CN1866031A - 超小型加速度计 - Google Patents

Abstract

一种超小型加速度计，主要包括一个加热器，一个热气泡，热电堆和底部空腔，其特征在于所述在硅衬底上设有加热器，和热电堆，采用塞贝克效应将温差转换为电压信号，加速度信号从每个热电堆的差动电压中获取，由梁分布检验块和压敏电阻组成一个Z轴加速度计信号输出，通过引线键合的形式组装。本发明的优点是采用CMOS兼容工艺的微制造技术及玻璃料或阳极键合进行圆片级封装，加速度计具有超小型外形、三维或二维加速度信号输出，制造成本低，灵敏度高。

Description

超小型加速度计

技术领域

本发明涉及一种加速度计，特别涉及一种超小型加速度计。

技术背景

加速度计有广泛的应用，如汽车安全气囊和汽车悬挂系统，计算机硬盘驱动器保护，LCD投影仪，炸弹和导弹的精确爆震系统以及机械振动监视器。很多机械电子装置可用来测量加速度，如压阻和电容加速度计。

目前多数商用加速度计实际上是二维的，也就是说它们只能测量传感器芯片X-Y平面内的加速度。这是由于CMOS工艺结构的二维限制，为了批量生产，大多数商用加速计采用和CMOS工艺兼容的微机械工艺加工。然而，许多应用中需要三维加速计，如导航、硬盘驱动器保护、手机、军用产品、车辆控制等。消费者已经使用PCB外围板子来达到这个目的，然而它增加了通常对成本很敏感的产品的费用。目前用到的加速度计的尺寸范围是5mm×5mm×1.8mm(美国Kionix公司)。所有的商用加速度计都是通过仍有较大尺寸的塑料封装(美国Motorola公司，美国Kionix公司)、陶瓷封装和双面扁平塑料来封装的。对于消费品的应用，急需开发高度和横向尺寸约为1mm或更小外形的加速度计，因为外形尺寸、功耗的限制和低成本是关键的要求。人们需要一种比目前使用的加速度计有更小尺寸和更低成本的高灵敏度产品。

发明内容

针对已有技术中存在的不足，本发明提供了一种超小型加速度计。

超小型加速度计，主要包括：硅衬底、加热器，热气泡，热电堆和底部空腔，其特征在于所述硅衬底上设有多晶硅制成的电阻加热器，和排列在两正交方向上并全部悬浮在铝制金属桥的空腔上面的热电堆，通过CMOS工艺淀积，每个热电堆有一个热接点和冷接点，采用塞贝克效应将温差转换为电压信号，X和Y轴上的加速度信号从每个热电堆的差动电压中获取，差动电压与沿着热电堆-加热器-热电堆轴向的加速度成比例，由梁分布检验块和压敏电阻组成一个Z轴加速度计信号输出或从热电堆的共模电压中提取Z轴加速度计信号，通过引线键合或倒装芯片的形式组装。热气泡可以是二氧化碳CO2或六氟化硫SF6，热气泡采用气密性封装。空腔通过深度反应离子DRIE刻蚀，空腔提供了热气泡自然对流的空间和梁的振动空间，玻璃封帽圆片用KOH溶液刻蚀以在芯片中心形成两个空腔，空腔也作为气体对流和梁振动的空间，底部凸点金属化UBM和焊料凸点电镀在封帽圆片上以便倒装芯片键合。气密性封装通过用玻璃粉作中间层的玻璃封帽圆片进行圆片级封装，底座圆片用悬浮在空腔上的热电堆制作，热电堆常用作检测Z轴差动负信号，圆片也在KOH溶液中刻蚀，在引线键合的方式下，用玻璃粉作中间层进行圆片级封装，封帽圆片将传感器圆片气密性的封装起来，电信号从传感器圆片上引出。封帽圆片的通孔提供了传感器圆片和封帽圆片之间的信号连接，通孔上溅射铝Al。在三维封装的方式下，由四个圆片堆叠在一起，封帽圆片和封底圆片是玻璃，其余的两个是硅圆片，封帽圆片用悬浮在空腔上的热电堆制作，热电堆用作检测Z轴差动正信号，圆片在KOH溶液中刻蚀。

本发明的超小型加速度计根据不同的使用要求来选择种类，包括潜在的成本最低的二维加速度计，其末级输出通过引线键合和倒装芯片连接的垂直微孔连接方式，和有混合热对流/压阻效应及外加四层圆片键合工艺的纯热对流的三维加速度计。此外，微弱的传感器信号放大到足够大以便于用户使用。整个工艺是与CMOS兼容的，这使它适合于批量生产。高密度气体如六氟化硫SF6用来实现高灵敏度。芯片在圆片级键合，降低了微机械电子系统MEMS封装成本并增加了可靠性。

