一种三明治式三轴加速度芯片及其加工方法与流程

本发明涉及三轴加速度芯片，尤其涉及一种三明治式三轴加速度芯片及其加工方法。

背景技术：

1、mems加速度传感器依据原理的不同，分为压阻式、电容式、压电式、隧穿式等，在高精度领域目前主流的mems加速度计为电容式加速度计，其低温漂、高精度、一致性好、低功耗、高可靠性的特点和优势，受到了国内外各行业的广泛关注。目前，单片三轴向集成加速度芯片一般为梳齿式结构，其中片上x、y、z轴向感知结构一般为独立工作结构，仅仅利用mems工艺在版图中实现单片集成，互相之间没有运动和电学等关联关系，因此受限于芯片面积的原因，每个轴向的电容值均比较小，极大限制了传感器的灵敏度指标。

技术实现思路

1、基于以上所述，本发明的目的在于提供一种三明治式三轴加速度芯片及其加工方法，能够将x、y、z轴向感知结构集成在一起，解决了现有的三轴加速度芯片存在的电容值小和灵敏度低的问题。

2、为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种三明治式三轴加速度芯片的加工方法，包括：

4、提供顶部玻璃衬底，在顶部玻璃衬底上形成顶部电极板，所述顶部玻璃衬底和所述顶部电极板形成顶部封装组件；

5、提供第一soi衬底，将所述顶部电极板与所述第一soi衬底固定连接，所述第一soi衬底的第一顶部硅层和第一底部硅层电连接，所述第一顶部硅层通过所述顶部封装组件能够与外部电源电连接；

6、减薄所述第一soi衬底的第一底部硅层；

7、刻蚀所述第一soi衬底，在所述第一soi衬底上形成四个间隔分布的第一加速度子组件，每个所述第一加速度子组件均包括第一可动子质量块、第一中间子电极组件、第一支撑子弹性件、第一支撑子梁及第一支撑子质量块，所述第一可动子质量块与所述顶部电极板形成第一z轴电容，所述顶部封装组件与所述第一soi衬底组成第一加速度结构；

8、在底部玻璃衬底上形成底部电极板，形成底部封装组件；

9、提供第二soi衬底，将所述第二soi衬底与所述底部电极板在第三位置固定连接，且所述第二soi衬底的第二顶部硅层与第二底部硅层电连接；

10、减薄所述第二soi衬底的第二底部硅层；

11、刻蚀所述第二soi衬底，在所述第二soi衬底上形成四个间隔分布的第二加速度子组件，每个所述第二加速度子组件均与一个所述第一加速度子组件对应且两者组成加速度组件，每个所述第二加速度子组件均包括第二可动子质量块、第二中间子电极组件、第二支撑子弹性件、第二支撑子梁及第二支撑子质量块，所述第二可动子质量块与所述底部电极板形成第二z轴电容，所述第一z轴电容与所述第二z轴电容组成第三差分电容，所述第三差分电容用于检测沿第三方向的加速度，所述底部封装组件与所述第二soi衬底组成第二加速度结构；

12、将所述第一加速度结构的所述第一底部硅层固定且电连接在所述第二加速度结构的所述第二底部硅层上，所述第一加速度结构除去所述顶部封装组件的第一部分和所述第二加速度结构除去所述底部封装组件的第二部分组成中间电极组件，每个所述加速度组件的一个所述第一可动子质量块均正对一个所述第二可动子质量块设置且两者组成可动质量块，所述可动质量块能够沿第一方向、第二方向及第三方向运动，每个所述加速度组件的一个所述第一支撑子弹性件均正对一个所述第二支撑子弹性件设置且两者组成支撑弹性件，每个所述加速度组件的一个所述第一支撑子质量块均正对一个所述第二支撑子质量块设置且两者组成支撑质量块，每个所述加速度组件的一个所述第一中间子电极组件均正对一个所述第二中间子电极组件设置且两者组成中间电极块，沿第一方向正对设置的两个所述加速度组件的所述可动质量块与所述中间电极块形成第一差分电容，所述第一差分电容能够检测沿第一方向的加速度，沿第二方向正对设置的两个所述加速度组件的所述可动质量块与所述中间电极块形成第二差分电容，所述第二差分电容能够检测沿第二方向的加速度。

