CN220625323U - 一种mems惯性传感器及惯性测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微机电系统技术领域，具体涉及一种MEMS惯性传感器及惯性测量装置，包括陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪和所述加速度计上下层布局，并通过盖板键合。本实用新型将陀螺仪和加速度计分别键合在盖板两侧，将两种惯性器件采用上下两层式布局，可以有效降低惯性传感器尺寸，大幅降低传感器成本，形成集成化、小型化、低成本可批量生产的高精度MEMS惯性器件。

Description

一种MEMS惯性传感器及惯性测量装置

技术领域

本实用新型涉及微机电系统技术领域，具体涉及一种MEMS惯性传感器及惯性测量装置。

背景技术

MEMS陀螺仪是测量角速率的一种器件，是惯性系统的重要组成部分，采用半导体MEMS加工工艺制造的MEMS陀螺仪以科里奥利效应为基本工作原理。可动质量块在驱动电路控制下高速震荡，当物体转动时，可动质量块发生垂直于震荡方向的横向位移，横向位移的大小与输入角速率的大小成正比，通过测量横向位移实现对角速率的测量，从而实现MEMS陀螺仪的主要功能。

加速度计是一种能够测量物体线加速度的器件，传感器在加速过程，可通过对质量块所受惯性力的测量计算出加速度值。如果初速度已知，就可以通过对时间积分得到线速度，再次积分即可计算出直线位移。MEMS加速度计利用敏感结构将线加速度的变化转换为电容的变化量，最终通过专用集成电路读出电容值的变化，得到物体运动的加速度值。

现有MEMS陀螺仪和MEMS加速度计器件为单器件封装，且均采用单独平面式布局方式，成本高，器件面积大，占用空间高，不利于小型化。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种MEMS惯性传感器及惯性测量装置，能够有效降低惯性器件尺寸，有利于器件小型化，还能够集成化制造，可大幅降低传感器成本。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为一种MEMS惯性传感器，包括陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪和所述加速度计上下层布局，并通过盖板键合。

作为一种实施方式，所述陀螺仪包括陀螺仪衬底以及键合于所述陀螺仪衬底上的陀螺仪结构层，所述加速度计包括加速度计衬底以及键合于所述加速度计衬底上的加速度计结构层，所述陀螺仪结构层与所述加速度计结构层之间设置有盖板，所述陀螺仪结构层与所述加速度计结构层与所述盖板的两侧分别键合。

作为一种实施方式，所述陀螺仪结构层包括陀螺仪质量块结构和陀螺仪可动结构，所述陀螺仪质量块结构上设置有第一键合区，所述陀螺仪衬底上设置有第二键合区，所述第一键合区与所述第二键合区键合。

作为一种实施方式，所述陀螺仪结构层还包括陀螺仪密封环结构，所述陀螺仪质量块结构与所述陀螺仪可动结构均位于所述陀螺仪密封环结构内；所述陀螺仪密封环结构的两端分别与所述陀螺仪衬底和所述盖板键合。

作为一种实施方式，所述陀螺仪衬底上设置有第一键合环，所述陀螺仪密封环结构的一端设置有第二键合环，所述第二键合环与所述第一键合环键合。

作为一种实施方式，所述盖板面向所述陀螺仪衬底一侧设置有第三键合环，所述陀螺仪密封环结构的另一端与所述第三键合环键合。

作为一种实施方式，所述陀螺仪衬底上设置有第一金属焊盘。

作为一种实施方式，所述陀螺仪衬底中设置有第一导电柱，所述第一导电柱与所述第一金属焊盘连接。

作为一种实施方式，所述加速度计衬底和所述加速度计结构层分别与所述陀螺仪衬底和所述陀螺仪结构层的结构相同。

本实用新型还提供一种惯性测量装置，包括专用集成电路和以上任一项所述的MEMS惯性传感器，所述陀螺仪衬底和所述加速度计衬底分别与所述专用集成电路连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型将陀螺仪和加速度计分别键合在盖板两侧，将两种惯性器件采用上下两层式布局，可以有效降低惯性传感器尺寸，大幅降低传感器成本，形成集成化、小型化、低成本可批量生产的高精度MEMS惯性器件。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的陀螺仪结构层的制作流程图；