本发明的优点是采用CMOS兼容工艺的微制造技术及玻璃料或阳极键合进行圆片级封装，加速度计具有超小型外形、三维或二维加速度信号输出，制造成本低，灵敏度高。

附图说明

图1a本发明的结构示意图；

图1b本发明的结构截面示意图；

图1c本发明的结构截面示意图；

图2a本发明的热对流Z轴信号读取电路原理图；

图2b本发明的热对流Y轴信号读取电路原理图；

图2c本发明的Z轴压阻信号读取电路原理图；

图3本发明的显示热电偶或温度传感器的最优位置的图表；

图4a本发明的两层圆片级封装的倒装芯片形式的结构示意图；

图4b本发明的两层圆片级封装的引线键合形式的结构示意图；

图5本发明的四层圆片级封装的三维封装结构示意图；

图6a本发明的四层圆片级封装中的第一层圆片结构示意图；

图6b本发明的四层圆片级封装中的第二层圆片结构示意图；

图6c本发明的四层圆片级封装中的第三层圆片结构示意图；

图6d本发明的四层圆片级封装中的第四层圆片结构示意图。

12热电堆、15压敏电阻、18热电堆、21输入电阻、22反馈电阻、23运算放大器、24电压终端、40传感器圆片、41玻璃料、42封盖圆片、43铝、44底部凸点金属化UBM、45焊料凸点、46热电堆、47加热器、48通孔、49铝焊盘、100硅衬底、101铝制金属桥、102热电堆、103热电堆、104加热器、105热电堆、106热电堆、107空腔、107a空腔、107b空腔、108压敏电阻、109梁、110质量块、111光刻胶、114保护层SiO₂、118保护层SiO₂、119、420封帽圆片、421传感器圆片、422暴露的焊盘、500封帽圆片、501中间圆片、502主圆片、503底座圆片、504加热器、505热电堆、506热电堆、507通孔、508热电堆、509铝焊盘、510焊盘、512热电堆、513铝焊盘、514铝焊盘、520空腔、521空腔、523热电堆、524热电堆、525运算放大器、526通孔、527通孔、528空腔。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

参见图1a，加速度计形成在硅衬底100上，在加热器104和热电堆102，103，105，106下面的硅衬底上形成空腔107。排列在两正交方向上的热电堆每个组成距离大约为X/D＝0.2的一对，以达到更大的灵敏度。加热器104是用四个排列在小正方形上的多晶硅制成的电阻来实现的。加热器104和两对热电堆全部悬浮在有四个铝制金属桥101的空腔107上面。流过加热器104的电流经四桥连接到外部电源，于是加热器周围的气体温度增加，温度梯度确定下来。“T型”分布质量块110在另一个空腔上面，用梁109和压敏电阻108组成一个Z轴加速度计。当传感器上有Z轴加速度时，梁将沿轴向弯曲，这将导致压敏电阻15的电阻差。然后从压敏电阻提取Z轴加速度信号。梁边缘45度角方向和中心位置增大了剪应力的灵敏度，剪应力通过变换器增大压阻系数来检测。

参见图1b，图1b是CMOS工艺后的横截面。发展CMOS兼容工艺可降低制造成本。CMOS工艺完成后，对衬底100进行体微加工。空腔107a和空腔107b提供了热气泡自然对流和梁振动的空间。空腔越大，灵敏度越高。同时也将增加芯片尺寸和每个器件的成本。空腔107a和空腔107b用深度反应离子刻蚀DRIE进行刻蚀，如SCREAM，即单晶硅反应刻蚀及金属化。光刻胶111涂在芯片上除空腔区域外的其它地方。由于信号调节电路102已在同一块芯片的CMOS工艺中制作完成，因此它也被涂上光刻胶。热电堆102和103制作在保护层SiO₂114上。

参见图1c，图1c是MEMS工艺后的横截面。DRIE工艺之后，通过氧等离子体去除光刻胶。优化梁109的厚度。在传感器灵敏度和刻蚀工艺之间权衡。传感器参数的最优化对其性能是非常重要的。在密封腔中的热气泡是SF6或CO2。传感器灵敏度与气体对流强度成比例。自然对流强度用瑞利数表示，瑞利数是葛拉晓夫数和普朗特数的乘积。因此，我们得到：

$\mathrm{Ra}=\mathrm{GrPr}=\frac{c_p{\mathrm{\ρ}}^2\mathrm{\βa\Δ}{\mathrm{TL}}^3}{\mathrm{\μ\λ}}$

