Mems傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種MEMS傳感器,包括由半導(dǎo)體基板層(50)形成的振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體基板層(50)安裝在底座上,所述底座包括接合至半導(dǎo)體基板(50)以形成矩形傳感器芯片的電絕緣的基板層(52)。底座還包括用于將傳感器芯片安裝至外殼的電絕緣的間隔層(54)。電絕緣的間隔層(54)是八角形的。作為八角形間隔層(54)的結(jié)果,當(dāng)振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)被激發(fā)為cos2θ振動(dòng)模式對(duì)時(shí),由任何模式頻率分裂產(chǎn)生的正交偏置不會(huì)受到溫度改變的影響。
【專利說(shuō)明】MEMS傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及諸如振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器以及制造MEMS傳感器的關(guān)聯(lián)方法。MEMS傳感器可以包括由例如硅的半導(dǎo)體基板形成的傳感結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀提供了由例如硅的半導(dǎo)體基板形成的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器設(shè)備的一個(gè)示例。其可以使用常規(guī)的微機(jī)械加工技術(shù),由硅晶片批量制造。由于其成本低、尺寸小和固有的耐用性質(zhì),對(duì)將MEMS陀螺儀利用于引導(dǎo)、導(dǎo)航和平臺(tái)穩(wěn)定應(yīng)用的范圍有著相當(dāng)?shù)呐d趣。然而,MEMS設(shè)備的有限的性能能力限制了其在這些領(lǐng)域中的大規(guī)模部署。一個(gè)性能限制特性是速率偏置穩(wěn)定性(rate bias stability),其例如是在設(shè)備的操作期間由溫度的變化導(dǎo)致的。
[0003]振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的一些示例可以在GB2322196、US5932804和US6282958中找到。圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的示例,其包括由柔性支承梁10安裝的環(huán)形諧振器1,柔性支承梁10從環(huán)形諧振器I的內(nèi)周邊延伸至由半導(dǎo)體基板提供的凸臺(tái)11。柔性支承梁10允許環(huán)形諧振器I響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)換能器12、13以實(shí)質(zhì)上無(wú)阻尼振蕩模式振動(dòng),并許可環(huán)形諧振器響應(yīng)于繞與環(huán)形諧振器的平面垂直的軸施加的角速度而振動(dòng)。這樣的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀可以具有由硅制成的環(huán)形諧振器,并特別適合使用微機(jī)械加工技術(shù)來(lái)制造。
[0004]在典型的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀中,環(huán)形諧振器典型地被激發(fā)為cos2 Θ諧振模式。對(duì)于完美對(duì)稱的諧振器而言,該模式實(shí)際上作為互相45°的角的主要和次要振動(dòng)模式(primaryand secondary vibrat1n modes)的簡(jiǎn)并對(duì)而存在。主要模式被激發(fā)作為載波模式。當(dāng)環(huán)形諧振器繞垂直于其平面的軸旋轉(zhuǎn)時(shí),科里奧利效應(yīng)導(dǎo)致將能量耦合到次要響應(yīng)模式的正交方向的次要振動(dòng)。次要響應(yīng)模式的運(yùn)動(dòng)的大小與施加的角速度成正比。
[0005]在該設(shè)備中,由于在COS2 0諧振模式下主要和次要頻率的不完美匹配,可能產(chǎn)生正交偏置(quadrature bias),主要和次要頻率理想上應(yīng)設(shè)為相等。正交偏置的大小與AF.sin4a成正比,其中,AF是模式頻率分裂,a是相對(duì)于主要驅(qū)動(dòng)軸對(duì)準(zhǔn)的模式角。通常,在生產(chǎn)期間使用激光微調(diào)處理將正交偏置最小化,激光微調(diào)處理中將室溫下的AF設(shè)為約等于0Hz。然而, 申請(qǐng)人:已認(rèn)識(shí)到,由于用于組成陀螺儀的各種材料之間的熱膨脹系數(shù)的不匹配而引起的應(yīng)力和應(yīng)變可能使AF值、進(jìn)而使正交偏置在設(shè)備的操作溫度范圍改變。
