一種全金屬電容極板微加速度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種全金屬電容極板微加速度傳感器。所述的傳感器為三層全金屬結(jié)構(gòu)，包括動(dòng)極板和上、下固定極板；其中，動(dòng)極板包含錨點(diǎn)、質(zhì)量塊、懸臂梁、框架。其連接關(guān)系是，所述的錨點(diǎn)與懸臂梁固定連接；懸臂梁和質(zhì)量塊固定連接，構(gòu)成敏感芯片的可動(dòng)部分；錨點(diǎn)和框架固定連接；質(zhì)量塊與上、下固定極板之間存在間隙，間隙上、下表面均為全金屬結(jié)構(gòu)；所述的上固定極板與動(dòng)極板錨點(diǎn)上表面通過鍵合連接；所述的下固定極板與錨點(diǎn)下表面通過鍵合連接。本發(fā)明的鍵合采用熱壓鍵合完成，質(zhì)量塊與上、下極板間的空隙可以靈活精確控制。
【專利說明】一種全金屬電容極板微加速度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種全金屬電容極板微加速度傳感器，與CMOS具有良好的兼容性，該器件通過氧化層控制電容間隙，可以靈活調(diào)整靈敏度，封裝采用更可靠的熱壓鍵合。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于電容式微加速度傳感器，保證極板間電容間隙的一致性是非常重要的，一般采用濕法腐蝕的方法制作極板間隔，但是腐蝕液和腐蝕條件的不一致，如腐蝕液濃度、腐蝕溫度等條件的變化會(huì)導(dǎo)致腐蝕結(jié)果有很大變化，直接導(dǎo)致較小電容間隙難以精確控制。
[0003]為保護(hù)電容使微加速度傳感器免受外界外界環(huán)境的污染，使傳感器結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，需對(duì)其進(jìn)行封裝處理。封裝要保證不影響傳感器的性能，引線和安裝可靠，且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，便于批量生產(chǎn)，目前的封裝主要采用鍵合完成。若鍵合材料不同，熱膨脹系數(shù)不同，鍵合時(shí)必然會(huì)引入殘余應(yīng)力，這種情況下必須考慮溫度對(duì)傳感器性能的影響。若鍵合時(shí)需要加高電壓，會(huì)存在強(qiáng)烈的靜電引力，因電容式微傳感器包含可動(dòng)部分，可能會(huì)出現(xiàn)中間極板與上或下極板粘連，破壞傳感器結(jié)構(gòu)。另外，考慮MEMS與CMOS的兼容性，最優(yōu)的電容式微加速度傳感器必然是全金屬結(jié)構(gòu)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種全金屬電容極板微加速度傳感器，傳感器為三層結(jié)構(gòu)，電容極板間距離由氧化硅厚度決定，可以精確控制微加速度傳感器的靈敏度，且工藝簡(jiǎn)單易操作，重復(fù)性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)批量化。電容極板為全金屬結(jié)構(gòu)，封裝采用金-金熱壓鍵合，無需加電壓，可以避免因電壓使兩塊極板粘結(jié)造成的微結(jié)構(gòu)損壞，且用于鍵合的材料相同，可以避免因熱膨脹系數(shù)不同而引入的殘余應(yīng)力。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006]本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器，其特點(diǎn)是，所述的傳感器包括上固定極板、下固定極板、動(dòng)極板；其中，動(dòng)極板含有錨點(diǎn)、懸臂梁、質(zhì)量塊、上表面動(dòng)電極、下表面動(dòng)電極、錨點(diǎn)上鍵合面、錨點(diǎn)下鍵合面、上傳輸電極、下傳輸電極、框架、引線盤。上固定極板含有上限位凸臺(tái)、上鍵合面、上引線盤、上基板。下固定極板含有下限位凸臺(tái)、下鍵合面、下引線盤、下基板。