一种地震传感器芯片及其制造方法和地震检波器技术

本发明专利技术公开了一种地震传感器芯片及其制造方法和地震检波器，涉及地震检波器技术领域，旨在解决地震检波器的自身噪声较高，以及地震数据无法实时快速无线传输从而无法确定数据质量并做及时调整的问题，通过弹簧

【技术实现步骤摘要】
一种地震传感器芯片及其制造方法和地震检波器


[0001]本专利技术涉及地震检波器
，具体为一种地震传感器芯片及其制造方法和地震检波器。

技术介绍

[0002]地震勘探法目前是石油、天然气勘探的主要手段，同时也是其他矿产资源的重要勘探方法，并广泛应用于研究地球科学问题、工程勘探和检测、地质灾害预测等等方面，地震勘探中用来直接拾取振动，并将振动转换为符合仪器记录系统需要的能量形式的仪器，称为地震检波器，地震检波器按使用环境可以分为陆上检波器、沼泽检波器、海上检波器、海底检波器和井下检波器等；按工作原理可以分为动圈式检波器、压电式检波器、分布式光纤检波器DAS和MEMS检波器等；按输出信号的物理量可以分为速度检波器、加速度检波器等；按输出信号的类型可以分为模拟检波器和数字检波器，地震检波器的指标决定了地震勘探仪器的主要技术指标。
[0003]数字式MEMS地震检波器相较目前使用最为广泛的动圈式模拟地震检波器，具有重量轻、动态范围大、频带范围宽、波形畸变小和抗干扰能力强等优点，但是，目前绝大多数数字式MEMS地震检波器的自身噪声较动圈检波器高，不能胜任地震波传播特性的精细研究任务，数字式MEMS地震检波器多用于多节点高密度采集，但是多个节点的地震数据无法实时快速传输到数据分析处理端，无法现场确定数据质量并做及时调整。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术中所存在的问题，本专利技术公开了一种地震传感器芯片，采用的技术方案是，包括硅基层、上盖板、下盖板,所述上盖板、所述硅基层、所述下盖板从上至下依次设置，所述硅基层上设有弹簧
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质量块结构，所述弹簧
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质量块结构与所述上盖板之间设有电容位移传感器，当感知到外界振动加速度时，所述弹簧
‑
质量块结构会相对于载体产生相对位移，通过改变面积的所述电容位移传感器将位移转变为可以测量的电信号，并通过后续的微弱信号检测电路实现加速度的测量。
[0005]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述弹簧
‑
质量块结构包括边框、质量块、弹簧梁、连接梁，所述弹簧梁、所述连接梁均有多组，所述弹簧梁为高深宽比的带状结构，所述边框内部的上下两边均设有位置相对的基点，所述质量块的上下两边均设有位置相对的锚点，所述锚点与所述基点的尺寸相匹配位置相对应，所述基点、所述锚点上均对称设有所述弹簧梁，所述弹簧梁的末端均连接所述连接梁，从而在降低所述弹簧
‑
质量块结构机械热噪声的同时提高其交叉轴抑制比。
[0006]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述电容位移传感器为高精度变面积式电容位移传感器，所述电容位移传感器包括上电容极板阵列与下电容极板阵列，所述质量块的顶面设有所述下电容极板阵列，所述上盖板的底面设有所述上电容极板阵列，所述上电容极板阵列与所述下电容极板阵列的位置相对应，所述质量块与所述上盖板之间在面内方向发
生相对位移时，相对放置的所述上电容极板阵列与所述下电容极板阵列的正对面积发生变化，从而产生电容值变化，所述下电容极板阵列与所述硅基层之间、所述上电容极板阵列与所述上盖板之间均设有绝缘层，所述绝缘层中均设有屏蔽电容极板阵列，所述屏蔽电容极板阵列与所述上电容极板阵列、所述下电容极板阵列的位置相对应，所述屏蔽电容极板阵列构成的屏蔽层可以有效屏蔽通过寄生电容串扰的电信号，有效降低电容位移传感器的噪声。
[0007]为实现上述地震传感器芯片，本专利技术公开了一种地震传感器芯片的制造方法，采用的技术方案是，包括以下步骤：
[0008](a)在具有200nm绝缘面的硅基层上，所述硅基层采用电阻率大于1000Ω
·
cm高阻硅，通过物理气相沉积工艺和金属图形化工艺，在所述硅基层上制备40nm钛粘附层，并在钛粘附层上制备200nm金导体层，形成所述屏蔽电容极板阵列的制备；
[0009](b)在所述硅基层形成金属屏蔽极板阵列制备的表面，通过化学气相沉积工艺制作金属传感极板间1.2μm厚二氧化硅的所述绝缘层；
[0010](c)在所述硅基层形成所述绝缘层的表面，通过物理气相沉积工艺和金属图形化工艺，实现40nm钛粘附层和400nm金导体层制备，完成金属传感极板和金属键合结构制备，实现所述下电容极板阵列的制备；
[0011](d)在500μm厚的所述下盖板的基底顶部，通过硅腐蚀或刻蚀工艺实现硅槽结构；
[0012](e)将所述硅基层的底部与所述下盖板的顶部通过硅硅键合工艺实现晶圆级键合，形成组合体；
[0013](f)在步骤(e)键合形成的所述组合体顶部通过光刻图形化工艺实现刻蚀掩膜的制备，并通过深硅刻蚀工艺实现所述弹簧
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质量块结构；
[0014](g)在所述上盖板的基底顶部，通过硅腐蚀或刻蚀工艺实现硅槽结构，并重复步骤(a)(b)(c)实现所述上电容极板阵列的制备；