[0006]圖2示出對(duì)于在GB2322196中說(shuō)明的傳感器類型的范圍的、從最初的室溫值起的正交偏置變化的典型數(shù)據(jù)。平均變化在_40°C至+85°C的測(cè)量范圍約為150°每秒。該信號(hào)與期望的速率偏置信號(hào)相位正交,大部分被電子控制設(shè)備拒絕。然而在實(shí)踐中,電子設(shè)備的組件容差將會(huì)導(dǎo)入限制相位精度的誤差,因此,允許一些正交偏置突破至速率偏置通道。正交偏置和相位誤差這兩者都隨著溫度變化,引起速率偏置的變化。在該常規(guī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀中的速率偏置的穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致對(duì)于很多敏感應(yīng)用而言,性能不令人滿意。
[0007]圖3示出GB2322196中說(shuō)明的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的傳感器頭結(jié)構(gòu)的示意性截面??梢?jiàn)環(huán)形諧振器I被支承為與硅基板20隔開(kāi),而硅基板層20安裝至派熱克斯(Pyrex)玻璃底座層22和Pyrex玻璃間隔層24,以形成MEMS結(jié)構(gòu)。MEMS芯片由例如硅酮彈性體附著劑的小片接合層(die bond layer) 26附接至剛性罐封裝基底28。根據(jù)GB2332196,罐封裝外殼28由科瓦(Kovar)材料即鎳鐵合金制成。用于組成MEMS設(shè)備的各種材料的熱膨脹的不同系數(shù)會(huì)引起應(yīng)力和應(yīng)變,其會(huì)隨著設(shè)備的環(huán)境溫度而變化。例如,硅的熱膨脹的系數(shù)為
3.2ppm每!^,Pyrex的熱膨脹的系數(shù)為3.25ppm每!^,而鎳鐵合金(例如NILO 45)的熱膨脹的系數(shù)為7ppm每。C。因?yàn)镸EMS芯片是方形的,因此其趨向于在角落區(qū)域附近在更大程度上抵抗應(yīng)力引起的形變,角落區(qū)域由于其更大的寬度而更硬。這可能會(huì)導(dǎo)致具有波峰和波谷的非對(duì)稱的應(yīng)力和應(yīng)變分布,該波峰和波谷與方形芯片的角和面角對(duì)準(zhǔn)。該可變應(yīng)力和應(yīng)變可以經(jīng)由支承腿10耦合至環(huán)形諧振器I。這有效地向諧振器I給予COS4 0擾動(dòng),而這可以在COS2 0模式之間引起隨環(huán)境溫度變化的頻率分裂AF。
[0008]由于在封裝外殼28與MEMS設(shè)備之間的大的熱膨脹失配,會(huì)產(chǎn)生非對(duì)稱的應(yīng)力和應(yīng)變的顯著來(lái)源。小片接合層26旨在將MEMS設(shè)備從封裝外殼28的應(yīng)力和應(yīng)變解耦合。然而,該硅酮彈性體附著劑材料與硅層(190 X 19Pa)和Pyrex層(62.7 X 19Pa)的材料相比,典型地具有比較低的楊氏模量(0.1X 19Pa),但是與娃的3.2口口111每1€和Pyrex的3.25ppm每。C相比,具有非常高的熱膨脹系數(shù)(500ppm每。C)。最終結(jié)果是可以從彈性體小片接合層26向MEMS結(jié)構(gòu)給予顯著的應(yīng)力和應(yīng)變,這可能會(huì)導(dǎo)入具有cos4 Θ周期性的顯著的不對(duì)稱。方形芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作以對(duì)該不對(duì)稱集中,使得熱引起的應(yīng)力和應(yīng)變將cos2 Θ模式對(duì)的頻率分裂。
[0009]本公開(kāi)謀求解決至少一些如上所述的問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本文公開(kāi)的MEMS傳感器包括由半導(dǎo)體基板層形成的振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu),所述半導(dǎo)體基板層安裝在底座上,所述底座包括接合至所述半導(dǎo)體基板以形成矩形傳感器芯片的電絕緣的基板層,并且所述底座還包括至少一個(gè)電絕緣的間隔層,用于將所述傳感器芯片安裝至外殼,其中,所述電絕緣的間隔層是八角形。
[0011]MEMS傳感器可以包括可以使用C0S2 Θ振動(dòng)模式對(duì)來(lái)操作的任何類型的振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)。MEMS傳感器可以還包括驅(qū)動(dòng)換能器,所述驅(qū)動(dòng)換能器布置為使所述振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)以主要平面內(nèi)諧振模式、即cos2 0諧振模式振動(dòng)。在一組示例中,MEMS傳感器可以是包括振動(dòng)環(huán)傳感結(jié)構(gòu)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀。在另一組示例中,MEMS傳感器可以是包括圓盤(pán)諧振器的諧振質(zhì)量傳感器檢測(cè)器。該質(zhì)量檢測(cè)器可以測(cè)量由熱引起的應(yīng)力或者應(yīng)變變化導(dǎo)致的、在cos2 Θ振動(dòng)模式中產(chǎn)生的頻率分裂。這在諸如醫(yī)療診斷和藥物發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用中可以影響檢測(cè)器的靈敏度。
