CN204086302U

CN204086302U - Tsv圆片级封装的三轴mems加速度计

Info

Publication number: CN204086302U
Application number: CN201420535793.2U
Authority: CN
Inventors: 华亚平
Original assignee: ANHUI NORTHERN XINDONG LIANKE MICROSYSTEMS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ANHUI NORTHERN XINDONG LIANKE MICROSYSTEMS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2024-09-17

Abstract

本实用新型公开了TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，由密封在同一密封腔中，且相互独立的X轴结构、Y轴结构和Z轴结构组成，三个轴结构都固定在中心TSV上，三轴结构的可动质量块的电信号通过MEMS中心锚点连接在一起，并通过中心TSV从密封腔内引出，X轴结构和Y轴结构的固定电极通过隔离块分别与X可动质量块、Y可动质量块电隔离；X轴结构和Y轴结构利用可动电极和固定电极的侧面作为感应电容，Z轴结构利用可动质量块和Z轴固定电极作为感应电容。本实用新型将X、Y、Z三轴结构固定在同一中心TSV上，由产品使用过程中温度变化引起的机械应力小、性能好、成本低、市场竞争力强。

Description

TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计

技术领域

本实用新型属于MEMS芯片设计领域，具体是涉及一种TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计。

背景技术

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微机电系统的缩写，MEMS制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路（ASIC），组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。MEMS元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易较准、易集成的优点，被广泛应用于以智能手机为代表的消费类电子产品中。以智能手机为例，它用到陀螺仪、加速度计、高度计、麦克风、电子指南针、调谐天线、滤波器等MEMS元器件。而MEMS加速度计又是其中应用最广泛的，每个智能手机，甚至功能手机都标配有MEMS加速度计。随着MEMS元器件市场的竞争越来越激烈，以及以智能手表为代表的可穿戴电子产品的大幅成长，客户对MEMS元器件要求越来越高，体积小、功耗低、性能稳定已成为基本要求。为进一步缩小MEMS芯片的体积，降低成本，TSV（Through Silicon Via，硅通孔）圆片级封装的MEMS芯片成为必然趋势。

TSV圆片级封装就是将可活动的MEMS结构用两个盖板夹在中间，两个盖板上制作有凹腔，形成一个密封腔供MEMS结构自由活动，在其中的一个盖板上有一些TSV，TSV是盖板的一部分，但与盖板的其他部分有隔离层电绝缘。TSV在密封腔内的一端与MEMS结构键合在一起，另一端连接金属，从而将MEMS结构的信号从密封腔中引出。但由于盖板厚度通常在100 μm以上，以及考虑到键合工艺过程中的应力问题，TSV无法做得很小，TSV之间还必须保持一定的间距，传统的三轴MEMS加速度计设计中，每个轴的MEMS结构的可动质量块、正、负感应电极分别固定在三个TSV上，TSV间距又较大，在使用过程中热膨胀会产生引力，从而导致MEMS结构发生形变，间距越大，形变越大，加速度计的性能，特别是零点值重复性就越差，这已成为目前三轴MEMS加速度计设计的一个大问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，将X、Y、Z三轴结构固定在同一个中心TSV上，从而避免了热膨胀引起的应力问题，大大提高产品性能。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，由密封在同一密封腔中、且相互独立的X轴结构、Y轴结构和Z轴结构组成，X轴结构、Y轴结构和Z轴结构都固定在中心TSV上，X轴结构的X可动质量块、Y轴结构的Y可动质量块和Z轴结构的Z可动质量块的电信号通过MEMS中心锚点连接在一起，并通过中心TSV从密封腔内引出，X轴结构和Y轴结构的固定电极通过隔离块分别与X可动质量块、Y可动质量块电隔离；X轴结构和Y轴结构利用可动电极和固定电极的侧面作为感应电容，Z轴结构利用可动质量块和Z轴固定电极作为感应电容，X轴结构和Y轴结构分别位于MEMS中心锚点的两侧，Z轴结构位于X轴结构和Y轴结构的外侧。

