一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器及其加工方法与流程

本发明涉及惯性测量技术领域，特别涉及一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器及其加工方法。

背景技术：

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是采用硅基半导体工艺来制作微型机械的一项前沿技术。MEMS技术与陀螺技术结合，产生了许多新原理的微陀螺。其中MEMS流体陀螺越来越受到MEMS陀螺研究者的关注。

MEMS流体陀螺采用流体(多为气体)作为工作介质，无需振动质量块或者其他运动部件，因而克服了MEMS振动式陀螺抗冲击差、结构易疲劳及存在滑/压膜阻尼等问题。

MEMS流体陀螺主要包括基于强迫对流的MEMS陀螺(又称为射流陀螺)、基于自然对流的MEMS陀螺以及基于热膨胀气流的MEMS陀螺。其中，基于热膨胀气流的MEMS陀螺属于一种新型流体陀螺，相比于射流陀螺，热膨胀气流陀螺无需射流微泵，因而具有结构简单、体积小、工艺简单的特点；相比于自然对流陀螺，热膨胀气流陀螺无需重力环境即可正常工作，因此可避免Z轴加速度对陀螺灵敏度的影响。

但现有热膨胀气流陀螺由于结构的限制，如热敏元件的两端固定设置，热敏元件工作过程中产生的热应力无法充分释放，导致热阻效应明显，影响了热膨胀气流陀螺的线性度和灵敏度。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器及其加工方法，以解决现有热膨胀气流陀螺的热敏元件无法充分释放热应力，导致热阻效应明显的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明实施例提供了一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器，包括：由上盖和PCB基板围成的密封腔体，密封腔体内的PCB基板上设置有MEMS芯片，MEMS芯片通过PCB基板与密封腔体外的检测电路电连接；MEMS芯片的中心位置处设置有检测腔，检测腔的正上方悬挂有加热元件，检测腔的边缘设置有相对加热元件呈中心对称的多组热敏组件，每组热敏组件包括对称设置的两个热敏元件，每个热敏元件的两端为自由端。

本发明该实施例的有益效果是：通过将热敏元件的两端设置为自由端，使得热敏元件在通电工作后，可以充分释放热应力，降低压阻效应的影响，提高MEMS三轴惯性传感器的线性度和灵敏度。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的加工方法，该方法包括：

刻蚀SOI材料的基底层和埋氧层的中心位置，得到贯穿基底层和埋氧层的检测腔；

刻蚀SOI材料的器件层，得到悬挂在检测腔的正上方的加热元件和相对所述加热元件呈中心对称、且位于检测腔的边缘的多组热敏组件，其中，每组热敏组件包括对称设置的两个热敏元件，每个热敏元件的两端可自由伸缩；

在SOI材料的基底层粘贴PCB基板，并在PCB基板上罩扣上盖，上盖与PCB基板围成密封所述SOI

材料的密封腔体，形成基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器。

本发明该实施例的有益效果是：利用MEMS SOI标准工艺加工制作MEMS三轴惯性传感器的MEMS芯片，在得到MEMS芯片后，利用上盖和PCB基板对MEMS芯片进行封装，形成基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器；本发明实施具有加工工艺简单、加工得到的MEMS三轴惯性传感器具有尺寸小、成本低的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的剖面示意图；

图2为本发明实施例提供的基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的MEMS芯片结构示意图；

图3为图2的主视图；

图4为热敏元件的局部放大图；

图5为本发明实施例提供的基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的加工方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

针对现有技术中，由于MEMS三轴惯性传感器的结构限制导致热敏元件产生的热应力无法充分释放的问题，本实施例提供了一种结构改进的MEMS三轴惯性传感器。

在本实施例中，基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器，包括：由上盖和PCB基板围成的密封腔体，密封腔体内的PCB基板上设置有MEMS芯片，MEMS芯片通过PCB基板与密封腔体外的检测电路电连接，MEMS芯片的中心位置处设置有检测腔，检测腔的正上方悬挂有加热元件，检测腔的边缘设置有相对加热元件呈中心对称的多组热敏组件，每组热敏组件包括对称设置的两个热敏元件，每个热敏元件的两端为自由端。

其中，热敏元件的两端为自由端可以理解为：热敏元件的两端悬空，既未固定设置在MEMS芯片上，也未固定设置其他部件上。

图1为本发明实施例提供的基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的剖面示意图，如图1所示，上盖35和PCB基板34围成的密封腔体将检测腔2中的气体介质与外界隔离，形成一个密封的工作系统。在该密封腔体内，MEMS芯片1可采用粘片工艺(Die Bond)粘结在PCB基板34上，MEMS芯片1的焊盘可采用打线工艺(Wire Bond)进行打线连接，实现MEMS芯片1上的焊盘与PCB基板34上对应焊盘的电连接，PCB基板34与密封腔体外的检测电路电连接，借助PCB基本实现MEMS三轴惯性传感器的电气连接。

