一种减小灌封应力的加速度传感器结构及其制备方法与流程

本发明涉及微机械电子领域，具体是一种减小灌封应力的加速度传感器结构及其制备方法。

背景技术：

微机电系统的发展，极大地推动了传感器技术的进步，实现了mems传感器的微型化。现有mems传感器有电容式、压电式、压阻式、热对流、隧道电流式和谐振式等多种形式。利用微机械加工工艺制作的压阻式加速度计具有结构简单、易集成、功耗小、使用和维护简单等优点，适于大规模使用和广泛应用。

然而，在压阻式高g值加速度传感器研制和生产过程中，封装是mems传感器从芯片转变为可用器件的最后作业流程，为微芯片提供可靠的物理保护和电气接口。压阻式高g值加速度传感器在封装时，为了提高过载能力，需要在管壳内填充灌封材料，填充灌封材料后，由于灌封材料与传感器芯片以及管壳热失配产生的应力可能会发生数倍的变化，严重影响影响压阻式加速度传感器的零位和测试精度。

目前，为了减小灌封应力的影响通常会对封装工艺进行再设计，但往往只针对某一种特定的压阻式传感器，不具有广泛适用性，从而进一步增加了传感器封装的设计、实现成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种减小灌封应力的加速度传感器结构及其制备方法，该结构能避免灌封应力对压阻式加速度传感器敏感结构产生影响，有效减小灌封应力对传感器零位的影响，且加工工艺简单，产品的可靠性、一致性好，可以实现批量制造。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种减小灌封应力的加速度传感器结构，包括管壳，管壳内设有传感器芯片，传感器芯片包含形成配合的衬底与盖帽，衬底设有可动结构活动空腔，可动结构活动空腔上方设有形成配合的可动电极；所述衬底顶面设有包围可动结构活动空腔的上环形槽，衬底底面设有与上环形槽同心的下环形槽，下环形槽外径大于上环形槽，所述上、下环形槽在衬底深度方向形成交错；衬底底面四周边缘通过粘接剂与管壳固定连接；管壳与传感器芯片之间填充有灌封料，管壳顶部通过盖板封装。

本发明还提供一种减小灌封应力的加速度传感器结构的制备方法，包括以下步骤：

s1、取双抛硅片作为衬底，对其表面进行氧化，形成氧化层；

s2、对其中一面氧化层光刻空腔图形，去除打开窗口的二氧化硅，再利用电感耦合等离子体刻蚀形成可动结构活动空腔；

s3、在活动空腔外围的衬底顶面，通过光刻与icp刻蚀形成上环形槽；

s4、取soi硅片，将soi硅片的顶层硅与衬底顶面硅硅键合；

s5、去除soi硅片的衬底硅与埋氧层，通过光刻与icp刻蚀形成与可动结构活动空腔配合的可动电极；

s6、取盖帽与衬底顶面键合，实现对可动电极的晶圆级封装；

s7、在衬底底面通过光刻与icp刻蚀形成下环形槽，完成传感器芯片的制作；

s8、将传感器芯片底面四周边缘通过粘接剂与管壳固定连接，然后在管壳与传感器芯片之间填充灌封料，最后管壳顶部通过盖板进行封装，得到权利要求1所述的加速度传感器结构。

本发明的有益效果是：

一、上下交错的环形槽构成弹性应力隔离结构，可以隔离灌封应力的传递路径，避免灌封应力对压阻式加速度传感器敏感结构产生影响，从而有效减小了灌封应力对传感器零位的影响；

二、当有灌封应力时，传感器芯片衬底没有和管壳底部发生直接接触，因此，灌封应力导致的管壳底部的形变不会影响传感器可动结构；

三、本发明加速度传感器结构在加工时，传感器芯片和弹性应力隔离结构同时完成加工，弹性应力隔离结构与传感器芯片形成一个全硅结构的整体，避免后期的二次装配工艺带来的误差；

四、本发明弹性应力隔离结构不受灌封材料的影响，适用范围广；该结构采用mems体硅工艺，加工工艺简单，产品的可靠性、一致性好，可以实现批量制造。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中衬底与可动电极的俯视图；

图3是本发明中衬底的仰视图；

图4是本发明制备方法步骤s1的示意图；

图5是本发明制备方法步骤s2的示意图；

图6是本发明制备方法步骤s3的示意图；

图7是本发明制备方法步骤s4的示意图；

图8是本发明制备方法步骤s5的示意图；

图9是本发明制备方法步骤s6与s7的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种减小灌封应力的加速度传感器结构，包括管壳1，管壳1内设有传感器芯片，传感器芯片包含形成配合的衬底2与盖帽3，衬底2设有可动结构活动空腔4，可动结构活动空腔4上方设有形成配合的可动电极5；结合图2与图3所示，所述衬底2顶面设有包围可动结构活动空腔4的上环形槽6，衬底2底面设有与上环形槽6同心的下环形槽7，下环形槽7外径大于上环形槽6，所述上、下环形槽在衬底深度方向形成交错；衬底2底面四周边缘通过粘接剂8与管壳1固定连接；管壳1与传感器芯片之间填充有灌封料9，管壳1顶部通过盖板10封装。

本发明还提供一种减小灌封应力的加速度传感器结构的制备方法，包括以下步骤：

s1、结合图4所示，取双抛硅片作为衬底2，对其表面进行氧化，形成氧化层2a；

s2、结合图5所示，对其中一面氧化层光刻空腔图形，去除打开窗口的二氧化硅，再利用电感耦合等离子体刻蚀形成可动结构活动空腔4；

s3、结合图6所示，在可动结构活动空腔4外围的衬底顶面，通过光刻与icp刻蚀形成上环形槽6；

s4、结合图7所示，取soi硅片11，将soi硅片11的顶层硅与衬底2顶面硅硅键合；

s5、结合图8所示，去除soi硅片的衬底硅11b与埋氧层11c，通过光刻与icp刻蚀形成与可动结构活动空腔4配合的可动电极5；

s6、结合图9所示，取盖帽3与衬底2顶面键合，实现对可动电极的晶圆级封装；

s7、在衬底2底面通过光刻与icp刻蚀形成下环形槽7，完成传感器芯片的制作；

s8、将传感器芯片底面四周边缘通过粘接剂8与管壳1固定连接，然后在管壳1与传感器芯片之间填充灌封料9，最后管壳1顶部通过盖板10进行封装，得到本发明减小灌封应力的加速度传感器结构。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种减小灌封应力的加速度传感器结构，包括管壳，管壳内设有传感器芯片，传感器芯片包含形成配合的衬底与盖帽，衬底设有可动结构活动空腔，可动结构活动空腔上方设有形成配合的可动电极，衬底顶面设有包围可动结构活动空腔的上环形槽，衬底底面设有与上环形槽同心的下环形槽，下环形槽外径大于上环形槽，所述上、下环形槽在衬底深度方向形成交错；衬底底面四周边缘通过粘接剂与管壳固定连接；管壳与传感器芯片之间填充有灌封料，管壳顶部通过盖板封装；上下交错的环形槽构成弹性应力隔离结构，可以隔离灌封应力的传递路径，避免灌封应力对压阻式加速度传感器敏感结构产生影响，从而有效减小了灌封应力对传感器零位的影响。

技术研发人员：王鹏;徐春叶;郭群英;何凯旋;黄斌;曹卫达
受保护的技术使用者：北方电子研究院安徽有限公司
技术研发日：2017.08.12
技术公布日：2018.02.09