[0012]在一個(gè)示例中,如上所述,作為存在于X和y切割線的至少一些連接點(diǎn)的孔隙的結(jié)果,八角形間隔層可以由穿過(guò)所有層一起劃切而形成。或者八角形間隔層可以分開(kāi)形成,然后例如在其被劃切之后安裝至矩形傳感器芯片,以形成底座。
[0013]在這樣的MEMS傳感器中,間隔層保證固定至外殼的任何小片接合是八角形。這意味著,耦合至傳感器的任何熱引起的應(yīng)力或者應(yīng)變的方式由間隔層的八角形幾何形狀控制。間隔層可以厚于接合至半導(dǎo)體基板的電絕緣的基板層,甚至厚于整個(gè)矩形傳感器芯片。間隔層可以是MEMS傳感器的最厚的部分。使間隔層為八角形可以顯著減小沿著對(duì)角的有效硬度,使其更類似于沿著主X和y軸。由矩形傳感器芯片產(chǎn)生的硬度中殘留的COS4 0不對(duì)稱可以通過(guò)調(diào)節(jié)八角形間隔層的幾何形狀來(lái)補(bǔ)償,例如使作為結(jié)果的平面內(nèi)硬度沿著主軸和斜軸相等。例如,八角形間隔層可以具有非對(duì)稱形狀,例如斜邊比主邊更長(zhǎng)。
[0014]在一個(gè)示例中,MEMS傳感器是振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀,例如如下文具體說(shuō)明。在該示例中,傳感結(jié)構(gòu)可以包括實(shí)質(zhì)上平面的環(huán)形諧振器;以及多個(gè)柔性支承構(gòu)件,所述多個(gè)柔性支承構(gòu)件布置為支承與所述半導(dǎo)體基板隔開(kāi)的所述環(huán)形諧振器,以允許所述環(huán)形諧振器以一個(gè)或更多平面內(nèi)諧振模式振蕩。半導(dǎo)體基板和環(huán)形諧振器可以由硅制成??梢栽O(shè)置使環(huán)形諧振器以COS2 0諧振模式振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)換能器??梢栽O(shè)置傳感換能器來(lái)檢測(cè)環(huán)形諧振器的振蕩。
[0015]在有關(guān)振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的任何示例中,柔性支承構(gòu)件可以設(shè)置具有2個(gè)正交的自由度、例如允許振蕩的主要和次要模式的彈性懸掛。柔性支承構(gòu)件可以包括8對(duì)柔順腿(compliant leg),以W02010/007406公開(kāi)的方式等角地繞環(huán)形諧振器隔開(kāi),其內(nèi)容通過(guò)應(yīng)用并入本文。
[0016]在有關(guān)振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的任何示例中,驅(qū)動(dòng)換能器可以使用任何適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)裝置,例如電磁、光學(xué)、熱膨脹、壓電或者靜電效應(yīng)。傳感換能器可以使用任何適當(dāng)?shù)难b置,例如電容傳感或者電磁傳感。然而,在一組示例中,傳感換能器包括至少一個(gè)電感拾取換能器,例如在環(huán)形諧振器并在支承構(gòu)件上由導(dǎo)電軌道構(gòu)成。電感拾取換能器相對(duì)于電容換能器對(duì)可以是優(yōu)選的,因?yàn)楫?dāng)每個(gè)電容換能器攜帶導(dǎo)電的例如金屬軌道時(shí),支承構(gòu)件可以更對(duì)稱。
[0017]常規(guī)技術(shù)中,在任何有關(guān)振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的示例中,設(shè)備可以還包括用于產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上垂直于環(huán)形諧振器的平面的磁場(chǎng)的裝置。尤其是,環(huán)極磁部件包括定位在環(huán)形諧振器的周緣內(nèi)的永磁體,用于將磁場(chǎng)集中在諧振器,其中,環(huán)形諧振器位于在部件的上下極之間的間隙中。
[0018]此外,本文公開(kāi)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀包括:半導(dǎo)體基板;實(shí)質(zhì)上平面的環(huán)形諧振器;多個(gè)柔性支承構(gòu)件,布置為支承與半導(dǎo)體基板隔開(kāi)的環(huán)形諧振器,以允許環(huán)形諧振器以一個(gè)或更多平面內(nèi)諧振模式振蕩;驅(qū)動(dòng)換能器,使環(huán)形諧振器以主要平面內(nèi)諧振模式、即cos2 9諧振模式振動(dòng);以及傳感換能器,檢測(cè)由正交次要平面內(nèi)諧振模式導(dǎo)致的環(huán)形諧振器的振蕩,所述振蕩響應(yīng)于圍繞實(shí)質(zhì)上垂直于環(huán)形諧振器的平面的軸施加的角速度而產(chǎn)生,其中,半導(dǎo)體基板層安裝至至少一個(gè)電絕緣的基板層,并且一個(gè)或更多基板層是八角形。