其連接關(guān)系是，所述的錨點(diǎn)與錨點(diǎn)上鍵合面、錨點(diǎn)下鍵合面分別固定連接；所述的錨點(diǎn)與懸臂梁固定連接；所述的錨點(diǎn)與框架、引線盤分別固定連接。所述的懸臂梁與上傳輸電極、下傳輸電極分別固定連接；所述的懸臂梁與質(zhì)量塊固定連接。所述的質(zhì)量塊與上表面動(dòng)電極、下表面動(dòng)電極分別固定連接。所述的上固定極板與上限位凸臺(tái)固定連接。所述的上限位凸臺(tái)與上鍵合面固定連接。所述的上引線盤與上基板固定連接。所述的下固定極板與下限位凸臺(tái)固定連接。所述的下限位凸臺(tái)與下鍵合面固定連接。所述的下引線盤與下基板固定連接。所述的動(dòng)極板與上固定極板、下固定極板分別通過鍵合連接。
[0007]所述的動(dòng)極板與上固定極板、下固定極板之間的上間隙、下間隙分別通過上限位凸臺(tái)、下限位凸臺(tái)設(shè)置。
[0008]所述的動(dòng)極板與上固定極板通過錨點(diǎn)上鍵合面、上鍵合面固定連接。
[0009]所述的動(dòng)極板與下固定極板通過錨點(diǎn)下鍵合面、下鍵合面固定連接。
[0010]所述的上表面動(dòng)電極、下表面動(dòng)電極、錨點(diǎn)上鍵合面、錨點(diǎn)下鍵合面、上傳輸電極、下傳輸電極、上鍵合面、下鍵合面、上固定電極與下固定電極厚度均相同。
[0011]本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器，當(dāng)沿器件法線方向的加速度作用于器件時(shí)，慣性力使質(zhì)量塊發(fā)生偏移，導(dǎo)致上下兩個(gè)電容發(fā)生變化，產(chǎn)生電容差，得到控制電壓，再反饋到施力電極，產(chǎn)生的靜電力作用于質(zhì)量塊上，質(zhì)量塊回到原來的位置。反饋電壓與被測(cè)加速度存在一定關(guān)系，從而測(cè)出加速度。
[0012]本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器其優(yōu)點(diǎn)是:
1.電容上、下兩個(gè)極板均為全金屬平面結(jié)構(gòu)，與娃-娃面電容和娃-金屬面電容相比更接近于理想電容。
[0013]2.設(shè)計(jì)的電容式微加速度傳感器為全金屬結(jié)構(gòu),可以與CMOS兼容。
[0014]3.采用金-金熱壓鍵合。熱壓鍵合無需加電壓，避免因電壓使兩塊極板粘結(jié)造成的微結(jié)構(gòu)損壞。
[0015]4.鍵合需要在高溫下進(jìn)行，相同金屬材料鍵合可以避免因不同材料熱膨脹系數(shù)不同而引入的殘余應(yīng)力，不用考溫度對(duì)靈敏度的影響。
[0016]5.采用氧化層控制電容極板間距。用硅表面生長(zhǎng)氧化層代替腐蝕硅來制作質(zhì)量塊動(dòng)電極和上、下固定電極之間的間隔，可以通過控制氧化硅生長(zhǎng)厚度精確控制電容間隙，實(shí)現(xiàn)了微小電容間距的制作，可以靈活控制靈敏度，且工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，利于批量生產(chǎn)。
[0017]6.上、下固定電極制作在低阻硅表面，且動(dòng)極板和上、下固定極板為全金屬結(jié)構(gòu)，引線操作簡(jiǎn)單。
[0018]7.動(dòng)極板金屬層覆蓋整個(gè)表面，動(dòng)電極信號(hào)沿質(zhì)量塊、懸臂梁和錨點(diǎn)表面金屬層傳出，避免圖形化金屬層必須的光刻、腐蝕等一些工藝步驟造成的污染。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器整體圖；
圖2為本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器分解圖；
圖3為本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器中的敏感芯片示意圖；
圖4為本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器中的敏感芯片俯視圖；