图2为本实用新型实施例提供的陀螺仪结构的制作流程图；

图3为本实用新型实施例提供的加速度计结构层的制作流程图；

图4为本实用新型实施例提供的加速度计结构的制作流程图；

图5为本实用新型实施例提供的陀螺仪结构与盖板的键合流程图；

图6为本实用新型实施例提供的MEMS惯性传感器的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的惯性测量装置的结构示意图；

图中：1、陀螺仪结构层；11、陀螺仪硅晶圆；12、第一键合区；13、第二键合环；14、陀螺仪质量块结构；15、陀螺仪可动结构；16、陀螺仪密封环结构；2、陀螺仪衬底；21、陀螺仪衬底晶圆；22、第二键合区；23、第一键合环；24、第一导电柱；25、第一金属焊盘；3、加速度计结构层；31、加速度计硅晶圆；32、第四键合区；33、第五键合环；34、加速度计质量块结构；35、加速度计可动结构；36、加速度计密封环结构；4、加速度计衬底；41、加速度计衬底晶圆；42、第五键合区；43、第四键合环；44、第二导电柱；45、第二金属焊盘；5、盖板；51、盖板晶圆；52、第三键合环；53、第六键合环；6、专用集成电路。

实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例一

如图1-图6所示，本实施例提供一种MEMS惯性传感器，包括陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪和所述加速度计上下层布局，并通过盖板5键合。本实施例中可以陀螺仪在盖板5上方、加速度计在盖板5下方，也可以加速度计在盖板5上方、陀螺仪在盖板5下方，通过将陀螺仪和加速度计采用上下两层式布局，并共用盖板5键合在一起，可以有效降低惯性传感器尺寸，大幅降低传感器成本，能够形成集成化、小型化、低成本可批量生产的高精度MEMS惯性器件。

作为一种实施方式，所述陀螺仪包括陀螺仪衬底2以及键合于所述陀螺仪衬底2上的陀螺仪结构层1，所述加速度计包括加速度计衬底4以及键合于所述加速度计衬底4上的加速度计结构层3，所述陀螺仪结构层1与所述加速度计结构层3之间设置有盖板5，所述陀螺仪结构层1与所述加速度计结构层3与所述盖板5的两侧分别键合。

作为一种实施方式，所述陀螺仪结构层1包括陀螺仪质量块结构14和陀螺仪可动结构15，所述陀螺仪质量块结构14与所述陀螺仪衬底2键合，陀螺仪质量块结构14和陀螺仪可动结构15与盖板5之间有一定的间距。

进一步地，所述陀螺仪质量块结构14上设置有第一键合区12，所述陀螺仪衬底2上设置有第二键合区22，所述第一键合区12与所述第二键合区22键合。其中，第一键合区12和第二键合区22均有多个，且第一键合区12和第二键合区22一一对应。

作为一种实施方式，所述陀螺仪结构层1还包括陀螺仪密封环结构16，所述陀螺仪质量块结构14与所述陀螺仪可动结构15均位于所述陀螺仪密封环结构16内；所述陀螺仪密封环结构16的两端分别与所述陀螺仪衬底2和所述盖板5键合。

进一步地，所述陀螺仪衬底2上设置有第一键合环23，所述陀螺仪密封环结构16的一端设置有第二键合环13，所述第二键合环13与所述第一键合环23键合，第二键合区22位于第一键合环23内侧。更进一步地，所述盖板5面向所述陀螺仪衬底2一侧设置有第三键合环52，所述陀螺仪密封环结构16的另一端与所述第三键合环52键合。本实施例的陀螺仪衬底2、盖板5与陀螺仪密封环结构16形成密封腔体，将陀螺仪结构层1密封在该密封腔体内。

如图2所述，所述陀螺仪衬底2上设置有第一金属焊盘25，优化地，所述第一金属焊盘25位于所述陀螺仪衬底2上背对所述陀螺仪结构层1的一侧，以便于与专用集成电路6键合。进一步地，所述陀螺仪衬底2中设置有第一导电柱24，所述第一导电柱24与所述第一金属焊盘25连接。本实施例的陀螺仪衬底2中设置有第一TSV孔，第一TSV孔中沉积有导电材料，形成第一导电柱24，第一导电柱24与第一金属焊盘25连接。进一步地，陀螺仪密封环结构16的两侧均设置有第一金属焊盘25和第一导电柱24。