[0019]應(yīng)該理解的是,用于形成諸如振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的MEMS設(shè)備的基板層的結(jié)構(gòu)通常是矩形,因?yàn)檫@是由劃切過(guò)程產(chǎn)生的自然形狀,作為最頻繁用于從在其上制造設(shè)備的、例如硅和/或玻璃的晶片切割傳感器小片。因此,八角形基板層代表從標(biāo)準(zhǔn)的意外偏離。 申請(qǐng)人:認(rèn)識(shí)到最有害的非對(duì)稱應(yīng)力效果是對(duì)COS2 0諧振模式對(duì)具有最大差分效應(yīng)的那些。這在當(dāng)最大徑向應(yīng)力與一個(gè)模式的徑向腹點(diǎn)一致,最小與第二模式的徑向腹點(diǎn)一致、即45°周期性時(shí)會(huì)發(fā)生。常規(guī)的方形基板結(jié)構(gòu)恰好給予該應(yīng)力不對(duì)稱的45°周期性,因此,增強(qiáng)了環(huán)形諧振器的振動(dòng)中的COS4 0擾動(dòng)。在很多方式中,方形基板幾何形狀與環(huán)形諧振器利用的COS2 0諧振模式最兼容。通過(guò)形成至少一個(gè)基板層以便為八角形,可以減小甚至去除任何cos4 Θ不對(duì)稱。
[0020]通過(guò)提供八角形基板層,主要和次要cos2 Θ諧振模式頻率可以被設(shè)定為相等,或者至少模式頻率分裂AF可以保持為實(shí)質(zhì)上恒定。對(duì)于八角形結(jié)構(gòu)而言,支配性的徑向應(yīng)力不對(duì)稱具有cos8 0徑向變化,因此對(duì)于每個(gè)COS2 0模式對(duì),會(huì)具有相等數(shù)量的最大值和最小值,因此,不會(huì)引起差分應(yīng)力效果。振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的正交偏置因此可以從溫度的改變解耦合,否則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力和應(yīng)變不對(duì)稱,擾亂主要和次要cos2 0諧振模式的匹配。非常期望減小正交偏置隨溫度的變化,因?yàn)檫@能使在陀螺儀的操作范圍,正交偏置微調(diào)的精度在室溫下執(zhí)行,以維持為更高程度的精度。這反過(guò)來(lái)改善了設(shè)備的速率偏置性能。
[0021]八角形基板層可以對(duì)稱(例如具有相等長(zhǎng)度的邊)或者非對(duì)稱(例如具有不相等長(zhǎng)度的邊)。一些或者所有基板層可以具有相同的八角形形狀。因此,MEMS振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀可以由八角形傳感器小片制作。
[0022]半導(dǎo)體基板層可以安裝至一個(gè)或更多電絕緣的基板層來(lái)形成MEMS結(jié)構(gòu),該MEMS結(jié)構(gòu)然后可以被適當(dāng)容納或封裝。例如,至少一個(gè)電絕緣的基板層可以安裝至諸如金屬罐的封裝基底。用于外殼的封裝基底可以由磁材料制成,例如鎳鐵合金或者類似物。如上所述,一個(gè)或更多基板層是八角形的效果在于避免非對(duì)稱的應(yīng)力和應(yīng)變分布,否則會(huì)由封裝材料與基板層相比不同的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致非對(duì)稱的應(yīng)力和應(yīng)變分布。
[0023]電絕緣的基板層可以由任何適當(dāng)?shù)碾娊^緣材料制成,例如包括陶瓷層。在一個(gè)示例中,半導(dǎo)體基板層安裝至包括玻璃層的至少一個(gè)電絕緣的基板層。半導(dǎo)體基板層可以接合至玻璃層。這可以提供例如硅基板層的半導(dǎo)體的氣密密封,使其被保護(hù)得免受環(huán)境影響。
[0024]在常規(guī)微機(jī)械加工技術(shù)中,通常例如硅晶片的半導(dǎo)體被蝕刻以形成環(huán)形諧振器,然后上下顛倒地翻轉(zhuǎn)并接合(例如使用靜電或者陽(yáng)極接合)至由另一個(gè)晶片提供的玻璃基板層。硅和玻璃基板層然后可以被切割,以形成單獨(dú)的MEMS傳感器小片。理想的是玻璃基板層、例如可以用于玻璃層的諸如Pyrex的硼硅酸鹽玻璃的熱膨脹系數(shù)類似于例如硅層的半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)。
[0025](沿著X和y軸的)常規(guī)劃切產(chǎn)生如圖4所示的矩形傳感器小片。對(duì)于GB2322196說(shuō)明的設(shè)備而言,可以從4英寸(1cm)的晶片產(chǎn)生56個(gè)小片。由圖3可知,每個(gè)小片在環(huán)形諧振器I內(nèi)包含安裝在娃基板20的磁部件30 (被上下極夾著的永磁體)。在圖4中,黑圈示出這些磁部件的位置。經(jīng)過(guò)X和I軸的劃切刀不接觸形成磁部件的金屬結(jié)構(gòu),因此能夠穿過(guò)硅和玻璃層干凈地切割,而不會(huì)損傷。
[0026]在一個(gè)示例中,至少半導(dǎo)體例如硅基板層被劃切為八角形。安裝至例如硅基板層的半導(dǎo)體的任何電絕緣(例如玻璃)的基板層可以被劃切,以具有相同的八角形形式。方便的是基板層被一起安裝、例如接合,然后,一起劃切為單獨(dú)的MEMS傳感器小片。