这里Ra是瑞利数，Gr是葛拉晓夫f数，Pr是普朗特数，C_p是气体的比热，ρ是密度，β是体积膨胀系数，α是热扩散系数，ΔT是热电堆间的温差，L是空腔长度，μ是动态粘度，λ是热传导系数。

获得较大Ra值的一个简单方法是广泛使用应用于半导体工业中的较重的气体SF6，它是无毒的。因此，为达到更大的灵敏度，这里用作热气泡的气体可以是CO2或SF6。

由于两对热电堆到加热器有相等的距离且无加速度产生，热电堆18和20之间的温差是零。以Y轴为例，当有加速度产生时，对流的变化导致了在加热器13侧面之间的每一对热电堆的温度差，随后温度梯度改变。由Y轴加速度产生的温差与实际的加速度成比例，按照我们的研究，当葛拉晓夫数在10^-2至10³范围之间时对流加速度计能够达到很好的线性度。X轴与Y轴的原理相同。此外我们也能用本结构得到Z轴的加速度。

由于CMOS结构的二维限制，目前热加速度计仅能提供X和Y方向的测量。尽管如此，等温线并非垂直Z轴对称的。每个热电堆有一个热接点和冷接点，热接点比冷接点更接近于加热器。热接点顶点的热梯度表现了垂直的部分，它的振幅依赖于在垂直方向上热量的不对称性和热接点的位置。发明者用热电偶的共模电压来提取Z轴的加速度信号，如图2所示。

参见图2a，图2a显示了Z轴热量信号读取电路。共模信号常用来提取Z轴信号。因此芯片平面热电堆的输出量被输入到运算放大器23中。运算放大器有一个输入电阻21和一个反馈电阻22。这两个电阻值决定了放大器的增益。实际上，电阻值可被激光修正以优化信号调节。

参见图2b，图2b显示了Y轴信号读取电路。Y轴热电堆12和18的冷接点连接到电路地，差动信号连接到运算放大器。放大电路与图2a相同。X轴信号类似于图2b，不同的是Y轴热电堆变成X轴热电堆。但是Z轴信号的灵敏度小于X和Y轴的灵敏度。这可以通过放大电路来补偿。

Z轴信号的另一个体现如图2c所示。压敏电阻15在45度角的方向上和位于梁边缘的中心增大了剪应力的灵敏度，剪应力通过变换器增大压阻系数来检测。单个压敏电阻常用来检测当芯片上产生z轴加速度时出现的应变，这将导致在连接到压敏电阻的电压终端24上产生差动电压。差动信号用类似图2a所示的电路放大。

参见图3，图3是不同热电堆距离时Z轴热量信号的传感器试验数据，此处X是从热接点到加热器的距离，D是空腔的尺寸。灵敏度对用户使用加速度计非常重要。从试验数据中，当X/D＝0.2时，可以得到最大的灵敏度。

参见图4a，图4a是倒装芯片连接到外部板封装的加速度计的横截面视图。圆片级封装能减少器件的尺寸和成本。这里三轴加速度计在圆片级封装。传感器圆片40和封盖圆片42通过玻璃料41配对在一起。封盖圆片42是玻璃，如Pyrex 7740。玻璃片通过KOH刻蚀形成作为空气对流的圆形空腔。47是热量加速度计的加热器，热电堆46用来测量温差。为了给气泡提供足够的空间，传感器圆片也由DRIE刻蚀出大约300um的深度。这里使用的玻璃料的热膨胀系数与硅的热膨胀系数相近，因此芯片和封装之间没有大的热膨胀失配问题。热量加速度计是在芯片级、成本低而有高的可靠性，这样加速度计中引入的应力很小。玻璃料41用丝网印刷涂在传感器圆片上，厚度大约为25um，比传感器圆片上的铝焊盘49要高一些。然后二个圆片在400C温度下键合在一起。电信号从玻璃封帽圆片上由铝43溅射形成的通孔传出来。通孔的蚀刻过程在KOH溶液中完成。底部凸点金属化(UBM)44由Ti-W和Cu组成。UBM和焊料凸点45通过电镀制作。圆片级封装之后，加速度计能用倒装芯片键合安装在印刷电路板上以减少成本和芯片尺寸。

参见图4b，图4b是引线键合封装的加速度计横截面视图。封帽圆片420和传感器圆片421也通过玻璃料键合在一起。然而，电信号不能经过封帽圆片传出，暴露的焊盘422制作在传感器圆片上以便引线键合。封装形式能消除封帽圆片上的通孔，也可能生产成本更低的二维加速度计。

