CN201740612U - 双面同时静电封接的结构型力敏传感器 - Google Patents

Abstract

双面同时静电封接的结构型力敏传感器，由上下两个差动电容构成，硅中心极板和玻璃固定极板上都有采用硅微机械加工技术制作图形结构，其特征在于玻璃固定极板上有金属电极层方便导出电容电极和引出封接电压的电极引线，硅中心极板上带有周边薄区支撑的可动岛与封接面；上、下玻璃极板和硅中心极板上都有金属压焊点，上、下玻璃的压焊点上的电极引线同时与直流电源负电极连接，硅中心极板上的压焊电极引线与直流电源正电极连接，在封接条件下可实现结构的双面同时静电封接。本设计避免了极板粘连，能够保证传感器具有良好的气密性和高的连接强度，确保极板间隙和挠度特性不受静电封接工艺的影响，不仅使传感器输出蠕变更小，具有更可靠的长期稳定性，而且使封接效率显著提高，适于大批量生产。

Description

双面同时静电封接的结构型力敏传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器制造技术领域，一种双面同时静电封接的结构型力敏传感器。

背景技术

静电封接工艺是目前半导体传感器制作中普遍采用的一项技术。但对于新近发展起来的新型的带有可动岛的结构型力敏传感器，常规的静电封接工艺已无法满足其小间隙(间隙通常小于10微米)封接的特殊要求。首先，在实施静电封接时，经常会出现极板粘连问题，如图9所示：在硅片1和玻璃2封接的过程中，由于可动质量块4和玻璃2之间的间隙比较小，质量块4会在外加的封接电压的作用下，由于静电相吸质量块4被吸到玻璃2上，导致封接后质量块4和玻璃2被粘结在一起，这种粘连会造成传感器封接后的性能失效，这是不希望发生的。采用差动原理制作的传感器在封接完成一面极板，即使在第一面封接时没有粘连，但在封接另一面极板时也还会遇到上述问题，如图10所示，上层的玻璃与硅片为采用图9方式已封接好的结构，与下层玻璃进行静电封接成差动传感器器件，也会引起极板粘连，这会导致成品率非常低。其次，目前报道的实施的静电封接工艺方法都是单面分别封接，即都是采用先封接一面极板之后再封接另一面极板，在传感器结构封装实现方面效率不高。所以发展一种可实现高效双面同时封接的结构型力敏传感器十分必要。经国内外相关文献及专利报道的检索，目前还未见双面同时静电封接的结构型力敏传感器的报导。

发明内容

本实用新型的目的是提供双面同时静电封接的结构型力敏传感器，可一次性完成层叠结构的全硬封连接，不仅性能指标优于常规封接的传感器，而且生产效率高，适于产业化生产。

本实用新型双面同时静电封接的结构型力敏传感器，由上下两个差动电容构成，采用双面抛光硅片作为电容敏感传感器的中心极板，采用抛光玻璃做为固定极板，硅中心极板和玻璃固定极板采用硅微机械加工技术制作图形结构，其特征在于玻璃固定极板上有金属电极层，硅中心极板上带有周边薄区支撑的可动岛，上、下玻璃极板和硅中心极板上都有金属压焊点，上、下玻璃的压焊点上的电极引线同时与直流电源负电极连接，硅中心极板上的压焊电极引线与直流电源正电极连接，在封接条件下可实现结构的双面同时静电封接。

本实用新型提出的结构型力敏传感器，采用的层叠结构设计能够实现在常规的静电封接装置上完成双面同时静电封接工艺，操作方便，在完成双面同时封接的同时，还避免了极板粘连，保证了传感器具有良好的气密性和高的连接强度，并确保极板间隙和挠度特性不受静电封接工艺的影响，使封接效率明显提高，一致性好，保证传感器的性能稳定、可靠，适于大批量生产，是工程化生产的必由之路。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中玻璃2a、2b的俯视图；