[0027]—個(gè)劃切方法包括還以與X和y軸具有角度地切割基板層,例如,適用額外的斜切割以制作八角形小片。然而,應(yīng)該理解的是以離開(kāi)X和y軸角度切割的風(fēng)險(xiǎn)是劃切刀與MEMS設(shè)備的磁結(jié)構(gòu)接觸。這可以通過(guò)跨基板層交替分隔傳感器部件來(lái)避免,以便劃切刀具有不受限的通路來(lái)切割八角形傳感器小片。從晶片上的一半的位置省略傳感器結(jié)構(gòu)不可避免地減小可以產(chǎn)生的MEMS設(shè)備的數(shù)量,例如僅28個(gè)而不是56個(gè)。
[0028]備選的方法包括在沿著X和y軸切割基板層之前,在X和y軸的至少一些連接點(diǎn)在基板層中形成孔隙??紫队行纬擅總€(gè)小片的附加邊,從而導(dǎo)致八角形傳感器小片。優(yōu)點(diǎn)是,晶片上的所有傳感器位置可以填充有磁部件,而不與劃切刀干擾。可以在每個(gè)基板層中使用常規(guī)技術(shù)制造孔隙,諸如對(duì)于半導(dǎo)體基板層的深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)處理、或者對(duì)于電絕緣的基板層的玻璃機(jī)械加工技術(shù)。然而,當(dāng)半導(dǎo)體基板層安裝至電絕緣的基板層時(shí),需要每個(gè)基板層中的孔隙形成在相同的位置,并且對(duì)準(zhǔn)這些孔隙。
[0029]在這兩個(gè)情況下,每當(dāng)形成八角形傳感器小片時(shí),都要求與常規(guī)矩形傳感器芯片相比,重新設(shè)計(jì)一些設(shè)備特性。例如,在GB2322196說(shuō)明的設(shè)備中,金屬接合墊存在于矩形芯片的角落,用于將MEMS傳感器電連接至封裝引腳。根據(jù)需要,可以調(diào)節(jié)金屬軌道和接合墊布局以避免角落區(qū)域。然而,對(duì)準(zhǔn)楔特性也常規(guī)位于角落區(qū)域,并被用于協(xié)助對(duì)準(zhǔn)不僅各種基板層,而且用于當(dāng)在每個(gè)矩形芯片上定位磁部件時(shí)的對(duì)準(zhǔn)。該對(duì)準(zhǔn)楔可以被重新定位,這要求標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)過(guò)程的顯著修改,這可能費(fèi)時(shí)且實(shí)現(xiàn)昂貴。
[0030]在特定的方便的布置中,至少半導(dǎo)體(例如硅)基板層是矩形,而至少一個(gè)電絕緣(例如玻璃)基板層具有八角形形式。這能使八角形幾何形狀被導(dǎo)入至MEMS傳感器小片,并保留大多數(shù)現(xiàn)有的生產(chǎn)過(guò)程,尤其是對(duì)于攜帶傳感器設(shè)備特性的半導(dǎo)體(例如硅)基板層而言。可能方便的是直接安裝至半導(dǎo)體、例如硅基板層的電絕緣(例如玻璃)的基板層也具有相同的矩形形式。因此,這些層可以使用常規(guī)切割沿著X和y軸一起劃切。在該示例中,方便的是間接安裝至半導(dǎo)體基板層的另一個(gè)電絕緣(例如玻璃)的基板層具有八角形形式。該其他電絕緣的基板層可以采取間隔層的形式。
[0031]此外,本文公開(kāi)的用于振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的底座的類型具有實(shí)質(zhì)上平面的環(huán)形諧振器,環(huán)形諧振器從半導(dǎo)體基板支承并被驅(qū)動(dòng)以cos2 Θ諧振模式振動(dòng),底座包括用于安裝半導(dǎo)體基板層的至少一個(gè)電絕緣的基板層,其中,電絕緣的基板層是八角形的。如上所述,半導(dǎo)體基板層可以是矩形,并使用常規(guī)劃切從晶片切割。半導(dǎo)體基板層可以由硅形成。電絕緣的基板層可以采取陶瓷或者玻璃層的形式。
[0032]在一個(gè)示例中,八角形電絕緣的基板層可以直接安裝至半導(dǎo)體基板層。在另一個(gè)示例中,八角形電絕緣的基板層可以是間接安裝半導(dǎo)體基板層的間隔層。這意味著間隔層可以被切割為八角形形狀,而不干擾安裝在半導(dǎo)體基板層上的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)。方便的是在安裝至直接安裝至半導(dǎo)體基板層的電絕緣的基板層之前,間隔層形成有孔隙。組裝的層然后可以都通過(guò)沿著X和y軸切割而被一起劃切,以便在上層形成矩形小片,并由于孔隙而在間隔層形成八角形小片。
[0033]本文公開(kāi)的用于制作MEMS傳感器、例如振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀小片的方法包括:在半導(dǎo)體基板層上形成振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu);將所述半導(dǎo)體基板層安裝至電絕緣的基板層,使得矩形傳感器小片能夠由所述基板層的所述平面中正交的X和I切割線定義;將所述電絕緣的基板層安裝至間隔層,所述間隔層具有在所述X和y切割線的至少一些連接點(diǎn)形成的孔隙;以及切割所述層,以形成包括安裝在八角形間隔層上的矩形傳感器芯片的傳感器小片。振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)可以是用于振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的實(shí)質(zhì)上平面的環(huán)形諧振器,如上所述。