参见图5，图5是三维加速度计。这种加速度计也在圆片级封装以同时减少尺寸和成本。它由四层圆片堆叠一起而成。封帽圆片500是有一个热电堆505的硅或玻璃片。底座圆片503也像封帽圆片500一样进行体刻蚀。当传感器上有Z轴(垂直于芯片平面)加速度时，封帽圆片和底座圆片上的热电堆将产生一个差压信号。主硅圆片502通过CMOS兼容工艺制造。热电堆和加热器的CMOST艺之后，圆片通过DRIE前刻蚀。作为空气对流的空腔在密闭室中刻蚀。干法刻蚀出中间圆片501上的通孔作为封帽圆片500上的铝焊盘513和主圆片502上的铝焊盘514之间的信号互连。电信号经过中间圆片502上的通孔，它由铝507溅射制作。玻璃料529用丝网印刷涂在圆片上，厚度大约为25um，比传感器圆片上的铝焊盘49要高一些。然后四层圆片在400C温度下同时密封键合在一起。最后，信号连接到暴露的铝焊盘509上作为下一级封装。顶部玻璃和底部玻璃阳极键合到附近的硅。其它的方法如感应加热，激光键合，微热感应键合，等离子反应低温键合，它们发展成熟以后也将用于这些圆片。

参见图6，图6显示了四层圆片的布局图。热电堆505悬浮在通过DRIE刻蚀的空腔520上面。Z轴差动正信号经过铝焊盘513传到下级圆片501，这个圆片是完全刻蚀的。主硅圆片503也是完全刻蚀的。圆片上的铝焊盘509包括作为电源的VDD，GND引脚；SCK，DI引脚用来调整或测试器件；X，Y，Z垫是三轴加速度信号的输出点。热电堆508和512的X轴的差动信号由运算放大器525放大。Y轴信号来自热电堆523和524。通孔526和527分别代表Z轴差动正信号和Z轴差动负信号，同样差动信号也被放大。底座圆片503与封帽圆片500相似，Z轴差动负信号焊盘510经过通孔527传到主圆片503。

Claims (6)

1.一种超小型加速度计，主要包括：硅衬底、加热器，热气泡，热电堆和底部空腔，其特征在于：所述硅衬底上设有多晶硅制成的电阻加热器，和排列在两正交方向上并全部悬浮在铝制金属桥的空腔上面的热电堆，通过CMOS工艺淀积，每个热电堆有一个热接点和冷接点，采用塞贝克效应将温差转换为电压信号，X和Y轴上的加速度信号从每个热电堆的差动电压中获取，差动电压与沿着热电堆—加热器—热电堆轴向的加速度成比例，由梁分布检验块和压敏电阻组成一个Z轴加速度计信号输出或从热电堆的共模电压中提取Z轴加速度计信号，通过引线键合或倒装芯片的形式组装。

2.根据权利要求1所述的一种超小型加速度计，其特征在于所述热气泡可以是二氧化碳CO2或六氟化硫SF6，热气泡采用气密性封装。

3.根据权利要求1所述的一种超小型加速度计，其特征在于所述空腔通过深度反应离子DRIE刻蚀，空腔提供了热气泡自然对流的空间和梁的振动空间，玻璃封帽圆片用KOH溶液刻蚀以在芯片中心形成两个空腔，空腔也作为气体对流和梁振动的空间，底部凸点金属化UBM和焊料凸点电镀在封帽圆片上以便倒装芯片键合。

4.根据权利要求1所述的一种超小型加速度计，其特征在于所述气密性封装通过用玻璃粉作中间层的玻璃封帽圆片进行圆片级封装，底座圆片用悬浮在空腔上的热电堆制作，热电堆常用作检测Z轴差动负信号，圆片也在KOH溶液中刻蚀，在引线键合的方式下，用玻璃粉作中间层进行圆片级封装，封帽圆片将传感器圆片气密性的封装起来，电信号从传感器圆片上引出。

5.根据权利要求1所述的一种超小型加速度计，其特征在于所述封帽圆片的通孔提供了传感器圆片和封帽圆片之间的信号连接，通孔上溅射铝Al。

6.根据权利要求1所述的一种超小型加速度计，其特征在于所述在三维封装的方式下，由四个圆片堆叠在一起，封帽圆片和封底圆片是玻璃，其余的两个是硅圆片，封帽圆片用悬浮在空腔上的热电堆制作，热电堆用作检测Z轴差动正信号，圆片在KOH溶液中刻蚀。

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