所述X可动质量块通过X轴弹簧固定在X悬臂上，且与X悬臂间有隔离块电隔离，X悬臂通过MEMS中心锚点固定在中心TSV上，X悬臂与MEMS中心锚点之间有隔离块进行电隔离，X可动质量块可沿X方向移动，X可动质量块上制作有X可动电极，X悬臂上制作有X固定电极，X可动电极与X固定电极组成X轴感应电容，其信号由相应的X轴TSV从密封腔中引出，X轴TSV与相应的X悬臂间通过X导电臂连接；

所述Y可动质量块通过Y轴弹簧固定在Y悬臂上，且与Y悬臂间有隔离块进行电隔离，Y悬臂通过MEMS中心锚点固定在中心TSV上，Y悬臂与MEMS中心锚点之间有隔离块进行电隔离，Y可动质量块可沿Y方向移动，Y可动质量块上制作有Y可动电极，Y悬臂上制作有Y固定电极，Y可动电极与Y固定电极组成Y轴感应电容，其信号由相应的Y轴TSV从密封腔中引出，Y轴TSV与相应的Y悬臂间通过Y导电臂连接；

所述Z轴结构是一个跷跷板板结构，Z可动质量块通过Z轴弹簧固定在MEMS中心锚点上，Z可动质量块分布于Z轴弹簧的二侧的图形不对称，Z可动质量块可沿Z轴弹簧转动，Z可动质量块与Z固定电极组成Z轴感应电容，Z固定电极本身就是面积较大的TSV，其信号可直接引出。

所述的X悬臂包括X+悬臂和X-悬臂，X+悬臂与X-悬臂间有隔离沟电隔离，X+悬臂上固定有X+固定电极，X-悬臂上固定有X-固定电极。

所述的Y悬臂包括Y+悬臂和Y-悬臂，Y+悬臂与Y-悬臂间有隔离沟电隔离，Y+悬臂上固定有Y+固定电极，Y-悬臂上固定有Y-固定电极。

所述X轴TSV包括X+TSV和X-TSV，X悬臂包括X+悬臂和X-悬臂，X+TSV固定在X+MEMS锚点上，X-TSV固定在X-MEMS锚点上，X+TSV与X+悬臂间通过X+导电臂连接，X-TSV与X-悬臂间通过X-导电臂连接。

所述Y轴TSV包括Y+TSV和Y-TSV，Y悬臂包括Y+悬臂和Y-悬臂，Y+TSV固定在Y+MEMS锚点上，Y-TSV固定在Y-MEMS锚点上，Y+TSV与Y+悬臂间通过Y+导电臂连接，Y-TSV与Y-悬臂间通过Y-导电臂连接。

由于三轴MEMS加速度计使用过程中最大的问题是零位漂移，通常由机械应力引起，机械应力由PCB板通过焊料和封装材料传递到MEMS衬底上，引起MEMS衬底形变，MEMS衬底的形变又引起MEMS结构的形变，从而产生MEMS零位漂移。MEMS结构的形变与固定MEMS结构的各TSV之间的距离成正比。本实用新型的TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计将X、Y、Z三个轴的结构固定在同一中心TSV上，缩小了MEMS结构与MEMS衬底接触面积，由产品使用过程中温度变化引起的机械应力对MEMS结构的影响小、产品性能好、成本低、市场竞争力强。

附图说明

图1是本实用新型TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计的结构示意图。

图2是本实用新型TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中Y轴结构的结构示意图。

图3是本实用新型TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中X轴结构的结构示意图。

图4是本实用新型TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中Z轴结构的结构示意图。

图5 是本实用新型TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中Z轴固定电极的示意图。

图6是本实用新型TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中Z感应电容单元的剖视图。

图7是本实用新型TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中中心TSV的俯视图。

图8是本实用新型TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中中心TSV的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，如图1所示，设垂直向上为正Y方向，水平向右为正X方向，垂直背向纸面为正Z方向；TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计由固定在中心TSV50上的Y轴结构10、X轴结构30和Z轴结构40组成，整体呈长方形，Y轴结构10、X轴结构30位于内侧，Z轴结构40位于外侧。