[0034]公開(kāi)的方法保留了八角形幾何形狀的很多好處,而不必要求改變安裝在半導(dǎo)體基板層的傳感器特性、諸如對(duì)準(zhǔn)楔或者接合墊位置。通過(guò)僅在下間隔層中產(chǎn)生孔隙,并保持上電絕緣的基板(例如玻璃底座)層和半導(dǎo)體(例如硅)基板層完好,可以使用常規(guī)部件處理而沒(méi)有修改。
[0035]在一個(gè)示例中,方法包括如下步驟:在所述間隔層中在所述X和y切割線的每個(gè)連接點(diǎn)形成孔隙;以及沿著所述X和y切割線劃切所述層,以形成包括安裝在所述八角形間隔層上的矩形傳感器芯片的傳感器小片。
[0036]方法可以還包括如下步驟:選擇所述傳感器小片中的一個(gè),并將所述間隔層接合至傳感器封裝,以形成封裝的傳感器。
[0037]方法可以包括使用靜電或者陽(yáng)極接合,將半導(dǎo)體基板層接合至電絕緣的基板層。方法可以包括使用例如環(huán)氧樹(shù)脂附著劑的附著劑將電絕緣的基板層接合至間隔層。
[0038]應(yīng)該理解的是,間隔層中的孔隙的數(shù)量和布置可以指示劃切之后實(shí)現(xiàn)的八角形幾何形狀??紫犊梢运惺窍嗤某叽缁蛘卟煌某叽?,例如制作對(duì)稱或者非對(duì)稱形狀。間隔層中的孔隙可以由例如常規(guī)玻璃機(jī)械加工技術(shù)的任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)形成,諸如超聲波機(jī)械加工、濕法蝕刻或者噴粉??梢允褂贸暡C(jī)械加工,因?yàn)槠淠軌虍a(chǎn)生具有垂直側(cè)壁的精確幾何形狀的孔隙。另一方面,濕法蝕刻或者噴粉典型地產(chǎn)生具有錐形側(cè)壁的孔隙。
[0039]當(dāng)使用該方法制作MEMS傳感器小片時(shí),每個(gè)矩形傳感器芯片可以受益于安裝至八角形間隔層。例如,熱引起的應(yīng)力集中在矩形芯片的角落的有害效果可以通過(guò)間隔層的八倍(eight-fold)對(duì)稱來(lái)減輕。該好處延伸至包括振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)的任何MEMS傳感器設(shè)備,例如方形幾何形狀的純粹矩形可能導(dǎo)致cos2 Θ諧振模式下的差分應(yīng)力效果。
[0040]現(xiàn)在參考附圖,說(shuō)明振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀形式的MEMS傳感器的示例。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0041]圖1示出包括環(huán)形諧振器的MEMS傳感器的現(xiàn)有技術(shù)布置;
圖2示出GB2322196中說(shuō)明的MEMS傳感器類型的范圍的、隨溫度的正交偏置變化;
圖3提供GB2322196中說(shuō)明的現(xiàn)有技術(shù)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的剖視圖;
圖4示出常規(guī)晶片劃切方案;
圖5示出用于制作八角形小片的第一晶片劃切方案;
圖6示出用于制作八角形小片的第二晶片劃切方案;
圖7是示例性傳感器小片的示意性示出;
圖8是另一個(gè)示例性傳感器小片的示意性示出;以及圖9示出使用八角形小片制作的MEMS傳感器的、隨溫度的正交偏置變化。
[0042]實(shí)施方式
圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的示例,其包括由8個(gè)柔性支承4a至4h安裝的環(huán)形諧振器2,柔性支承4a至4h被布置為將環(huán)形諧振器I保持在半導(dǎo)體基板6內(nèi)。柔性支承4a至4h的每個(gè)都包含一對(duì)柔順腿8a、8b,柔順腿8a、8b的一端附接至環(huán)形諧振器2的外周,另一端附接至由基板6定義的支承架10的內(nèi)周。柔性支承4a至4h允許環(huán)形諧振器2響應(yīng)于電磁驅(qū)動(dòng)換能器(未示出)而振動(dòng),該電磁驅(qū)動(dòng)換能器在2個(gè)支承上由金屬軌道區(qū)段構(gòu)成。電感拾取換能器(未示出)的主要和次要對(duì)在其他支承上由金屬軌道區(qū)段構(gòu)成。
[0043]圖2示出對(duì)于在圖3中示出截面并在GB2322196中說(shuō)明的傳感器類型的范圍的、作為溫度(以25°C值歸一化)函數(shù)的正交偏置變化的典型數(shù)據(jù)。如上所述,平均變化在-400C至+85°C的測(cè)量范圍約為150°每秒。由圖3可知,常規(guī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀包括安裝在環(huán)形諧振器I內(nèi)的磁部件30,磁部件30與娃基板20隔開(kāi)而被支承。娃基板層20安裝在Pyrex玻璃底座層22和Pyrex玻璃間隔層24上。當(dāng)硅和Pyrex玻璃基板層20、22、24具有實(shí)質(zhì)上類似的熱膨脹系數(shù),Pyrex玻璃間隔層24由硅酮彈性體附著劑的層26接合至外罐封裝外殼28,小片接合層26和封裝外殼28的材料具有非常不同的熱膨脹系數(shù)。熱膨脹的不同系數(shù)在傳感器設(shè)備中導(dǎo)致隨環(huán)境溫度變化的、熱引起的應(yīng)力和應(yīng)變。此外,因?yàn)橛苫鍖?0、22,24形成的傳感器芯片是矩形,因此趨向于非對(duì)稱的應(yīng)力和應(yīng)變分布集中在矩形結(jié)構(gòu)的角落,這會(huì)向環(huán)形諧振器I給予COS4 0擾動(dòng)。由圖2可知,這會(huì)跨操作溫度的范圍導(dǎo)致正交偏置不期望地大變化。
