MEMS传感器制造技术

本发明专利技术提供一种MEMS传感器，包括由半导体基板层（50）形成的振动传感结构。半导体基板层（50）安装在底座上，所述底座包括接合至半导体基板（50）以形成矩形传感器芯片的电绝缘的基板层（52）。底座还包括用于将传感器芯片安装至外壳的电绝缘的间隔层（54）。电绝缘的间隔层（54）是八角形的。作为八角形间隔层（54）的结果，当振动传感结构被激发为cos2θ振动模式对时，由任何模式频率分裂产生的正交偏置不会受到温度改变的影响。

【技术实现步骤摘要】
MEMS传感器
本公开涉及诸如振动结构陀螺仪的微机电系统（MEMS）传感器以及制造MEMS传感器的关联方法。MEMS传感器可以包括由例如硅的半导体基板形成的传感结构。
技术介绍
振动结构陀螺仪提供了由例如硅的半导体基板形成的微机电系统（MEMS）传感器设备的一个示例。其可以使用常规的微机械加工技术，由硅晶片批量制造。由于其成本低、尺寸小和固有的耐用性质，对将MEMS陀螺仪利用于引导、导航和平台稳定应用的范围有着相当的兴趣。然而，MEMS设备的有限的性能能力限制了其在这些领域中的大规模部署。一个性能限制特性是速率偏置稳定性（ratebiasstability），其例如是在设备的操作期间由温度的变化导致的。振动结构陀螺仪的一些示例可以在GB2322196、US5932804和US6282958中找到。图1示出现有技术的振动结构陀螺仪的示例，其包括由柔性支承梁10安装的环形谐振器1，柔性支承梁10从环形谐振器1的内周边延伸至由半导体基板提供的凸台11。柔性支承梁10允许环形谐振器1响应于驱动换能器12、13以实质上无阻尼振荡模式振动，并许可环形谐振器响应于绕与环形谐振器的平面垂直的轴施加的角速度而振动。这样的振动结构陀螺仪可以具有由硅制成的环形谐振器，并特别适合使用微机械加工技术来制造。在典型的振动结构陀螺仪中，环形谐振器典型地被激发为cos2θ谐振模式。对于完美对称的谐振器而言，该模式实际上作为互相45°的角的主要和次要振动模式（primaryandsecondaryvibrationmodes）的简并对而存在。主要模式被激发作为载波模式。当环形谐振器绕垂直于其平面的轴旋转时，科里奥利效应导致将能量耦合到次要响应模式的正交方向的次要振动。次要响应模式的运动的大小与施加的角速度成正比。在该设备中，由于在cos2θ谐振模式下主要和次要频率的不完美匹配，可能产生正交偏置（quadraturebias），主要和次要频率理想上应设为相等。正交偏置的大小与ΔF.sin4α成正比，其中，ΔF是模式频率分裂，α是相对于主要驱动轴对准的模式角。通常，在生产期间使用激光微调处理将正交偏置最小化，激光微调处理中将室温下的ΔF设为约等于0Hz。然而，申请人已认识到，由于用于组成陀螺仪的各种材料之间的热膨胀系数的不匹配而引起的应力和应变可能使ΔF值、进而使正交偏置在设备的操作温度范围改变。图2示出对于在GB2322196中说明的传感器类型的范围的、从最初的室温值起的正交偏置变化的典型数据。平均变化在-40℃至+85℃的测量范围约为150°每秒。该信号与期望的速率偏置信号相位正交，大部分被电子控制设备拒绝。然而在实践中，电子设备的组件容差将会导入限制相位精度的误差，因此，允许一些正交偏置突破至速率偏置通道。正交偏置和相位误差这两者都随着温度变化，引起速率偏置的变化。在该常规振动结构陀螺仪中的速率偏置的稳定性会导致对于很多敏感应用而言，性能不令人满意。图3示出GB2322196中说明的振动结构陀螺仪的传感器头结构的示意性截面。可见环形谐振器1被支承为与硅基板20隔开，而硅基板层20安装至派热克斯（Pyrex）玻璃底座层22和Pyrex玻璃间隔层24，以形成MEMS结构。MEMS芯片由例如硅酮弹性体附着剂的小片接合层（diebondlayer）26附接至刚性罐封装基底28。根据GB2332196，罐封装外壳28由科瓦（Kovar）材料即镍铁合金制成。用于组成MEMS设备的各种材料的热膨胀的不同系数会引起应力和应变，其会随着设备的环境温度而变化。例如，硅的热膨胀的系数为3.2ppm每℃，Pyrex的热膨胀的系数为3.25ppm每℃，而镍铁合金（例如NILO45）的热膨胀的系数为7ppm每℃。因为MEMS芯片是方形的，因此其趋向于在角落区域附近在更大程度上抵抗应力引起的形变，角落区域由于其更大的宽度而更硬。这可能会导致具有波峰和波谷的非对称的应力和应变分布，该波峰和波谷与方形芯片的角和面角对准。该可变应力和应变可以经由支承腿10耦合至环形谐振器1。这有效地向谐振器1给予cos4θ扰动，而这可以在cos2θ模式之间引起随环境温度变化的频率分裂ΔF。由于在封装外壳28与MEMS设备之间的大的热膨胀失配，会产生非对称的应力和应变的显著来源。小片接合层26旨在将MEMS设备从封装外壳28的应力和应变解耦合。然而，该硅酮弹性体附着剂材料与硅层（190×109Pa）和Pyrex层（62.7×109Pa）的材料相比，典型地具有比较低的杨氏模量（0.1×109Pa），但是与硅的3.2ppm每℃和Pyrex的3.25ppm每℃相比，具有非常高的热膨胀系数（500ppm每℃）。最终结果是可以从弹性体小片接合层26向MEMS结构给予显著的应力和应变，这可能会导入具有cos4θ周期性的显著的不对称。方形芯片结构进行动作以对该不对称集中，使得热引起的应力和应变将cos2θ模式对的频率分裂。本公开谋求解决至少一些如上所述的问题。
技术实现思路
本文公开的MEMS传感器包括由半导体基板层形成的振动传感结构，所述半导体基板层安装在底座上，所述底座包括接合至所述半导体基板以形成矩形传感器芯片的电绝缘的基板层，并且所述底座还包括至少一个电绝缘的间隔层，用于将所述传感器芯片安装至外壳，其中，所述电绝缘的间隔层是八角形。MEMS传感器可以包括可以使用cos2θ振动模式对来操作的任何类型的振动传感结构。MEMS传感器可以还包括驱动换能器，所述驱动换能器布置为使所述振动传感结构以主要平面内谐振模式、即cos2θ谐振模式振动。在一组示例中，MEMS传感器可以是包括振动环传感结构的振动结构陀螺仪。在另一组示例中，MEMS传感器可以是包括圆盘谐振器的谐振质量传感器检测器。该质量检测器可以测量由热引起的应力或者应变变化导致的、在cos2θ振动模式中产生的频率分裂。这在诸如医疗诊断和药物发现的应用中可以影响检测器的灵敏度。在一个示例中，如上所述，作为存在于x和y切割线的至少一些连接点的孔隙的结果，八角形间隔层可以由穿过所有层一起划切而形成。或者八角形间隔层可以分开形成，然后例如在其被划切之后安装至矩形传感器芯片，以形成底座。在这样的MEMS传感器中，间隔层保证固定至外壳的任何小片接合是八角形。这意味着，耦合至传感器的任何热引起的应力或者应变的方式由间隔层的八角形几何形状控制。间隔层可以厚于接合至半导体基板的电绝缘的基板层，甚至厚于整个矩形传感器芯片。间隔层可以是MEMS传感器的最厚的部分。使间隔层为八角形可以显著减小沿着对角的有效硬度，使其更类似于沿着主x和y轴。由矩形传感器芯片产生的硬度中残留的cos4θ不对称可以通过调节八角形间隔层的几何形状来补偿，例如使作为结果的平面内硬度沿着主轴和斜轴相等。例如，八角形间隔层可以具有非对称形状，例如斜边比主边更长。在一个示例中，MEMS传感器是振动结构陀螺仪，例如如下文具体说明。在该示例中，传感结构可以包括实质上平面的环形谐振器；以及多个柔性支承构件，所述多个柔性支承构件布置为支承与所述半导体基板隔开的所述环形谐振器，以允许所述环形谐振器以一个或更多平面内谐振模式振荡。半导体基板和环形谐振器可以由硅制成。可以设置使环形谐振器以cos2θ谐振模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS传感器，包括由半导体基板层形成的振动传感结构，所述半导体基板层安装在底座上，所述底座包括接合至所述半导体基板以形成矩形传感器芯片的电绝缘的基板层，并且所述底座还包括至少一个电绝缘的间隔层，用于将所述传感器芯片安装至外壳，其中，所述电绝缘的间隔层是八角形。

