[發明專利]一種具有應力補償功能的MEMS加速度計

在審

• 申請號: 202111571394.2
• 申請日: 2021-12-21
• 公開（公告）號: CN114264844A
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 蘇巖
• 申請（專利權）人: 蘇州感測通信息科技有限公司
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 周湛湛

本發明涉及一種具有應力補償功能的MEMS加速度計，包括由上至下按序層疊設置的上方硅帽層、平面結構層及下方硅襯底層，所述平面結構層包括沿Z軸運動的質量塊及至少分布在質量塊一側的檢測電極，所述質量塊與檢測電極構成一對平行板電容；在所述質量塊同一層結構上設置有不敏感輸入加速度的結構，通過結構與兩個檢測電極分別構成兩組應力檢測電容，以實現對封裝應力的測量；并通過兩組應力檢測電容構成一對差分電容，其輸出的電容差分變化量為ΔC_σ，本發明能夠大幅提高Z軸MEMS加速度計的溫度特性，有效降低了封裝應力對器件性能的影響。

技術領域

本發明涉及一種MEMS加速度計，尤其是一種具有應力補償功能的MEMS加速度計，屬于MEMS傳感器技術領域。

背景技術

MEMS即微機電系統(Micro-electro Mechanical System)，是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。其中，MEMS壓力傳感器、加速度計、陀螺儀等都是典型的力敏感器件，它們多用作壓力、加速度、角速度等物理、化學、生物信息量的高精度測量，具有體積小、功耗低、與集成電路工藝兼容與易于大批量生產等特點。

而MEMS加速計是利用微型檢測質量塊來實現測量加速度的微型傳感器。根據其檢測原理，可分為：壓阻式、壓電式、電容式、熱流式等。目前高精度的商用MEMS加速度計大多為電容式MEMS加速度計。但是無論哪種檢測原理的MEMS加速度計，其在封裝過程中均會引入額外的應力。應力將會影響MEMS器件的性能指標。封裝應力是由于MEMS芯片材料與封裝材料之間熱膨脹系數(coefficient of thermal expansion，CTE)不匹配而產生的。芯片粘接工藝是芯片封裝最主要的應力來源，MEMS芯片襯底材料、粘接材料和封裝基板之間的材料熱膨脹系數不同，特別是MEMS器件襯底硅與封裝基板之間材料熱膨脹系數失配，會產生較大的封裝應力。封裝應力會造成芯片的翹曲和變形，進而影響MEMS器件的性能。

因此，如何減小封裝應力是進一步提高MEMS加速度計性能需要解決的一個重要技術瓶頸。針對這一問題，目前國內外相關研究人員提出了多種解決途徑：

美國亞德諾半導體公司提出了一種“具有Z軸錨跟蹤的MEMS加速度計”的方法，設計了跟蹤錨結構，其將力施加耦合到質量的扭轉彈簧，用于抵消應變對輸出加速度的影響。

EP1571454B1公開了一種帶芯片級應力隔離的三明治結構的Z軸硅微加速度計，其在中間層質量塊的周圍設置了應力釋放梁，通過應力釋放降低傳遞至三明治敏感結構的應力。

US7140250、CN201911125779.9公開了兩種基于梳齒電容檢測的蹺蹺板式Z軸加速度計，采用不等高的梳齒電容代替平板電容，一定程度上降低了敏感電容對應力和溫度的敏感性，不足的是機械位移至電容變化的增益偏低。

安徽北方芯動聯科微系統技術有限公司提出了一種具有降低封裝應力結構的MEMS元件(201320205008.2)，其在背面層上裝上至少一個裝片柱，封裝管殼底板上有粘片膠，粘片膠包圍裝片柱。通過MEMS芯片背面層上的裝片柱和封裝管殼底板上的粘片膠將MEMS芯片固定在封裝管殼底板上，但是其均勻性及對稱性不夠好而且其保證芯片與粘片膠接觸的總面積對抗機械沖擊能力效果的保證也不夠好。

因此，目前急需一種新的MEMS加速度計，以解決上述問題。

發明內容

本發明的目的在于：針對現有技術存在的缺陷，提出一種具有應力補償功能的MEMS加速度計，能夠大幅提高Z軸MEMS加速度計的溫度特性。