圖5為沿圖1 A-A剖線的剖面圖；
圖中，1.錨點(diǎn)2.上基板 3.下基板 4.懸臂梁 5.質(zhì)量塊 61.錨點(diǎn)上鍵合面 62.錨點(diǎn)下鍵合面 63.上傳輸電極 64.下傳輸電極 71.上鍵合面 72.下鍵合面 81.上限位凸臺(tái) 82.下限位凸臺(tái) 91.上固定電極 92.下固定電極 101.上間隙 102.下間隙 11.動(dòng)極板 12.框架 13.上引線盤 14.引線盤 15.下引線盤 16.上固定極板 17.下固定極板。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。[0021]實(shí)施例1
圖1為本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器整體圖，圖2為本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器分解圖，圖3為本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器中的敏感芯片示意圖，圖4為本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器中的敏感芯片俯視圖，圖5為沿圖1 A-A剖線的剖面圖。在圖1飛中，本發(fā)明的全金屬電容極板微加速度傳感器，包括上固定極板16、下固定極板17、動(dòng)極板11 ;其中,動(dòng)極板11含有錨點(diǎn)1、懸臂梁4、質(zhì)量塊5、上表面動(dòng)電極65、下表面動(dòng)電極66、錨點(diǎn)上鍵合面61、錨點(diǎn)下鍵合面62、上傳輸電極63、下傳輸電極64、框架12、引線盤14 ;上固定極板16含有上限位凸臺(tái)81、上鍵合面71、上引線盤13、上基板2 ;下固定極板17含有下限位凸臺(tái)82、下鍵合面72、下引線盤15、下基板3 ;其連接關(guān)系是，所述的錨點(diǎn)I與錨點(diǎn)上鍵合面61、錨點(diǎn)下鍵合面62分別固定連接；所述的錨點(diǎn)I與懸臂梁4固定連接；所述的錨點(diǎn)I與框架12、引線盤14分別固定連接；所述的懸臂梁4與上傳輸電極63、下傳輸電極64分別固定連接；所述的懸臂梁4與質(zhì)量塊5固定連接；所述的質(zhì)量塊5與上表面動(dòng)電極65、下表面動(dòng)電極66分別固定連接；所述的上固定極板16與上限位凸臺(tái)81固定連接；所述的上限位凸臺(tái)81與上鍵合面71固定連接；所述的上引線盤13與上基板2固定連接；所述的下固定極板17與下限位凸臺(tái)82固定連接；所述的下限位凸臺(tái)82與下鍵合面72固定連接；所述的下引線盤15與下基板3固定連接；所述的動(dòng)極板11與上固定極板16、下固定極板17分別通過鍵合連接。
[0022]所述的動(dòng)極板11與上固定極板16、下固定極板17之間的上間隙101、下間隙102分別通過上限位凸臺(tái)81、下限位凸臺(tái)82設(shè)置。
[0023]所述的動(dòng)極板11與上固定極板16通過錨點(diǎn)上鍵合面61、上鍵合面71固定連接。
[0024]所述的動(dòng)極板11與下固定極板17通過錨點(diǎn)下鍵合面62、下鍵合面72固定連接。
[0025]所述的動(dòng)極板11與上固定極板16之間的上間隙101為2 μ m ;與下固定極板17之間的下間隙102為2μπι，一方面使敏感芯片有一定的運(yùn)動(dòng)間隙，另一方面可以調(diào)整靈敏度。
[0026]所述的上表面動(dòng)電極65、下表面動(dòng)電極66、上固定電極91、下固定電極92分別為厚度0.5 μ m的金屬材料。
[0027]所述的上傳輸電極63、下傳輸電極64分別為厚度0.5 μ m的金屬。
[0028]所述的錨點(diǎn)上鍵合面61、錨點(diǎn)下鍵合面62、上鍵合面71、下鍵合面72分別為厚度
0.5 μ m的金屬。
[0029]所述的上固定極板16與下固定極板17均為厚度400 μ m的低阻娃。
[0030]所述的動(dòng)極板11為厚度400 μ m的高阻硅。