Y轴结构10如图2所示，MEMS中心锚点55键合在中心TSV50上，为整个Y轴结构10提供机械支撑，Y轴结构10的Y+悬臂13和Y-悬臂14靠中心TSV50的一端通过隔离块17a与第一连接臂52连接，第一连接臂52连接MEMS中心锚点55，这样，Y+悬臂13和Y-悬臂14就被固定在MEMS中心锚点55上，所述隔离块17a只提供机械连接，不提供电连接，所以Y+悬臂13和Y-悬臂14与MEMS中心锚点55没有电连接。由于Y+悬臂13和Y-悬臂14尺寸较大，通常宽度在10 μm以上，所以在有加速度时相对于MEMS中心锚点55不会发生机械位移，与Y+悬臂13相连接的固定电极13a和与Y-悬臂14相连接的固定电极14a也不会相对于MEMS中心锚点55发生机械位移；Y+悬臂13和Y-悬臂14由隔离沟15隔离，它们之间没有电连接；Y+悬臂13和Y-悬臂14的另一端通过隔离块17b连接Y连接臂18，隔离块17b只提供机械连接，不提供电连接，所以Y连接臂18与Y+悬臂13和Y-悬臂14间是电绝缘的。Y可动质量块12通过Y轴弹簧11a和Y轴弹簧11b与Y连接臂18相连，通过Y轴弹簧11c和Y轴弹簧11d与MEMS中心锚点55相连，由于Y轴弹簧11a、11b、11c、11d与Y可动质量块12和MEMS中心锚点55在同一MEMS层中，所以Y可动质量块12与MEMS中心锚点55间有电连接，但与Y+悬臂13、Y-悬臂14无电连接。Y轴弹簧11a、11b、11c、11d为Y可动质量块12提供沿Y轴方向活动的能力，同时抑制可动质量块12沿X轴方向和Z轴方向的活动。Y+可动电极13b制作在Y可动质量块12上，Y+固定电极13a制作在Y+悬臂13上，且与Y+悬臂13垂直；Y+可动电极13b与Y+固定电极13a组成一个Y+感应电容单元， Y+可动电极13b与Y+固定电极13a形成的平行侧面构成了感应电容的Y+平行电极板，平行电极板的间距D₁通常为MEMS层厚度的1/10到1/30。Y-可动电极14b制作在Y可动质量块12上，Y-固定电极14a制造在Y-悬臂14上，且与Y-悬臂14垂直；Y-可动电极14b与Y-固定电极14a组成一个Y-感应电容单元，Y-可动电极14b与Y-固定电极14a形成的平行侧面构成了感应电容的Y-平行电极板，平行电极板的间距也为D₂。当有Y方向加速度施加在Y轴结构10上时，Y+可动电极13b和Y-可动电极14b随Y可动质量块12一起沿Y轴方向相对于MEMS中心锚点55运动，Y+固定电极13a和Y-固定电极14a不会相对于MEMS中心锚点55运动，平行板电极间距D₁、D₂就会相应变化，以正Y轴加速度为例，由于惯性作用，Y+可动电极13b、Y-可动电极14b随Y可动质量块12相对于MEMS中心锚点向负Y轴方向运动，Y+可动电极13b与Y+固定电极13a间的Y+电极间距D₁缩小为（D₁ - δ），Y+电容变大；同时，Y-可动电极14b与Y-固定电极14a间的Y-电极间距D₂变大为（D₂ + δ），Y-电容变小；一个Y轴结构10中有多个Y+电容感应单元和Y-电容感应单元，假设电极间距D₁=D₂=D，有n个Y+电容感应单元和n个Y-电容感应单元，每个平行板电极的面积均为S_y，则Y轴结构10的电容感应信号为：