本实施例通过将热敏元件的两端设置为自由端，使得热敏元件在通电工作后，可以充分释放热应力，降低压阻效应的影响，提高MEMS三轴惯性传感器的线性度和灵敏度。

在本实施例的一个实现方案中，热敏元件为T型热敏元件，其中T型热敏元件的短边相对检测腔悬空，T型热敏元件的短边作为热敏元件的主体，用于感应检测腔内气体温度的变化，并生成相应的热阻值；T型热敏元件的长边连接到MEMS芯片的信号焊盘，一方面通过热敏元件的长边将热敏元件短边悬空于检测腔的上方，另一方面通过热敏元件的长边将生成的热阻值通过MEMS芯片上的信号焊盘发送给PCB基板，再通过PCB基板将来自热敏元件的热阻值转发给检测电路，使检测电路依据接收到的热敏元件的热阻值同时检测外界施加的Z角速度和X、Y轴加速度。

本实施方案通过将热敏元件设置为T型结构，并悬空热敏元件的主体部分，借助热敏元件的这种力学结构特征，充分释放热应力，减小压阻效应。

在本实施例的一个实现方案中，检测腔包括十字型检测区域，十字型检测区域的四个方向臂的根部各设置一组热敏组件，四组热敏组件中的每个T型热敏元件在同一平面，且每个T型热敏元件到十字型检测区域的中央位置距离相同。

参考图2所示，图2中检测腔2即为十字型检测区域，为便于说明，本实施例定义检测腔2的高度方向为Z向，十字型检测区域的十字型方向臂所在的方向分别为X向和Y向。

在设计过程中，也可以将检测腔设置为圆形、方形或其他规则形状，对此本实施例不做具体限定。

参考图3，在十字型检测区域X向的两个方向臂根部，分别对称设置T型热敏元件4、5和T型热敏元件6、7，在十字型检测区域Y向的两个方向臂根部，分别对称设置T型热敏元件8、9和T型热敏元件10、11；其中，T型热敏元件4和T型热敏元件6相向设置，T型热敏元件4和T型热敏元件7相对加热元件3中心对称设置，T型热敏元件5和T型热敏元件7相向设置，T型热敏元件5和T型热敏元件6相对加热元件3中心对称设置，T型热敏元件8和T型热敏元件10相向设置，T型热敏元件8和T型热敏元件11相对加热元件3中心对称设置，T型热敏元件9和T型热敏元件11相向设置，T型热敏元件9和T型热敏元件10相对加热元件3中心对称设置。这8个热敏元件(4-11)所在的平面可以位于检测腔内部，也可以位于检测腔的上方。

继续参考图3，加热元件3悬挂在十字型检测区域的中心位置，加热元件3优选为圆形结构，以使加热元件周围的气体受热均匀，得到均匀分布的温度场。本实施中的加热元件3上设置向MEMS芯片1各对角方向延伸的延伸部，每个延伸部穿过检测腔2并连接到MEMS芯片1的电源焊盘(12-15)，示例性地电源焊盘12和15接电源正极，电源焊盘13和14接电源负极。本实施例中的延伸部一方面将加热元件悬空设置在检测腔的上方，另一方面将加热元件连接到工作电源，延伸部有效地保证了加热元件的正常工作。

本实施例优选设置热敏元件为P型掺杂硅材料，P型掺杂硅材料相较于铬/铂(Cr/Pt)复合材料，具有更高的电阻温度系数，因此可提高传感器的灵敏度。

在设计加工过程中，热敏元件和加热元件可以由MEMS芯片的器件层刻蚀形成，通过简单的加工工艺即可获得两端为自由端的热敏元件和悬挂于检测腔中心位置处的加热元件，并能保证加热元件与热敏元件的位置关系。

其中，加热元件3的通电方式为周期性间歇性通电，即加热元件3的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间，脉冲电压激励的半个周期，可形成由检测腔中央向其边缘位置运动的热膨胀流；断电的这半个周期，目的在于让气体介质在这段时间内进行冷却，抑制热膨胀流的自然对流效应。