[0031 ] 本實(shí)施例中，敏感芯片長(zhǎng)度為6000 μ m,寬度為6000 μ m,厚度為400 μ m ;質(zhì)量塊長(zhǎng)度為2000 μ m,寬度為2000 μ m,厚度為400 μ m ;懸臂梁長(zhǎng)度為150 μ m,寬度為1000 μ m，厚度為50 μ m ;引線盤長(zhǎng)度為1000 μ m,寬度為800 μ m,厚度為400 μ m。
[0032] 本發(fā)明絕非僅局限于實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種全金屬電容極板微加速度傳感器，其特征在于:所述的傳感器包括上固定極板(16)、下固定極板(17)、動(dòng)極板(11);其中，動(dòng)極板(11)含有錨點(diǎn)(I)、懸臂梁(4)、質(zhì)量塊(5 )、上表面動(dòng)電極(65)、下表面動(dòng)電極(66 )、錨點(diǎn)上鍵合面(61)、錨點(diǎn)下鍵合面(62 )、上傳輸電極(63)、下傳輸電極(64)、框架(12)、引線盤(14);上固定極板(16)含有上限位凸臺(tái)(81)、上鍵合面(71)、上引線盤(13)、上基板(2);下固定極板(17)含有下限位凸臺(tái)(82)、下鍵合面(72)、下引線盤(15)、下基板(3);其連接關(guān)系是，所述的錨點(diǎn)(I)與錨點(diǎn)上鍵合面(61)、錨點(diǎn)下鍵合面(62)分別固定連接；所述的錨點(diǎn)(I)與懸臂梁(4)固定連接；所述的錨點(diǎn)(I)與框架(12)、引線盤(14)分別固定連接；所述的懸臂梁(4)與上傳輸電極(63)、下傳輸電極(64)分別固定連接；所述的懸臂梁(4)與質(zhì)量塊(5)固定連接；所述的質(zhì)量塊(5)與上表面動(dòng)電極(65)、下表面動(dòng)電極(66)分別固定連接；所述的上固定極板(16)與上限位凸臺(tái)(81)固定連接；所述的上限位凸臺(tái)(81)與上鍵合面(71)固定連接；所述的上引線盤(13)與上基板(2)固定連接；所述的下固定極板(17)與下限位凸臺(tái)(82)固定連接；所述的下限位凸臺(tái)(82)與下鍵合面(72)固定連接；所述的下引線盤(15)與下基板(3)固定連接；所述的動(dòng)極板(11)與上固定極板(16)、下固定極板(17)分別通過鍵合連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全金屬電容極板微加速度傳感器，其特征在于:所述的動(dòng)極板(11)與上固定極板(16)、下固定極板(17)之間的上間隙(101)、下間隙(102)分別通過上限位凸臺(tái)(81)、下限位凸臺(tái)(82)設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全金屬電容極板微加速度傳感器，其特征在于:所述的動(dòng)極板(11)與上固定極板(16)通過錨點(diǎn)上鍵合面(61)、上鍵合面(71)固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全金屬電容極板微加速度傳感器，其特征在于:所述的動(dòng)極板(11)與下固定極板(17 )通過錨點(diǎn)下鍵合面(62 )、下鍵合面(72 )固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全金屬電容極板微加速度傳感器，其特征在于:所述的上表面動(dòng)電極(65)、下表面動(dòng)電極(66)、錨點(diǎn)上鍵合面(61)、錨點(diǎn)下鍵合面(62)、上傳輸電極(63)、下傳輸電極(64)、上鍵合面(71)、下鍵合面(72)、上固定電極(91)與下固定電極(92)厚度均相同。
【文檔編號(hào)】G01P15/125GK104020313SQ201410263417
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】唐彬, 席仕偉, 姚明秋, 程永生, 李玉萍, 王旭光, 沈朝陽, 譚剛 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所