图2为本实用新型实施例2中玻璃2c、2d的俯视图；

图3为本实用新型实施例1中硅中心极板1的结构示意图；

图4为本实用新型实施例2中硅中心极板1的结构示意图；

图5为本实用新型设计传感器的实施例1示意图；

图6为本实用新型设计传感器的实施例2示意图；

图7a为实例1的硅电容差压传感器结构示意图；

图7b为实例1的硅电容差压传感器结构剖面示意图；

图8a为实例2的加速度传感器结构示意图；

图8b为实例2的加速度传感器结构剖面示意图；

图9为有可动岛4的、有粘连现象常规静电封接工艺的示意图；

图10为常规的差动结构静电封接粘连现象示意图；

具体实施方式

实施例1：双面同时静电封接的结构型力敏传感器如硅电容差压传感器，是一种可实现双面同时静电封接的结构型力敏传感器，其特征是玻璃-硅-玻璃的层叠结构，硅中心极板1采用如图3所示结构，上玻璃2a、下玻璃2b采用如图1所示的结构，其核心部分由上下两个差动电容构成，采用双面抛光硅片作为电容敏感传感器的硅中心极板1，采用抛光玻璃做为固定极板2a、2b。硅中心极板1和玻璃固定极板2a、2b采用硅微机械加工技术制作图形结构，包括采用溅射工艺、光刻腐蚀工艺，压焊工艺、静电封接工艺。玻璃固定极板2a、2b上制作有金属电极，平面中心有孔e，上、下面及孔的侧壁均有溅射工艺形成的金属电极层5，孔e的侧壁的金属导电层相当于金属连线8，将金属电极层5端引出，在封接时候用来压焊电极引线。硅中心极板1则采用异性腐蚀工艺加工出封接面边框12、薄区13、周边薄区支撑的可动岛4，在硅中心极板1的封接面之外，有预先制作的压焊点6，焊点上采用压焊工艺焊接引线7作为封接电压的电极引入线，可动岛4与金属电极5形成差动电容形式，硅电容差压传感器的结构及剖面示意图分别如图7a、7b所示。

该实用新型结构型力敏传感器可实现双面同时静电封接，实现的方式见图5：将上玻璃2a、硅中心极板1、下玻璃2b、加热板3由上至下叠放，将硅中心极板1上的可动岛4和上玻璃2a、下玻璃2b上的金属电极层5相互对准，将硅中心极板1上的电极引线7和直流电压的正极相接。上、下玻璃极板可根据实际需要采用压焊工艺在金属电极层5上焊接硅铝丝作为上玻璃2a、下玻璃2b封接电压的电极引入线，将上玻璃2a、下玻璃2b同时连接封接电压的负极；也可以采用直接在上玻璃2a、下玻璃2b上搭接金属电极同时接封接电压的负极，完成层叠结构的双面同时静电封接。必须保证上玻璃2a、下玻璃2b极板的电位相同、且同时接到直流电压的负极，不能反接。

加工时，将置于控温加热器上的可导电的加热板3，预先加热到封接温度，然后按上述方法将被封件定位放好并连接好电源极性，预热大约2分钟，使上下三层结构达到封接所需温度。这时打开直流电源，一般来说，封接温度范围380℃～450℃，封接电压范围600V～1000V，封接时间为10min～15min。待器件封接完成后，关掉直流电源，断开电极引线，把封接后的敏感器件从加热器上移开，让其在室温下自然降温。

实施例2：双面同时静电封接的结构型力敏传感器如硅电容加速度传感器，是另一种可实现双面同时静电封接的结构型传感器。硅电容加速度传感器中层叠部件采用如实施例1由上至下玻璃-硅-玻璃-加热板次序叠放，电源接法也同上述实施例1，其特征是硅中心极板1采用如图4所示结构，上玻璃2c、下玻璃2d与金属电极层5的结构与上述实施例1不同，见图2所示的结构。硅中心极板1上有一可动岛4，可动岛4通过薄梁区13和封接面边框12连接，采用异性腐蚀工艺把不需要的部分腐蚀减薄而成，加工出封接面的边框12、薄梁区13和可动岛4，在封接面上的相应部位有槽11容纳上玻璃2c、下玻璃2d上的金属电极连线8，保证硅中心极板1和电极5在封接工艺完成后的电绝缘，参见图6：在硅材料1的封接面之外，有预先制作的压焊点6，焊点上采用压焊工艺焊接引线7作为封接电压的电极引入线。上玻璃2c和下玻璃2d的结构见图2，采用溅射工艺在上玻璃2c、下玻璃2d表面形成金属电极层5，再用光刻腐蚀工艺将金属电极层5加工出与边缘压焊点10相连的金属电极连线8，作为玻璃固定极板电容电极引出线9。

该实用新型结构型力敏传感器可实现双面同时静电封接，实现的方式见图6。加工时，封接电压的正电位必须通过引线7加至硅中心极板1上，而封接电压的负电位必须同时加至上、下玻璃2c、2d极板上，不能反接。实际操作时，可在上玻璃2c的压焊点10上采用压焊工艺焊上一硅铝丝作为封接电压的电极引线9将上玻璃2c接封接电压的负极，也可采用直接搭接金属电极的方式将上玻璃2c接封接电压的负极(上玻璃2c因为在封接温度下，玻璃由原来的绝缘体变成了固态电解质，具有一定的导电性)。下玻璃2d既可通过导电的加热板3过渡，也可同上玻璃2c通过在压焊点10上压焊硅铝丝作为封接电压的电极引线9接封接电压的负极。加电压时，由于硅片极板上、下所受的静电力相等且方向相反，所以硅片极板保持静止，从而防止粘连。