图3所述的MEMS三轴惯性传感器的工作原理为：悬空的加热元件3通电后发热，其周围的气体介质受热膨胀，受热膨胀的气体介质不断与周围的气体发生动量、能量、质量的交换，形成了运动的热膨胀气流，当外界有Z轴角速度输入时，由于科氏效应，运动的热膨胀气流将发生偏转，热敏元件4和5之间、热敏元件6和7之间、热敏元件8和9之间、热敏元件10和11之间局部温度会产生差异，根据热阻效应，热敏元件4和5之间、热敏元件6和7之间、热敏元件8和9之间、热敏元件10和11之间将会产生热阻差值，通过检测电路便可检测到所产生的热阻差值，进而推算出外界Z轴角速度的大小；当外界有X轴加速度输入时，由于惯性，运动的热膨胀气流将发生偏移，热敏元件6和4之间、热敏元件7和5之间、热敏元件8和9之间、热敏元件10和11之间局部温度会产生差异，根据热阻效应，热敏元件6和4之间、热敏元件7和5之间、热敏元件8和9之间、热敏元件10和11之间将会产生热阻差值，通过检测电路便可检测到所产生的热阻差值，进而推算出外界X轴加速度的大小；当外界有Y轴加速度输入时，由于惯性，运动的热膨胀气流将发生偏移，热敏元件4和5之间、热敏元件6和7之间、热敏元件10和8之间、热敏元件11和9之间局部温度会产生差异，根据热阻效应，热敏元件4和5之间、热敏元件6和7之间、热敏元件10和8之间、热敏元件11和9之间将会产生热阻差值，通过检测电路便可检测到所产生的热阻差值，进而推算出外界Y轴加速度的大小。

基于MEMS三轴惯性传感器的工作原理，本实施例的检测电路包括热阻检测电路、Z轴角速度检测支路、X轴加速度检测支路和Y轴加速度检测支路，其中，

热阻检测电路，用于实时检测十字型检测区域内四组热敏组件中每个T型热敏元件的热阻值，并将检测到热阻值发送给Z轴角速度检测支路、X轴加速度检测支路和Y轴加速度检测支路。

Z轴角速度检测支路，用于计算每组热敏组件中两个T型热敏元件的热阻差值，并根据所得到的四个热阻差值的和检测检测Z轴角速度。

X轴加速度检测支路，用于计算X向方向臂内相向设置的不同组中两个T型热敏元件的热阻差值，以及计算Y向方向臂内的每组热敏组件中两个T型热敏元件的热阻差值，并根据所得到的四个热阻差值的和检测X轴加速度。

Y轴加速度检测支路，用于计算Y向方向臂内相向设置的不同组中两个T型热敏元件的热阻差值，以及计算X向方向臂内的每组热敏组件中两个T型热敏元件的热阻差值，并根据所得到的四个热阻差值的和检测Y轴加速度。

结合图3所示，示例性地，以检测Z轴正向角速度、X轴正向加速度和Y轴正向加速度为例，Z轴角速度检测支路可以根据公式ΔR_GyroZ＝(R₅-R₄)+(R₆-R₇)+(R₉-R₈)+(R₁₀-R₁₁)检测检测Z轴角速度，X轴加速度检测支路可以根据公式ΔR_AccX＝(R₆-R₄)+(R₇-R₅)+(R₈-R₉)+(R₁₀-R₁₁)检测检测X轴加速度，Y轴加速度检测支路可以根据公式ΔR_AccY＝(R₅-R₄)+(R₇-R₆)+(R₁₀-R₈)+(R₁₁-R₉)检测检测Y轴加速度。

由上，本实施例提供的MEMS三轴惯性传感器至少具有如下优点：

1、本实施例通过将热敏元件的两端设置为自由端，使得热敏元件在通电工作后，可以充分释放热应力，降低压阻效应的影响，提高MEMS三轴惯性传感器的线性度和灵敏度；

2、本实施例通过P型掺杂硅材料的热敏元件，利用P型掺杂硅材料的高电阻温度系数，提高传感器的灵敏度；

3、本实施例基于MEMS三轴惯性传感器的工作原理，设置相应的检测电路，实现Z轴角速度、X轴加速度和Y轴加速度的三个自由度的同时测量。

本发明实施例还提供了一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的加工方法，如图5所示，该方法包括：

S510，刻蚀SOI材料(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)的基底层和埋氧层的中心位置，得到贯穿所述基底层和埋氧层的检测腔。

其中，SOI材料为由上至下叠设器件层、埋氧层和基底层的三层结构，示例性地，器件层材料为P型硅，埋氧层材料为二氧化硅，基底层材料为硅，基底层的厚度远大于器件层厚度，器件层厚度大于埋氧层厚度，例如基底层厚度可选为300μm，器件层厚度可选为10μm，埋氧层厚度可选为1.5μm。

S512，刻蚀SOI材料的器件层，得到悬挂在检测腔的正上方的加热元件和相对加热元件呈中心对称、且位于检测腔的边缘的多组热敏组件，其中，每组热敏组件包括对称设置的两个热敏元件，每个热敏元件的两端可自由伸缩。