本实施例的加速度计的结构与陀螺仪的结构相同，具体地，所述加速度计衬底4和所述加速度计结构层3可以分别与所述陀螺仪衬底2和所述陀螺仪结构层1的结构相同。

作为一种实施方式，所述加速度计结构层3包括加速度计质量块结构34和加速度计可动结构35，所述加速度计质量块结构34与所述加速度计衬底4键合，加速度计质量块结构34和加速度计可动结构35与盖板5之间有一定的间距。

进一步地，所述加速度计质量块结构34上设置有第三键合区，所述加速度计衬底4上设置有第四键合区32，所述第三键合区与所述第四键合区32键合。本实施例中第三键合区和第四键合区32一一对应。

作为一种实施方式，所述加速度计结构层3还包括加速度计密封环结构36，所述加速度计质量块结构34和所述加速度计可动结构35均设位于所述加速度计密封环结构36内；所述加速度计密封环结构36的两端分别与所述加速度计衬底4和所述盖板5键合。

进一步地，所述加速度计衬底4上设置有第四键合环43，所述加速度计密封环结构36的一端设置有第五键合环33，所述第五键合环33与所述第四键合环43键合。更进一步地，所述盖板5面向所述加速度计衬底4一侧设置有第六键合环53，所述加速度计密封环结构36的另一端与所述第六键合环53键合。本实施例的加速度计衬底4、盖板5与加速度计密封环结构36形成密封腔体，将加速度计结构层3密封在该密封腔体内。

如图4所述，所述加速度计衬底4上设置有第二金属焊盘45，优化地，所述第二金属焊盘45位于所述加速度计衬底4上背对所述加速度计结构层3的一侧。进一步地，所述加速度计衬底4中设置有第二导电柱44，所述第二导电柱44与所述第二金属焊盘45连接。本实施例的加速度计衬底4中设置有第二TSV孔，第二TSV孔中沉积有导电材料，形成第二导电柱44，第二导电柱44与第二金属焊盘45连接。进一步地，加速度计密封环结构36的两侧均设置有第二金属焊盘45和第二导电柱44。

实施例二

如图7所示，本实施例提供一种惯性测量装置，包括专用集成电路6和实施例一提供的MEMS惯性传感器，所述陀螺仪衬底2和所述加速度计衬底4分别与所述专用集成电路6连接。

具体地，专用集成电路6上分别设置有第三金属焊盘和第四金属焊盘，专用集成电路6上的第三金属焊盘和第四金属焊盘分别与陀螺仪衬底2上的第一金属焊盘25和加速度计衬底4上的第二金属焊盘45连接。

本实施例中可以加速度计在上，陀螺仪在下并靠近专用集成电路6，也可以陀螺仪在上，加速度计在下并靠近专用集成电路6，两种实施方式都是将靠近专用集成电路6的衬底上的金属焊盘与专用集成电路6上对应的金属焊盘焊接，将远离专用集成电路6的衬底上的金属焊盘与专用集成电路6上对应的金属焊盘通过导线焊接。

实施例三

本实施例提供一种MEMS惯性传感器的制作方法，包括如下步骤：

S1、制作陀螺仪结构层1，如图1所示；

S101、提供一陀螺仪硅晶圆11；

S102、对陀螺仪硅晶圆11进行减薄、清洗；

S103、在陀螺仪硅晶圆11上刻蚀第一键合区12和第二键合环13，刻蚀深度为2um～8um；

S104、刻蚀陀螺仪质量块结构14、陀螺仪可动结构15和陀螺仪密封环结构16，得到陀螺仪结构层1；

S2、制作陀螺仪衬底2，并将陀螺仪结构层1与陀螺仪衬底2键合，形成陀螺仪结构，如图2所示；

S201、提供一陀螺仪衬底晶圆21；

S202、对陀螺仪衬底晶圆21进行减薄、清洗；

S203、在陀螺仪衬底晶圆21上沉积金属、制造导线，并刻蚀第二键合区22和第一键合环23；

S204、利用TSV工艺，刻蚀硅，形成第一TSV孔，并沉积导电材料，形成第一导电柱24；在陀螺仪衬底晶圆21两侧淀积第一金属焊盘25；

S205、将步骤S104所得陀螺仪结构层1的第一键合区12和第二键合环13分别与步骤S204所得陀螺仪衬底晶圆21的第二键合区22和第一键合环23键合，得到陀螺仪结构；