本新型双面同时静电封接的结构型力敏传感器，在实现玻璃-硅-玻璃层叠结构一次性同时完成静电封接的同时，还避免了极板粘连，既提高了传感器制作的成品率，又大幅度地提高了生产效率。该新型在批量化生产过程中，具有很好的实用性。

Claims (9)

1.双面同时静电封接的结构型力敏传感器，由玻璃-硅-玻璃极板组成差动层叠结构，硅中心极板采用双面抛光硅片，固定极板采用抛光玻璃，采用硅微机械加工技术制作，包括采用溅射工艺、光刻腐蚀工艺，压焊工艺、静电封接工艺，其特征是上、下玻璃极板和硅中心极板上都有图形结构和压焊点，上、下玻璃极板通过压焊点上的电极引线同时接电源负极，硅中心极板通过压焊点上的电极引线与直流电源正电极连接，在封接条件下实现玻璃-硅-玻璃层叠结构的双面同时静电封接。

2.根据权利要求1所述的双面同时静电封接的结构型力敏传感器，其特征在于硅电容差压传感器的层叠结构：由上至下叠放的次序为上玻璃(2a)、硅中心极板(1)、下玻璃(2b)，硅材料(1)上的可动岛(4)与上玻璃(2a)、下玻璃(2b)上的金属电极层(5)相互对准，上、下玻璃极板和硅中心极板上都有图形结构和压焊点，上、下玻璃极板(2a、2b)通过压焊点上的电极引线同时接电源负极，硅中心极板通过压焊点上的电极引线(7)与电源正电极连接，

3.根据权利要求2所述的双面同时静电封接的结构型力敏传感器，其特征在于硅电容差压传感器的上玻璃(2a)、下玻璃(2b)平面中心有孔(e)，上、下面及孔的侧壁均有溅射工艺形成的金属电极层(5)，孔(e)侧壁的金属导电层相当于金属连线(8)，将金属电极层(5)端引出作为封接电压的电极引线。

4.根据权利要求2所述的双面同时静电封接的结构型力敏传感器，其特征在于硅电容差压传感器还可以由压焊在电极层(5)上的硅铝丝作为上玻璃(2a)、下玻璃(2b)封接电压的电极引入线同时接封接电压的负极。

5.根据权利要求2所述的双面同时静电封接的结构型力敏传感器，其特征在于硅电容差压传感器中也可以直接在上玻璃(2a)、下玻璃(2b)上搭接金属电极同时接封接电压的负极。

6.一种双面同时静电封接的结构型传感器，其特征在于硅电容加速度传感器的层叠结构：由上至下叠放的次序为上玻璃(2c)、硅中心极板(1)、下玻璃(2d)、加热板(3)，硅中心极板(1)上的可动岛(4)与上玻璃(2c)、下玻璃(2d)上的金属电极层(5)相互对准，硅中心极板(1)上的电极引线(7)和直流电压的正极相接，在上玻璃(2c)上表面直接搭接金属电极和直流电压的负极相连，加热板(3)连接到直流电压的负电极，下玻璃(2b)通过导电的加热板(3)也和直流电压的负极相连，上玻璃(2c)、下玻璃(2d)极板同时接等电位并接直流电压的负极。

7.根据权利要求6所述的双面同时静电封接的结构型力敏传感器，其特征在于硅电容加速度传感器的层叠结构：上玻璃(2c)也可以通过在其边缘压焊点(10)上采用压焊工艺焊上一硅铝丝作为封接电压的电极引线(9)接封接电压的负极。 

8.根据权利要求6所述的双面同时静电封接的硅电容加速度传感器，其特征在于中心有一可动岛(4)的硅中心极板(1)边缘为封接面(12)，在封接面上的相应部位有槽(11)，可容纳上玻璃(2c)、下玻璃(2d)上的金属电极连线(8)，在硅中心极板(1)的封接面之外，有预先制作的压焊点(6)和封接电压的电极引线(7)。

9.根据权利要求6所述的双面同时静电封接的硅电容加速度传感器，其特征在于上玻璃(2c)、下玻璃(2d)表面均有采用溅射、光刻工艺形成的金属电极层(5)，再用光刻、腐蚀工艺将该电极层加工出与边缘压焊点(10)相连的金属电极连线(8)。 

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