[0044]矩形傳感器芯片可以使用如圖4所示的常規(guī)劃切方案從硅和/或玻璃晶片劃切。為了制作八角形傳感器小片,可以使用如圖5所示的附加斜切來(lái)劃切一個(gè)或更多硅和/或玻璃基板層。在這些圖中,對(duì)每個(gè)傳感器小片提供的磁部件30示出為黑圓??梢?jiàn)通過(guò)使磁部件30交替間隔來(lái)適應(yīng)圖5中的附加斜切,使得由相同尺寸的晶片產(chǎn)生例如與圖4相比一半數(shù)量的小片。
[0045]如圖6所示的備選的劃切方案提供在每個(gè)矩形小片的由X和y切割線交叉的角落具有孔隙40的一個(gè)或更多基板層,以生產(chǎn)形狀為八角形的傳感器小片。這意味著可以使用常規(guī)切割技術(shù),而不干擾磁部件30。如果硅基板層20被切割為八角形小片,那么與GB2322196中說(shuō)明的設(shè)備相比,可能需要一些重新設(shè)計(jì),例如調(diào)節(jié)金屬軌道和接合墊布局,并重新定位可能存在于矩形芯片的角落區(qū)域的對(duì)準(zhǔn)楔。然而,這可以通過(guò)僅在安裝在硅基板層20下方的一個(gè)下基板層、例如用于將傳感器設(shè)備安裝至外殼28的玻璃間隔層24中形成孔隙40來(lái)避免。當(dāng)基板層一起安裝并接下來(lái)沿著X和y切割線劃切時(shí),上硅層20和玻璃底座層22被切割為矩形小片,而下玻璃間隔層24被切割為八角形小片,作為對(duì)每個(gè)小片形成附加側(cè)的孔隙40的結(jié)果。
[0046]圖7所示的示例性傳感器小片包括安裝在玻璃底座層52 (0.8mm厚)的硅基板層50 (0.1mm厚),其自身安裝至玻璃間隔層54 (1.5臟厚)。硅層50和玻璃底座層52已被一起切割為矩形形狀,而玻璃間隔層54被切割為具有對(duì)稱的八角形形狀。該傳感器小片然后可以使用常規(guī)技術(shù)接合至罐封裝基底或者其他外殼。圖8示出備選的傳感器小片,其中,玻璃間隔層54’已被切割為具有非對(duì)稱的八角形形狀。
[0047]盡管在圖7和8中未示出,為了形成振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀,使用深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)處理,由0.1mm厚的硅晶片50制造環(huán)形諧振器和支承構(gòu)件。蝕刻的硅晶片然后使用陽(yáng)極接合處理,接合至Pyrex玻璃底座晶片52。該晶片對(duì)然后使用環(huán)氧樹(shù)脂附著劑,被依次接合至Pyrex玻璃間隔層54。為了在每個(gè)傳感器小片中產(chǎn)生八角形間隔層54,在晶片結(jié)合處理之前,在X和y切割線(例如圖6所示)之間的連接點(diǎn)產(chǎn)生孔隙。這些孔隙可以使用諸如超聲波機(jī)械加工、濕法蝕刻或者噴粉的常規(guī)玻璃機(jī)械加工技術(shù)來(lái)方便地形成。在晶片結(jié)合之后,各種層可以使用常規(guī)切割,沿著X和I軸一起劃切而沒(méi)有任何對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。
[0048]示例
在GB2322196中說(shuō)明的類型的設(shè)備已通過(guò)生產(chǎn)晶片而制造,該晶片如圖5所示填充有交替布置在小片位置的磁部件30。對(duì)晶片適用附加的斜劃切來(lái)生產(chǎn)八角形傳感器小片,然后例如通過(guò)硅酮彈性體附著層附接,使用常規(guī)過(guò)程組裝在標(biāo)準(zhǔn)罐封裝中。與在GB2322196中說(shuō)明的設(shè)備的差異僅在于一些相對(duì)小的修改,需要該修改來(lái)更改在MEMS傳感器的表面上的金屬軌道的位置。然后測(cè)試這些八角形設(shè)備來(lái)測(cè)量隨溫度的正交偏置的變化,以能使與常規(guī)方形芯片設(shè)備的性能直接做出比較。圖9所示的結(jié)果數(shù)據(jù)可以與圖2所示的數(shù)據(jù)直接比較。
[0049]圖9示出作為溫度(以25°C值歸一化)函數(shù)的正交偏置變化。已證明了與矩形設(shè)備相比,對(duì)于八角形設(shè)備的正交偏置溫度變化減小到小于6分之一。這清楚證明了八角形傳感器小片減小導(dǎo)致向cos2 Θ模式對(duì)的COS4 0擾動(dòng)的有害硬度不對(duì)稱的有效性。
