述隔离结构与所述隔离连接部键合连接，且所述下极板主体与所述应力缓冲板主体之间形成间隙。
2.根据权利要求1所述的微加速度计，其特征在于，所述下极板主体的下侧设有凹槽，所述隔离结构设置于所述凹槽中，所述隔离结构的下表面与所述下极板主体的下表面齐平；所述隔离连接部凸出于所述应力缓冲板主体。
3.根据权利要求1所述的微加速度计，其特征在于，所述隔离结构凸出于所述下极板主体的下表面。
4.根据权利要求2或3所述的微加速度计，其特征在于，所述隔离结构和所述隔离连接部均被构造成柱体。
5.根据权利要求4所述的微加速度计，其特征在于，还包括上极板和中间极板，所述上极板、所述中间极板和所述下极板依次键合连接；
所述上极板、所述中间极板、所述下极板和应力缓冲板主体的材料均为硅；
所述中间极板包括边框和设置于所述边框内侧的悬臂梁和质量块，所述悬臂梁的一端连接至所述边框，所述悬臂梁的另一端连接至所述质量块；
其中，所述上极板和所述质量块形成第一电容，所述下极板和所述质量块形成第二电容。
6.根据权利要求5所述的微加速度计，其特征在于，还包括第一电气隔离层和第二电气隔离层，所述第一电气隔离层设置于所述下极板与所述中间极板之间，所述第二电气隔离层设置于所述中间极板与所述上极板之间；
其中，所述第一电气隔离层和所述第二电气隔离层的材料均为氧化硅。
7.根据权利要求6所述的微加速度计，其特征在于，所述上极板、所述中间极板和所述下极板分别设有用于与外界电连接的焊盘，三个焊盘在空间上错开布置。
8.一种微加速度计的加工方法，其特征在于，所述微加速度计为权利要求1~7中任一项所述的微加速度计，其中，下极板的加工方法包括如下步骤：
S01、清洗第一基片；
S02、使第一基片表面氧化形成氧化膜；
S03、第一基片上、下表面光刻，在第一基片下表面形成隔离结构和焊盘的刻蚀图形，在第一基片上表面形成焊盘的刻蚀图形；
S04、去除待刻蚀区域的氧化膜；
S05、采用湿法刻蚀，形成焊盘和隔离结构；
S06、去胶清洗，在第一基片上没有隔离结构的一面光刻，形成边框的刻蚀图形；
S07、去除第一基片上表面和下表面暴露出的氧化膜；
S08、去胶清洗。
9.根据权利要求8所述的加工方法，其特征在于，应力缓冲板的加工方法包括如下步骤：
S01、清洗第二基片；
S02、在第二基片的一面光刻形成隔离连接部的刻蚀图形；
S03、采用湿法刻蚀，形成隔离连接部；
S04、去胶清洗。
10.根据权利要求9所述的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
在不同的基片上分别制备上极板、中间极板、下极板及应力缓冲板；
先将上极板、中间极板和下极板键合；
再将下极板的隔离结构与应力缓冲板的隔离连接部键合；
最后划片，形成独立的微加速度计。
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