【技术特征摘要】
2013.04.30 GB 1307773.01.一种MEMS传感器，包括由半导体基板层形成的振动传感结构，所述半导体基板层安装在底座上，所述底座包括接合至所述半导体基板以形成矩形传感器芯片的电绝缘的基板层，并且所述底座还包括至少一个电绝缘的间隔层，用于将所述传感器芯片安装至外壳，其中，所述电绝缘的间隔层是八角形间隔层，其中，所述传感器是振动结构陀螺仪，并且所述振动传感结构包括：实质上平面的环形谐振器；以及多个柔性支承构件，所述多个柔性支承构件布置为支承与所述半导体基板隔开的所述环形谐振器，以允许所述环形谐振器以一个或更多平面内谐振模式振荡。2.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述八角形间隔层厚于直接安装所述半导体基板层的所述电绝缘的基板层。3.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述八角形间隔层在被安装至所述电绝缘的基板层之前形成有孔隙，并且所述基板层被切割以形成所述底座。4.如权利要求2所述的MEMS传感器，其中，所述八角形间隔层在被安装至所述电绝缘的基板层之前形成有孔隙，并且所述基板层被切割以形成所述底座。5.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述八角形间隔层分开形成，然后安装至所述矩形传感器芯片。6.如权利要求2所述的MEMS传感器，其中，所述八角形间隔层分开形成，然后安装至所述矩形传感器芯片。7.如权利要求1至6的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述八角形间隔层具有非对称形状。8.如权利要求1至6的任一项所述的MEMS传感器，包括驱动换能器，所述驱动换能器布置为使所述振动传感结构以主要平面内谐振模式、即cos2θ谐振模式振动。9.如权利要求1所述的MEMS传感器，包括传感换能器，检测由正交次要平面内谐振模式导致的所述环形谐振器的振荡，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：C费尔，
申请(专利权)人：大西洋惯性系统有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB