超小型加速度计制造技术

一种超小型加速度计，主要包括一个加热器，一个热气泡，热电堆和底部空腔，其特征在于所述在硅衬底上设有加热器，和热电堆，采用塞贝克效应将温差转换为电压信号，加速度信号从每个热电堆的差动电压中获取，由梁分布检验块和压敏电阻组成一个Ｚ轴加速度计信号输出，通过引线键合的形式组装。本发明专利技术的优点是采用ＣＭＯＳ兼容工艺的微制造技术及玻璃料或阳极键合进行圆片级封装，加速度计具有超小型外形、三维或二维加速度信号输出，制造成本低，灵敏度高。

【技术实现步骤摘要】
超小型加速度计
本专利技术涉及一种加速度计，特别涉及一种超小型加速度计。技术背景加速度计有广泛的应用，如汽车安全气囊和汽车悬挂系统，计算机硬盘驱动器保护，LCD投影仪，炸弹和导弹的精确爆震系统以及机械振动监视器。很多机械电子装置可用来测量加速度，如压阻和电容加速度计。目前多数商用加速度计实际上是二维的，也就是说它们只能测量传感器芯片X-Y平面内的加速度。这是由于CMOS工艺结构的二维限制，为了批量生产，大多数商用加速计采用和CMOS工艺兼容的微机械工艺加工。然而，许多应用中需要三维加速计，如导航、硬盘驱动器保护、手机、军用产品、车辆控制等。消费者已经使用PCB外围板子来达到这个目的，然而它增加了通常对成本很敏感的产品的费用。目前用到的加速度计的尺寸范围是5mm×5mm×1.8mm(美国Kionix公司)。所有的商用加速度计都是通过仍有较大尺寸的塑料封装(美国Motorola公司，美国Kionix公司)、陶瓷封装和双面扁平塑料来封装的。对于消费品的应用，急需开发高度和横向尺寸约为1mm或更小外形的加速度计，因为外形尺寸、功耗的限制和低成本是关键的要求。人们需要一种比目前使用的加速度计有更小尺寸和更低成本的高灵敏度产品。
技术实现思路
针对已有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种超小型加速度计。-->超小型加速度计，主要包括：硅衬底、加热器，热气泡，热电堆和底部空腔，其特征在于所述硅衬底上设有多晶硅制成的电阻加热器，和排列在两正交方向上并全部悬浮在铝制金属桥的空腔上面的热电堆，通过CMOS工艺淀积，每个热电堆有一个热接点和冷接点，采用塞贝克效应将温差转换为电压信号，X和Y轴上的加速度信号从每个热电堆的差动电压中获取，差动电压与沿着热电堆-加热器-热电堆轴向的加速度成比例，由梁分布检验块和压敏电阻组成一个Z轴加速度计信号输出或从热电堆的共模电压中提取Z轴加速度计信号，通过引线键合或倒装芯片的形式组装。热气泡可以是二氧化碳CO2或六氟化硫SF6，热气泡采用气密性封装。空腔通过深度反应离子DRIE刻蚀，空腔提供了热气泡自然对流的空间和梁的振动空间，玻璃封帽圆片用KOH溶液刻蚀以在芯片中心形成两个空腔，空腔也作为气体对流和梁振动的空间，底部凸点金属化UBM和焊料凸点电镀在封帽圆片上以便倒装芯片键合。气密性封装通过用玻璃粉作中间层的玻璃封帽圆片进行圆片级封装，底座圆片用悬浮在空腔上的热电堆制作，热电堆常用作检测Z轴差动负信号，圆片也在KOH溶液中刻蚀，在引线键合的方式下，用玻璃粉作中间层进行圆片级封装，封帽圆片将传感器圆片气密性的封装起来，电信号从传感器圆片上引出。封帽圆片的通孔提供了传感器圆片和封帽圆片之间的信号连接，通孔上溅射铝Al。在三维封装的方式下，由四个圆片堆叠在一起，封帽圆片和封底圆片是玻璃，其余的两个是硅圆片，封帽圆片用悬浮在空腔上的热电堆制作，热电堆用作检测Z轴差动正信号，圆片在KOH溶液中刻蚀。本专利技术的超小型加速度计根据不同的使用要求来选择种类，包括潜在-->的成本最低的二维加速度计，其末级输出通过引线键合和倒装芯片连接的垂直微孔连接方式，和有混合热对流/压阻效应及外加四层圆片键合工艺的纯热对流的三维加速度计。此外，微弱的传感器信号放大到足够大以便于用户使用。整个工艺是与CMOS兼容的，这使它适合于批量生产。高密度气体如六氟化硫SF6用来实现高灵敏度。芯片在圆片级键合，降低了微机械电子系统MEMS封装成本并增加了可靠性。本专利技术的优点是采用CMOS兼容工艺的微制造技术及玻璃料或阳极键合进行圆片级封装，加速度计具有超小型外形、三维或二维加速度信号输出，制造成本低，灵敏度高。附图说明图1a本专利技术的结构示意图；图1b本专利技术的结构截面示意图；图1c本专利技术的结构截面示意图；图2a本专利技术的热对流Z轴信号读取电路原理图；图2b本专利技术的热对流Y轴信号读取电路原理图；图2c本专利技术的Z轴压阻信号读取电路原理图；图3本专利技术的显示热电偶或温度传感器的最优位置的图表；图4a本专利技术的两层圆片级封装的倒装芯片形式的结构示意图；图4b本专利技术的两层圆片级封装的引线键合形式的结构示意图；图5本专利技术的四层圆片级封装的三维封装结构示意图；图6a本专利技术的四层圆片级封装中的第一层圆片结构示意图；图6b本专利技术的四层圆片级封装中的第二层圆片结构示意图；-->图6c本专利技术的四层圆片级封装中的第三层圆片结构示意图；图6d本专利技术的四层圆片级封装中的第四层圆片结构示意图。12热电堆、15压敏电阻、18热电堆、21输入电阻、22反馈电阻、23运算放大器、24电压终端、40传感器圆片、41玻璃料、42封盖圆片、43铝、44底部凸点金属化UBM、45焊料凸点、46热电堆、47加热器、48通孔、49铝焊盘、100硅衬底、101铝制金属桥、102热电堆、103热电堆、104加热器、105热电堆、106热电堆、107空腔、107a空腔、107b空腔、108压敏电阻、109梁、110质量块、111光刻胶、114保护层SiO2、118保护层SiO2、119、420封帽圆片、421传感器圆片、422暴露的焊盘、500封帽圆片、501中间圆片、502主圆片、503底座圆片、504加热器、505热电堆、506热电堆、507通孔、508热电堆、509铝焊盘、510焊盘、512热电堆、513铝焊盘、514铝焊盘、520空腔、521空腔、523热电堆、524热电堆、525运算放大器、526通孔、527通孔、528空腔。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的实施例：参见图1a，加速度计形成在硅衬底100上，在加热器104和热电堆102，103，105，106下面的硅衬底上形成空腔107。排列在两正交方向上的热电堆每个组成距离大约为X/D＝0.2的一对，以达到更大的灵敏度。加热器104是用四个排列在小正方形上的多晶硅制成的电阻来实现的。加热器104和两对热电堆全部悬浮在有四个铝制金属桥101的空腔107上面。流过加热器104的电流经四桥连接到外部电源，于是加热器周围的气体温度增加，温度梯度确定下来。“T型”分布质量块110在另一个空腔上面，用梁109和压-->敏电阻108组成一个Z轴加速度计。当传感器上有Z轴加速度时，梁将沿轴向弯曲，这将导致压敏电阻15的电阻差。然后从压敏电阻提取Z轴加速度信号。梁边缘45度角方向和中心位置增大了剪应力的灵敏度，剪应力通过变换器增大压阻系数来检测。参见图1b，图1b是CMOS工艺后的横截面。发展CMOS兼容工艺可降低制造成本。CMOS工艺完成后，对衬底100进行体微加工。空腔107a和空腔107b提供了热气泡自然对流和梁振动的空间。空腔越大，灵敏度越高。同时也将增加芯片尺寸和每个器件的成本。空腔107a和空腔107b用深度反应离子刻蚀DRIE进行刻蚀，如SCREAM，即单晶硅反应刻蚀及金属化。光刻胶111涂在芯片上除空腔区域外的其它地方。由于信号调节电路102已在同一块芯片的CMOS工艺中制作完成，因此它也被涂上光刻胶。热电堆102和103制作在保护层SiO2114上。参见图1c，图1c是MEMS工艺后的横截面。DRIE工艺之后，通过氧等离子体去除光刻胶。优化梁109的厚度。在传感器灵敏度和刻蚀工艺之间权衡。传感器参数的最优化对其性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超小型加速度计，主要包括：硅衬底、加热器，热气泡，热电堆和底部空腔，其特征在于：所述硅衬底上设有多晶硅制成的电阻加热器，和排列在两正交方向上并全部悬浮在铝制金属桥的空腔上面的热电堆，通过ＣＭＯＳ工艺淀积，每个热电堆有一个热接点和冷接点，采用塞贝克效应将温差转换为电压信号，Ｘ和Ｙ轴上的加速度信号从每个热电堆的差动电压中获取，差动电压与沿着热电堆－加热器－热电堆轴向的加速度成比例，由梁分布检验块和压敏电阻组成一个Ｚ轴加速度计信号输出或从热电堆的共模电压中提取Ｚ轴加速度计信号，通过引线键合或倒装芯片的形式组装。

【技术特征摘要】
1.一种超小型加速度计，主要包括：硅衬底、加热器，热气泡，热电堆和底部空腔，其特征在于：所述硅衬底上设有多晶硅制成的电阻加热器，和排列在两正交方向上并全部悬浮在铝制金属桥的空腔上面的热电堆，通过CMOS工艺淀积，每个热电堆有一个热接点和冷接点，采用塞贝克效应将温差转换为电压信号，X和Y轴上的加速度信号从每个热电堆的差动电压中获取，差动电压与沿着热电堆—加热器—热电堆轴向的加速度成比例，由梁分布检验块和压敏电阻组成一个Z轴加速度计信号输出或从热电堆的共模电压中提取Z轴加速度计信号，通过引线键合或倒装芯片的形式组装。2.根据权利要求1所述的一种超小型加速度计，其特征在于所述热气泡可以是二氧化碳CO2或六氟化硫SF6，热气泡采用气密性封装。3.根据权利要求1所述的一种超小型加速度计，其特征在于所述空腔通过深度反应离子DRIE刻蚀，空腔提供了热气泡自然对流的空间和梁的振动空间，玻璃封帽圆片用KOH溶液刻蚀以在芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘胜，陈斌，侯斌，
申请(专利权)人：上海飞恩微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]