[0050]應(yīng)該理解上述示例涉及振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀,但本公開(kāi)不限于該設(shè)備,可以適用于包括振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)的任何MEMS傳感器設(shè)備、諸如各種類型的慣性傳感器和質(zhì)量檢測(cè)傳感器。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS傳感器, 包括由半導(dǎo)體基板層形成的振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu),所述半導(dǎo)體基板層安裝在底座上,所述底座包括接合至所述半導(dǎo)體基板以形成矩形傳感器芯片的電絕緣的基板層,并且 所述底座還包括至少一個(gè)電絕緣的間隔層,用于將所述傳感器芯片安裝至外殼,其中,所述電絕緣的間隔層是八角形。
2.如權(quán)利要求1所述的MEMS傳感器,其中,所述八角形間隔層厚于直接安裝所述半導(dǎo)體基板層的所述電絕緣的基板層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的MEMS傳感器,其中,所述八角形間隔層在被安裝至所述電絕緣的基板層之前形成有孔隙,并且所述基板層被切割以形成所述底座。
4.如權(quán)利要求1或2所述的MEMS傳感器,其中,所述八角形間隔層分開(kāi)形成,然后安裝至所述矩形傳感器芯片。
5.如前面的權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的MEMS傳感器,其中,所述八角形間隔層具有非對(duì)稱形狀。
6.如前面的權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的MEMS傳感器,包括驅(qū)動(dòng)換能器,所述驅(qū)動(dòng)換能器布置為使所述振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)以主要平面內(nèi)諧振模式、即cos2 Θ諧振模式振動(dòng)。
7.如前面的權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的MEMS傳感器,其中,所述傳感器是振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀,并且所述振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)包括:實(shí)質(zhì)上平面的環(huán)形諧振器;以及多個(gè)柔性支承構(gòu)件,所述多個(gè)柔性支承構(gòu)件布置為支承與所述半導(dǎo)體基板隔開(kāi)的所述環(huán)形諧振器,以允許所述環(huán)形諧振器以一個(gè)或更多平面內(nèi)諧振模式振蕩。
8.如權(quán)利要求7所述的MEMS傳感器, 包括傳感換能器,檢測(cè)由正交次要平面內(nèi)諧振模式導(dǎo)致的所述環(huán)形諧振器的振蕩,所述振蕩響應(yīng)于圍繞實(shí)質(zhì)上垂直于所述環(huán)形諧振器的所述平面的軸施加的角速度而產(chǎn)生。
9.一種制作MEMS傳感器小片的方法,包括: 在半導(dǎo)體基板層上形成振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu); 將所述半導(dǎo)體基板層安裝至電絕緣的基板層,使得矩形傳感器小片能夠由所述基板層的所述平面中正交的X和y切割線定義; 將所述電絕緣的基板層安裝至間隔層,所述間隔層具有在所述X和I切割線的至少一些連接點(diǎn)形成的孔隙;以及 劃切所述層,以形成包括安裝在八角形間隔層上的矩形傳感器芯片的傳感器小片。
10.如權(quán)利要求9所述的所述方法,包括:在所述間隔層中在所述X和y切割線的每個(gè)連接點(diǎn)形成孔隙;以及沿著所述X和y切割線劃切所述層,以形成包括安裝在所述八角形間隔層上的矩形傳感器芯片的傳感器小片。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法,還包括:選擇所述傳感器小片中的一個(gè),并將所述間隔層接合至傳感器封裝,以形成封裝的傳感器。
12.如權(quán)利要求9至11的任一項(xiàng)所述的所述方法,其中,所述八角形間隔層厚于直接安裝所述半導(dǎo)體基板層的電絕緣的基板層。
13.如權(quán)利要求9至12的任一項(xiàng)所述的所述方法,其中,所述振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)是用于振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的、實(shí)質(zhì)上平面的環(huán)形諧振器。
14.如前面的權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的MEMS傳感器或者方法,其中,所述半導(dǎo)體基板層由娃形成。
15.如前面的權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的MEMS傳感器或者方法,其中,所述電絕緣的基板層由玻璃形成。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK104132658SQ201410183960
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月30日
【發(fā)明者】C.費(fèi)爾 申請(qǐng)人:大西洋慣性系統(tǒng)有限公司