，

其中ε为密封腔中气体介质的介电常数，接近1，ε₀为密封腔中气体介质的真空介电常数，由于D²比δ²大得多，通常大6个数量级以上，所以分母可简化为D²，Y轴结构10的电容感应信号就可以简化为：

。

Y+电容感应信号由Y+固定电极13a感应后，通过Y+悬臂13和Y+导电臂19a传输到MEMS锚点20a上，MEMS锚点20a键合在TSV22a上，这样Y+电容感应信号就通过TSV22a导出密封腔，所述Y+导电臂19a由MEMS层蚀刻而成，非常柔软，不会将TSV22a的应力传输到Y+悬臂13上，从而保证了使用过程中Y轴结构10的信号质量。同样，Y-电容感应信号由Y-固定电极14a感应后，通过Y-悬臂14和Y-导电臂19b传输到MEMS锚点20b上，MEMS锚点20b键合在TSV22b上，这样Y-电容感应信号就通过TSV22b导出密封腔，所述Y-导电臂19b由MEMS层蚀刻而成，非常柔软，不会将TSV22b的应力传输到Y-悬臂14上。

与Y轴结构10相似，X轴结构30也固定在MEMS中心锚点55上， X+悬臂33和X-悬臂34靠中心TSV50的一端通过隔离块17c与第二连接臂53连接，第二连接臂53连接MEMS中心锚点55，这样，X+悬臂33和X-悬臂34就被固定在MEMS中心锚点55上，所述隔离块17c只提供机械连接，不提供电连接，所以X+悬臂33和X-悬臂34与MEMS中心锚点55没有电连接。由于X+悬臂33和X-悬臂34尺寸足够大，所以在有加速度时相对于MEMS中心锚点55不会发生机械位移，与Y+悬臂33相连接的固定电极33a和与X-悬臂34相连接的固定电极34a也不会相对于MEMS中心锚点55发生机械位移；X+悬臂33和X-悬臂34由隔离沟35隔离，它们之间没有电连接；X+悬臂33和X-悬臂34的另一端通过隔离块17d连接第一X连接臂38，隔离块17d只提供机械连接，不提供电连接，所以第一X连接臂38与X悬臂33和34间是电绝缘的。X可动质量块32通过X轴弹簧31a和X轴弹簧31b与第一X连接臂38相连，通过X轴弹簧31c和X轴弹簧31d与第二X连接臂36相连，第二X连接臂36与MEMS中心锚点55相连，由于X轴弹簧31a、31b、31c、31d与X可动质量块32、第二X连接臂36和MEMS中心锚点55制造在同一MEMS层中，所以X可动质量块32与MEMS中心锚点55间有电连接，但与X+悬臂33、X-悬臂34无电连接。X轴弹簧31a、31b、31c、31d为X可动质量块32提供沿X轴方向活动的能力，同时抑制可动质量块32沿Y方向和Z方向的活动。X+可动电极33b制作在X可动质量块32上，X+固定电极33a制作在X+悬臂33上，且与X+悬臂33平行、与Y+固定电极13a垂直；X+可动电极33b与X+固定电极33a组成一个X+感应电容单元，X+可动电极33b与X+固定电极33a形成的平行侧面构成了感应电容的X+平行电极板，平行电极板的间距为D₃。X-可动电极34b制作在X可动质量块32上，X-固定电极34a制造在X-悬臂34上，且与X-悬臂14平行；X-可动电极34b与X-固定电极34a组成一个X-感应电容单元， X-可动电极34b与X-固定电极34a形成的平行侧面构成了感应电容的X-平行电极板，平行电极板的间距为D₄。当有X轴方向加速度施加在X轴结构30上时，X+可动电极33b与X-可动电极34b随X可动质量块32一起沿X轴方向相对于MEMS中心锚点55运动，而X+固定电极33a、X-固定电极34a不会相对于MEMS中心锚点55运动，平行板电极间距D₃、D₄就会相应变化；以正X轴加速度为例，由于惯性作用，X+可动电极33b、X-可动电极34b随X可动质量块32相对于MEMS中心锚点向负X方向运动，X+可动电极33b与X+固定电极33a间的X+电极间距D₃缩小为（D₃ - δ），X+电容变大；同时，X-可动电极34b与X-固定电极34a间的X-电极间距D₄增大为（D₄+ δ），X-电容变小；假设D₃ = D₄ =D，一个X轴结构30中有m个X+电容感应单元和m个X-电容感应单元，每个平行板电极的面积为S_x，则X轴结构30的电容感应信号为：

。

X+电容感应信号由X+固定电极33a感应后，通过X+悬臂33和X+导电臂39a传输到MEMS锚点20c上，MEMS锚点20c键合在TSV22c上，这样X+信号就通过TSV22c导出密封腔，所述X+导电臂39a由MEMS层蚀刻而成，非常柔软，不会将TSV22c的应力传输到X+悬臂33上，从而保证了使用过程中X轴结构30的信号质量。同样，X-电容感应信号由X-固定电极34a感应后，通过X-悬臂34和X-导电臂39b传输到MEMS锚点20d上，MEMS锚点20d键合在TSV22d上，这样X-信号就通过TSV22d导出密封腔，所述X-导电臂39b由MEMS层蚀刻而成，非常柔软，不会将TSV22d的应力传输到X-悬臂34上。

Z轴结构40是一个跷跷板结构，Z可动质量块42通过Z轴弹簧41a和41b固定在MEMS中心锚点55上，Z可动质量块42、Z轴弹簧41a、Z轴弹簧41b和MEMS中心锚点55制作在同一MEMS层中，它们之间是相互电连接的，所以Z可动质量块42的信号可通过中心TSV50引出，实际上，X可动质量块12、Y可动质量块32和Z可动质量块42的信号是通过MEMS中心锚点55连在一起的。Z可动质量块42沿X轴方向对称，沿Y轴方向是不对称的，如图4所示，正Y轴方向为Z可动质量块42的轻端42e，负Y轴方向是Z可动质量块42的重端42f，Z可动质量块42的X轴方向两侧的部分作为Z可动电极，Z-可动电极42a、42c位于正Y轴方向，靠近轻端42e ；Z+可动电极42b、42d位于负Y轴方向，靠近重端42f。Z固定电极43位于Z可动质量块42的下方，也就是负Z轴方向，Z-固定电极43a与Z-可动电极42a组成一个Z感应电容单元，同样，Z-固定电极43c与Z-可动电极42c组成一个Z感应电容单元，Z+固定电极43b与Z-可动电极42b组成一个Z感应电容单元，Z+固定电极43d与Z-可动电极42d组成一个Z感应电容单元，共有四个完全对称的Z感应电容单元。

Z固定电极43实际上本身就是一个TSV，如图5所示，Z固定电极43中的隔离槽51是绝缘材料，将Z固定电极43（包括Z+固定电极43b、43d和Z-固定电极43a、43c）与TSV层的其他部分电隔离。从图6中看出，隔离槽51将TSV衬底57分隔为两部分，其中由隔离槽51围起来的部分即为Z固定电极43，Z可动电极与Z固定电极43组成Z感应电容单元，其平行板电极间距在没有加速度时为H，Z固定电极43的另一端覆盖有绝缘层58，金属层54通过接触孔59与Z固定电极43相连，将信号引出。

当有Z轴方向加速度施加在Z轴结构40上时，Z+可动电极42b、42d和Z-可动电极42a、42c随Z可动质量块42一起以Z轴弹簧41a、41b为轴心相对于MEMS中心锚点55转动，而Z+固定电极43b、43d和Z-固定电极43a、43c不会相对于MEMS中心锚点55转动，感应电容单元的平行板电极间距H就会发生相应变化；以正Z轴加速度为例，由于惯性作用，Z+可动电极42b、42d随Z可动质量块42相对于MEMS中心锚点向负Z方向运动，Z+可动电极42b与Z+固定电极43b间的电极间距H变小为（H - δ），Z+电容变大；同时，Z+可动电极42d与Z+固定电极43d间的电极间距H也变小为（H - δ）；Z-可动电极42a与Z-固定电极43a间的电极间距H变大为（H + δ），Z-电容变小；Z-可动电极42c与Z-固定电极43c间的电极间距H变大为（H + δ）；由于四个Z感应电容单元都是相等的，设每个Z固定电极的面积为S_z，则Z轴结构40的电容感应信号为：