13、作为一种三明治式三轴加速度芯片的加工方法的优选方案，所述顶部封装组件的加工步骤包括：

14、提供顶部玻璃衬底，在所述顶部玻璃衬底上形成所述顶部电极板；

15、在所述顶部电极板和所述顶部玻璃衬底上形成贯穿的第一导电孔、第二导电孔及第三导电孔；

16、溅射金属材料，所述第一导电孔内形成第一电连接件，所述第二导电孔内形成第二电连接件，所述第三导电孔内形成第三电连接件；

17、刻蚀所述顶部电极板，形成贯穿所述顶部电极板且环绕所述第一电连接件的第一绝缘环形孔，以及贯穿所述顶部电极板且环绕所述第二电连接件的第二绝缘环形孔；

18、在所述第一绝缘环形孔内形成第一绝缘层，在所述第二绝缘环形孔内形成第二绝缘层，所述第一绝缘层包裹在所述第一电连接件的外壁上，所述第二绝缘层包裹在所述第二电连接件的外壁上。

19、作为一种三明治式三轴加速度芯片的加工方法的优选方案，所述底部封装组件的加工步骤包括：

20、提供底部玻璃衬底，在所述底部玻璃衬底上形成所述底部电极板；

21、刻蚀所述底部电极板和所述底部玻璃衬底，形成贯穿所述底部电极板和所述底部玻璃衬底的第四导电孔；

22、所述第四导电孔内形成导电柱，所述底部电极板背离所述底部玻璃衬底的一侧形成导电层，所述导电柱与所述导电层电连接且两者组成第四电连接件。

23、一种三明治式三轴加速度芯片，采用以上任一方案所述的三明治式三轴加速度芯片的加工方法加工而成，限定互相垂直的第一方向、第二方向及第三方向，所述三明治式三轴加速度芯片包括依次叠设的顶部封装组件、中间电极组件及底部封装组件，所述顶部封装组件包括顶部玻璃衬底和固定在所述顶部玻璃衬底上的顶部电极板；所述中间电极组件包括四个间隔分布的加速度组件，四个所述加速度组件正交对称分布，每个所述加速度组件均包括可动质量块、支撑质量块、中间电极块、支撑弹性件及支撑梁，所述可动质量块与所述顶部电极板间隔设置且能够沿所述第一方向、所述第二方向及所述第三方向运动，所述可动质量块依次通过所述支撑梁和所述支撑弹性件固定在所述支撑质量块上，所述可动质量块与所述中间电极块形成电容器，其中两个所述加速度组件沿第一方向分布且形成第一差分电容，所述第一差分电容用于检测沿第一方向的加速度；另外两个所述加速度组件沿第二方向分布且形成第二差分电容，所述第二差分电容用于检测沿第二方向的加速度；所述底部封装组件包括底部玻璃衬底和固定在所述底部玻璃衬底上的底部电极板，所述底部电极板固定在所述支撑质量块上，所述底部电极板与所述可动质量块间隔设置，所述可动质量块与所述顶部电极板和所述底部电极板组成第三差分电容。

24、作为一种三明治式三轴加速度芯片的优选方案，所述中间电极组件包括两个电连接的soi衬底，所述可动质量块、所述支撑质量块、所述中间电极块、所述支撑弹性件及所述支撑梁均形成在两个所述soi衬底上，所述支撑质量块上设有将所述soi衬底的顶部硅层和底部硅层电连接的第一导电凸块，所述中间电极块上设有将所述顶部硅层和所述底部硅层电连接的第二导电凸块，所述可动质量块上设有将所述顶部硅层和所述底部硅层电连接的第三导电凸块。