S3、制作加速度计结构层3，如图3所示；

S301、提供一加速度计硅晶圆31；

S302、对加速度计硅晶圆31进行减薄、清洗；

S303、在加速度计硅晶圆31上刻蚀第四键合区32和第五键合环33，刻蚀深度为2um～8um；

S304、刻蚀加速度计质量块结构34、加速度计可动结构35和加速度计密封环结构36；

S4、制作加速度计衬底4，并将加速度计结构层3与加速度计衬底4键合，形成加速度计结构，如图4所示；

S401、提供一加速度计衬底晶圆41；

S402、对加速度计衬底晶圆41进行减薄、清洗；

S403、在加速度计衬底晶圆41上沉积金属、制造导线，并刻蚀第五键合区42和第四键合环43；

S404、利用TSV工艺，刻蚀硅，形成第二TSV孔，并沉积导电材料，形成第二导电柱44；在加速度计衬底晶圆41两侧淀积第二金属焊盘45；

S405、将步骤S304所得加速度计结构层3的第四键合区32和第五键合环33分别与步骤S404所得加速度计衬底晶圆41的第五键合区42和第四键合环43键合，得到加速度计结构；

S5、制作盖板5，并将陀螺仪结构与盖板5键合，如图5所示；

S501、提供一盖板晶圆51；

S502、对盖板晶圆51进行减薄、清洗；

S503、在盖板晶圆51两侧分别刻蚀第三键合环52和第六键合环53，第三键合环52和第六键合环53对称布置；

S504、将步骤S205所得陀螺仪结构的陀螺仪密封环结构16与步骤S503所得盖板晶圆51的第三键合环52键合；

S6、将步骤S405所得加速度计结构的加速度计密封环结构36与步骤504所得结构的第六键合环53键合，得到MEMS惯性传感器，如图6所示。

采用本实施例的制作方法能够集成化制造小型化、低成本可批量生产的MEMS惯性传感器。本实施例将陀螺仪和加速度计采用上下两层布局在盖板5两侧，并通过半导体工艺共用盖板5键合在一起，可以有效降低MEMS惯性传感器的尺寸，能够集成化制造，大幅降低传感器成本，能够广泛应用于惯性导航、无人机、自动驾驶、智能制造及高端工业领域，用于导航定位、姿态感知、状态监测、平台稳定等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种MEMS惯性传感器，包括陀螺仪和加速度计，其特征在于：所述陀螺仪和所述加速度计上下层布局，并通过盖板键合；其中，所述陀螺仪包括陀螺仪衬底以及键合于所述陀螺仪衬底上的陀螺仪结构层，所述加速度计包括加速度计衬底以及键合于所述加速度计衬底上的加速度计结构层，所述陀螺仪结构层和所述加速度计结构层与所述盖板的两侧分别键合。

2.如权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述陀螺仪结构层包括陀螺仪质量块结构和陀螺仪可动结构，所述陀螺仪质量块结构上设置有第一键合区，所述陀螺仪衬底上设置有第二键合区，所述第一键合区与所述第二键合区键合。

3.如权利要求2所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述陀螺仪结构层还包括陀螺仪密封环结构，所述陀螺仪质量块结构与所述陀螺仪可动结构均位于所述陀螺仪密封环结构内；所述陀螺仪密封环结构的两端分别与所述陀螺仪衬底和所述盖板键合。

4.如权利要求3所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述陀螺仪衬底上设置有第一键合环，所述陀螺仪密封环结构的一端设置有第二键合环，所述第二键合环与所述第一键合环键合。

5.如权利要求4所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述盖板一侧设置有第三键合环，所述陀螺仪密封环结构的另一端与所述第三键合环键合。

6.如权利要求3所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述陀螺仪衬底上设置有第一金属焊盘。

7.如权利要求6所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述陀螺仪衬底中设置有第一导电柱，所述第一导电柱与所述第一金属焊盘连接。

8.如权利要求2-7任一项所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述加速度计衬底和所述加速度计结构层分别与所述陀螺仪衬底和所述陀螺仪结构层的结构相同。

9.一种惯性测量装置，其特征在于：包括专用集成电路和如权利要求1-8任一项所述的MEMS惯性传感器，所述陀螺仪衬底和所述加速度计衬底分别与所述专用集成电路连接。