[0015](h)将所述上盖板与步骤(e)键合形成的所述组合体，通过金属热压键合工艺实现所述电容位移传感器和层间电气连接；
[0016](i)通过减薄工艺实现所述上盖板和所述下盖板的依次减薄；
[0017](j)通过硅通孔TSV工艺实现层间电气连接及电气接口焊盘；
[0018](k)通过划片工艺将晶圆级封装的MEMS芯片从晶圆上进行分离，通过倒装焊工艺实现MEMS芯片与电路基板间的电气和机械连接，最终将制造好的MEMS芯片焊接到电路板上。
[0019]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤(h)中，在所述上盖板与所述硅基层所在晶圆的未加工区域均设置加强结构，所述加强结构为华夫饼花纹状的金属材质的网格结构，用以提高金属热压键合过程中密封性能，从而提高键合强度和键合成品率。
[0020]基于上述地震传感器芯片，本专利技术公开了一种地震检波器，采用的技术方案是，包括检波器本体，检波器外壳和耦合锥；所述的检波器本体包括传感器电路板、主控和通讯电路板、定位和无线通讯天线、电池模块；所述传感器电路板有多组，所述传感器电路板上设有所述地震传感器芯片和传感器ASIC芯片，其中一个所述传感器电路板上还设有三轴倾角传感芯片，所述主控和通讯电路板包括主控单元、定位芯片、通讯模块，所述检波器外壳的底部设有所述耦合锥，所述主控单元与所述地震传感器芯片、所述三轴倾角传感芯片、所述
定位芯片的数据、所述电池模块、所述通讯模块、所述耦合锥连接，所述主控单元采集所述传感器电路板、所述三轴倾角传感器和所述定位模块的数据，通过所述通讯模块将数据实时快速传输。
[0021]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述传感器电路板有三组且分别按立体坐标系的X、Y、Z三坐标轴的正轴向设置。
[0022]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述检波器外壳的两侧设有把手，所述主控和通讯电路板处于所述检波器外壳内部的上方，所述传感器电路板处于所述检波器外壳内部的下方，该布局可增加所述地震检波器与岩土的机械耦合，并降低电路板温度对所述检波器的影响，具有提高稳定性的功能和效益。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地震传感器芯片，包括硅基层(1)、上盖板(2)、下盖板(3),所述上盖板(2)、所述硅基层(1)、所述下盖板(3)从上至下依次设置，其特征在于：所述硅基层(1)上设有弹簧
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质量块结构(11)，所述弹簧
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质量块结构(11)与所述上盖板(2)之间设有电容位移传感器。2.根据权利要求1所述的一种地震传感器芯片，其特征在于：所述弹簧
‑
质量块结构(11)包括边框(101)、质量块(102)、弹簧梁(104)、连接梁(105)，所述弹簧梁(104)、所述连接梁(105)均有多组，所述弹簧梁(104)为高深宽比的带状结构，所述边框(101)内部的上下两边均设有位置相对的基点(103)，所述质量块(102)的上下两边均设有位置相对的锚点(106)，所述锚点(106)与所述基点(103)的尺寸相匹配位置相对应，所述基点(103)、所述锚点(106)上均对称设有所述弹簧梁(104)，所述弹簧梁(104)的末端均连接所述连接梁(105)。3.根据权利要求1所述的一种地震传感器芯片，其特征在于：所述电容位移传感器为高精度变面积式电容位移传感器，所述电容位移传感器包括上电容极板阵列(207)与下电容极板阵列(107)，所述质量块(102)的顶面设有所述下电容极板阵列(107)，所述上盖板(2)的底面设有所述上电容极板阵列(207)，所述上电容极板阵列(207)与所述下电容极板阵列(107)的位置相对应，所述下电容极板阵列(107)与所述硅基层(1)之间、所述上电容极板阵列(207)与所述上盖板(2)之间均设有绝缘层(108)，所述绝缘层(108)中均设有屏蔽电容极板阵列(109)，所述屏蔽电容极板阵列(109)与所述上电容极板阵列(207)、所述下电容极板阵列(107)的位置相对应。4.一种地震传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)在具有绝缘面的硅基层(1)上，所述硅基层(1)采用电阻率大于1000Ω
·
cm高阻硅，通过物理气相沉积工艺和金属图形化工艺，在所述硅基层(1)上制备钛粘附层，并在钛粘附层上制备金导体层，形成所述屏蔽电容极板阵列(109)的制备；(b)在所述硅基层(1)形成金属屏蔽极板阵列制备的表面，通过化学气相沉积工艺制作金属传感极板间二氧化硅的所述绝缘层(108)；(c)在所述硅基层(1)形成所述绝缘层(108)的表面，通过物理气相沉积工艺和金属图形化工艺，实现钛粘附层和金导体层制备，完成金属传感极板和金属键合结构制备，实现所述下电容极板阵列(107)的制备；(d)在所述下盖板(3)的基底顶部，通过硅腐蚀工艺实现硅槽结构；(e)将所述硅基层(1)的底部与所述下盖板(3)的顶部通过硅硅键合工艺实现晶圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴保彬，
申请(专利权)人：郑州盈纳电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：