。

图7所示为中心TSV50的示意图，隔离槽51将TSV衬底57分隔为两部分，围在隔离槽51内的部分成为TSV导电柱57a；MEMS中心锚点55键合在TSV导电柱57a上，MEMS层的材料为重掺杂的单晶硅，厚度约为几十微米，是良好的导电体，TSV衬底57也是重掺杂的单晶硅，厚度通常在几十微米到几百微米，所以MEMS中心锚点55的电信号可通过TSV导电柱57a引出。从图8中看出，隔离槽51贯穿TSV衬底57，分隔出TSV导电柱57a；TSV衬底57上蚀刻出的TSV键合块56用于与MEMS中心锚点55键合，同时，TSV键合块56的高度也是Z轴感应电容的电极间距H。TSV衬底57的另一面覆盖有绝缘层58，金属层54通过接触孔59与导电柱57a相连，将信号引出。

Claims

1.TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，由密封在同一密封腔中，且相互独立的X轴结构、Y轴结构和Z轴结构组成，其特征在于：X轴结构、Y轴结构和Z轴结构都固定在中心TSV上，X轴结构的X可动质量块、Y轴结构的Y可动质量块和Z轴结构的Z可动质量块的电信号通过MEMS中心锚点连接在一起，并通过中心TSV从密封腔内引出，X轴结构和Y轴结构的固定电极通过隔离块分别与X可动质量块、Y可动质量块电隔离；X轴结构和Y轴结构利用可动电极和固定电极的侧面作为感应电容，Z轴结构利用可动质量块和Z轴固定电极作为感应电容，X轴结构和Y轴结构分别位于MEMS中心锚点的两侧，Z轴结构位于X轴结构和Y轴结构的外侧。

2.根据权利要求1所述的TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，其特征在于：

所述Z轴结构是一个跷跷板结构，Z可动质量块通过Z轴弹簧固定在MEMS中心锚点上，Z可动质量块分布于Z轴弹簧的二侧的图形不对称，Z可动质量块可沿Z轴弹簧转动，Z可动质量块与Z固定电极组成Z轴感应电容，Z固定电极本身就是面积较大的TSV，其信号可直接引出。

3.根据权利要求2所述的TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，其特征在于：所述的X悬臂包括X+悬臂和X-悬臂，X+悬臂与X-悬臂间有隔离沟电隔离，X+悬臂上固定有X+固定电极，X-悬臂上固定有X-固定电极。

4.根据权利要求2所述的TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，其特征在于：所述的Y悬臂包括Y+悬臂和Y-悬臂，Y+悬臂与Y-悬臂间有隔离沟电隔离，Y+悬臂上固定有Y+固定电极，Y-悬臂上固定有Y-固定电极。

5.根据权利要求2或3所述的TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，其特征在于：所述X轴TSV包括X+TSV和X-TSV，X悬臂包括X+悬臂和X-悬臂，X+TSV固定在X+MEMS锚点上，X-TSV固定在X-MEMS锚点上，X+TSV与X+悬臂间通过X+导电臂连接，X-TSV与X-悬臂间通过X-导电臂连接。

6.根据权利要求2或4所述的TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，其特征在于：所述Y轴TSV包括Y+TSV和Y-TSV，Y悬臂包括Y+悬臂和Y-悬臂，Y+TSV固定在Y+MEMS锚点上，Y-TSV固定在Y-MEMS锚点上，Y+TSV与Y+悬臂间通过Y+导电臂连接，Y-TSV与Y-悬臂间通过Y-导电臂连接。