在具体实现时，可通过下述方式刻蚀出加热元件和热敏元件：

热氧化SOI材料器件层的上平面，形成覆盖器件层的绝缘层；

刻蚀绝缘层，得到走线区域、窗口区域和显露的待刻蚀器件层区域，优选地可在窗口区域注入硼离子，增强铝导线层与器件层的欧姆接触；

在走线区域和窗口区域上磁控溅射一层铝，形成铝导线层，铝导线层通过所述窗口区域与器件层电连接，优选地对所述铝导线层进行快速热退火热处理，增强铝导线层与器件层的欧姆接触；

刻蚀显露的待刻蚀器件层区域，形成加热元件和多组热敏组件。

S514，在SOI材料的基底层粘贴PCB基板，并在PCB基板上罩扣上盖，上盖与PCB基板围成密封SOI材料的密封腔体，形成基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器。

本实施例通过利用MEMS SOI标准工艺加工制作MEMS三轴惯性传感器的MEMS芯片，在得到MEMS芯片后，利用上盖和PCB基板对MEMS芯片进行封装，形成基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器。

本实施例具有加工工艺简单、加工得到的MEMS三轴惯性传感器具有尺寸小、成本低的优点。

为便于详细说明MEMS三轴惯性传感器的加工过程，本实施例通过下述具体实现方案进行说明：

在本实现方案中，首先刻蚀出检测腔。

本实施例示例性选择三层结构的SOI硅片，上层为器件层、中间层埋氧层、下层为基底层，其中，器件层材料为P型掺杂硅，其厚度为20μm，埋氧层材料为二氧化硅，厚度为1.5μm，基底层材料为硅，厚度为300μm。

在SOI硅片的背面，即基底层的下表面旋涂光刻胶、光刻。示例性地，可以将光刻胶图形化为十字形状，作为下一步ICP刻蚀(Inductively Couple Plasma Etch，感应耦合等离子体刻蚀)的掩膜层。在旋涂厚光刻胶时，可以根据所需的检测腔的形状确定光刻胶的图形。在旋涂好光刻胶、光刻后，ICP干法刻蚀SOI硅片基底层到埋氧层，去除光刻胶后，湿法腐蚀去除对应的埋氧层，得到所需的检测腔。

然后刻蚀出加热元件和热敏元件。

在上述刻蚀出检测腔的SOI硅片的正面进行热氧化，即热氧化器件层的上表面，形成一层薄的二氧化硅绝缘层；并在绝缘层上旋涂光刻胶、光刻，将光刻胶图形化，按照光刻胶的图样，湿法刻蚀以去除未覆盖光刻胶的绝缘层，在得到走线区域、窗口区域和显露的待刻蚀器件层区域后，去除光刻胶。

以图3所示的MEMS芯片为例进行说明，走线区域设置在绝缘层上，非走线区域部分的绝缘层都被刻蚀去除，即显露的器件层区域一部分作为窗口区域，另一部分作为待刻蚀器件层区域，用于刻蚀热敏元件和加热元件。

参考图3，图3中电源焊盘12-15所在区域、与每个电源焊盘连接的延伸部所在区域、信号焊盘16-31所在区域以及与信号焊盘连接的每个T型热敏元件的长边所在区域即为走线区域。

图3中每个延伸部与加热元件连接点所在区域和每个T型热敏元件两端所在区域即为窗口区域。

为便于理解窗口区域，本实施以一个T型热敏元件为例进行说明。参考图4所示，图4中T型热敏元件短边的非两端区域都覆盖有绝缘层32，铝导线层33覆盖绝缘层32和T型热敏元件短边的两端，由于T型热敏元件短边的两端未覆盖绝缘层32，因而铝导线层33和T型热敏元件4可以通过窗口区域(即T型热敏元件短边的两端)导通。

在窗口区域进行硼离子注入，以增强器件层和后续溅射的铝导线层的欧姆接触，减小两者之间的接触电阻值。在走线区域和窗口区域磁控溅射一层铝，形成铝导线层，并对铝导线层进行快速热退火热处理，增强铝导线层与SOI器件层之间的欧姆接触。

在显露的待刻蚀的器件层区域上旋涂光刻胶，光刻，将光刻胶图样化为热敏电阻及加热元件的形状，ICP干法刻蚀SOI硅片器件层，形成加热元件和热敏元件，然后去除光刻胶，得到所需的MEMS芯片。

在得到MEMS芯片后，进行封装处理。

根据MEMS芯片的尺寸，设计加工一PCB电路板，作为封装用的PCB基板，利用粘片工艺将MEMS芯片粘结在PCB基板上，再利用打线工艺将MEMS芯片的焊盘进行打线，实现MEMS芯片焊盘与PCB基板上对应焊盘的电连接；加工一上盖(如黄铜、玻璃等材质的盖子)，将上盖粘在PCB基板上，使MEMS芯片处在充满气体的密封工作环境中。由上，完成了MEMS三轴惯性传感器的加工。

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。