25、作为一种三明治式三轴加速度芯片的优选方案，两个所述soi衬底分别为第一soi衬底和第二soi衬底，所述第一soi衬底上形成有四个呈正交对称分布的第一加速度子组件，所述第二soi衬底上形成有四个呈正交对称分布的第二加速度子组件，四个所述第一加速度子组件和四个所述第二加速度子组件一一对应设置，且每个所述第一加速度子组件均和与其正对的所述第二加速度子组件组成一个所述加速度组件，每个所述第一加速度子组件均包括第一可动子质量块、第一中间子电极组件、第一支撑子弹性件、第一支撑子梁及第一支撑子质量块，每个所述第二加速度子组件均包括第二可动子质量块、第二中间子电极组件、第二支撑子弹性件、第二支撑子梁及第二支撑子质量块，所述第一可动子质量块正对所述第二可动子质量块设置且两者组成所述可动质量块，所述第一中间子电极组件正对所述第二中间子电极组件设置且两者组成所述中间电极块，所述第一支撑子弹性件正对所述第二支撑子弹性件且两者组成所述支撑弹性件，所述第一支撑子梁正对所述第二支撑子梁且两者组成所述支撑梁，所述第一支撑子质量块正对所述第二支撑子质量块且两者组成所述支撑质量块。

26、作为一种三明治式三轴加速度芯片的优选方案，所述第一soi衬底正对所述第一支撑子弹性件和所述第一支撑子梁的第一底部硅层上形成第一空槽，所述第二soi衬底正对所述第二支撑子弹性件和所述第二支撑子梁的第二底部硅层上形成第二空槽，所述第一空槽与所述第二空槽组成腔室。

27、作为一种三明治式三轴加速度芯片的优选方案，所述三明治式三轴加速度芯片还包括第一电连接件、第二电连接件、第三电连接件及第四电连接件，所述第一电连接件贯穿所述顶部玻璃衬底和所述顶部电极板并与所述支撑质量块电连接，所述第一电连接件与所述顶部电极板之间设有第一绝缘层，所述第二电连接件贯穿所述顶部玻璃衬底和所述顶部电极板并与所述中间电极块电连接，所述第二电连接件与所述顶部电极板之间设有第二绝缘层，所述第三电连接件贯穿所述顶部玻璃衬底并与所述顶部电极板电连接，所述第四电连接件贯穿所述底部玻璃衬底并与所述底部电极板电连接，所述第一电连接件、所述第二电连接件、所述第三电连接件及所述第四电连接件均能够与外部电源电连接。

28、作为一种三明治式三轴加速度芯片的优选方案，所述第四电连接件包括电连接的导电层和导电柱，所述导电层形成在所述底部玻璃衬底背离所述底部电极板的一侧，所述导电柱贯穿所述底部玻璃衬底并与所述底部电极板电连接。

29、作为一种三明治式三轴加速度芯片的优选方案，每个所述加速度组件均包括一个所述可动质量块、一个所述支撑质量块、一个所述中间电极块、两个所述支撑弹性件及两个所述支撑梁，两个所述支撑弹性件分别与所述支撑质量块的两端相连，两个所述支撑梁分别与所述可动质量块的两端相连，每个所述支撑弹性件均与一个所述支撑梁相连。

30、本发明的有益效果为：本发明公开的三明治式三轴加速度芯片的加工方法，加工工艺简单，易于控制和实现，加工而成的加速度芯片面积小，降低了芯片的制造成本，加工而成的三明治式三轴加速度芯片还具有集成度好、电容值大、灵敏度高及线性度好的特点。

31、本发明公开的三明治式三轴加速度芯片，具有集成度好、电容值大、灵敏度高及线性度好的特点，其中，沿第一方向分布的两个加速度组件的中间电极块与可动质量块形成的第一差分电容能够检测沿第一方向的加速度，沿第二方向分布的两个加速度组件的中间电极块与可动质量块形成的第二差分电容能够检测沿第二方向的加速度，可动质量块沿第三方向与顶部电极板和底部电极板形成的第三差分电容能够检测沿第三方向的加速度。