TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计制造技术

本发明专利技术公开了TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，由密封在同一密封腔中，且相互独立的X轴结构、Y轴结构和Z轴结构组成，三个轴结构都固定在中心TSV上，三轴结构的可动质量块的电信号通过MEMS中心锚点连接在一起，并通过中心TSV从密封腔内引出，X轴结构和Y轴结构的固定电极通过隔离块分别与X可动质量块、Y可动质量块电隔离；X轴结构和Y轴结构利用可动电极和固定电极的侧面作为感应电容，Z轴结构利用可动质量块和Z轴固定电极作为感应电容。本发明专利技术将X、Y、Z三轴结构固定在同一中心TSV上，由产品使用过程中温度变化引起的机械应力小、性能好、成本低、市场竞争力强。

【技术实现步骤摘要】
TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计
本专利技术属于MEMS芯片设计领域，具体是涉及一种TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计。
技术介绍
MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）是微机电系统的缩写，MEMS制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路（ASIC），组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。MEMS元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易较准、易集成的优点，被广泛应用于以智能手机为代表的消费类电子产品中。以智能手机为例，它用到陀螺仪、加速度计、高度计、麦克风、电子指南针、调谐天线、滤波器等MEMS元器件。而MEMS加速度计又是其中应用最广泛的，每个智能手机，甚至功能手机都标配有MEMS加速度计。随着MEMS元器件市场的竞争越来越激烈，以及以智能手表为代表的可穿戴电子产品的大幅成长，客户对MEMS元器件要求越来越高，体积小、功耗低、性能稳定已成为基本要求。为进一步缩小MEMS芯片的体积，降低成本，TSV（ThroughSiliconVia，硅通孔）圆片级封装的MEMS芯片成为必然趋势。TSV圆片级封装就是将可活动的MEMS结构用两个盖板夹在中间，两个盖板上制作有凹腔，形成一个密封腔供MEMS结构自由活动，在其中的一个盖板上有一些TSV，TSV是盖板的一部分，但与盖板的其他部分有隔离层电绝缘。TSV在密封腔内的一端与MEMS结构键合在一起，另一端连接金属，从而将MEMS结构的信号从密封腔中引出。但由于盖板厚度通常在100μm以上，以及考虑到键合工艺过程中的应力问题，TSV无法做得很小，TSV之间还必须保持一定的间距，传统的三轴MEMS加速度计设计中，每个轴的MEMS结构的可动质量块、正、负感应电极分别固定在三个TSV上，TSV间距又较大，在使用过程中热膨胀会产生引力，从而导致MEMS结构发生形变，间距越大，形变越大，加速度计的性能，特别是零点值重复性就越差，这已成为目前三轴MEMS加速度计设计的一个大问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，将X、Y、Z三轴结构固定在同一个中心TSV上，从而避免了热膨胀引起的应力问题，大大提高产品性能。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，由密封在同一密封腔中、且相互独立的X轴结构、Y轴结构和Z轴结构组成，X轴结构、Y轴结构和Z轴结构都固定在中心TSV上，X轴结构的X可动质量块、Y轴结构的Y可动质量块和Z轴结构的Z可动质量块的电信号通过MEMS中心锚点连接在一起，并通过中心TSV从密封腔内引出，X轴结构和Y轴结构的固定电极通过隔离块分别与X可动质量块、Y可动质量块电隔离；X轴结构和Y轴结构利用可动电极和固定电极的侧面作为感应电容，Z轴结构利用可动质量块和Z轴固定电极作为感应电容，X轴结构和Y轴结构分别位于MEMS中心锚点的两侧，Z轴结构位于X轴结构和Y轴结构的外侧。所述X可动质量块通过X轴弹簧固定在X悬臂上，且与X悬臂间有隔离块电隔离，X悬臂通过MEMS中心锚点固定在中心TSV上，X悬臂与MEMS中心锚点之间有隔离块进行电隔离，X可动质量块可沿X方向移动，X可动质量块上制作有X可动电极，X悬臂上制作有X固定电极，X可动电极与X固定电极组成X轴感应电容，其信号由相应的X轴TSV从密封腔中引出，X轴TSV与相应的X悬臂间通过X导电臂连接；所述Y可动质量块通过Y轴弹簧固定在Y悬臂上，且与Y悬臂间有隔离块进行电隔离，Y悬臂通过MEMS中心锚点固定在中心TSV上，Y悬臂与MEMS中心锚点之间有隔离块进行电隔离，Y可动质量块可沿Y方向移动，Y可动质量块上制作有Y可动电极，Y悬臂上制作有Y固定电极，Y可动电极与Y固定电极组成Y轴感应电容，其信号由相应的Y轴TSV从密封腔中引出，Y轴TSV与相应的Y悬臂间通过Y导电臂连接；所述Z轴结构是一个跷跷板板结构，Z可动质量块通过Z轴弹簧固定在MEMS中心锚点上，Z可动质量块分布于Z轴弹簧的二侧的图形不对称，Z可动质量块可沿Z轴弹簧转动，Z可动质量块与Z固定电极组成Z轴感应电容，Z固定电极本身就是面积较大的TSV，其信号可直接引出。所述的X悬臂包括X+悬臂和X-悬臂，X+悬臂与X-悬臂间有隔离沟电隔离，X+悬臂上固定有X+固定电极，X-悬臂上固定有X-固定电极。所述的Y悬臂包括Y+悬臂和Y-悬臂，Y+悬臂与Y-悬臂间有隔离沟电隔离，Y+悬臂上固定有Y+固定电极，Y-悬臂上固定有Y-固定电极。所述X轴TSV包括X+TSV和X-TSV，X悬臂包括X+悬臂和X-悬臂，X+TSV固定在X+MEMS锚点上，X-TSV固定在X-MEMS锚点上，X+TSV与X+悬臂间通过X+导电臂连接，X-TSV与X-悬臂间通过X-导电臂连接。所述Y轴TSV包括Y+TSV和Y-TSV，Y悬臂包括Y+悬臂和Y-悬臂，Y+TSV固定在Y+MEMS锚点上，Y-TSV固定在Y-MEMS锚点上，Y+TSV与Y+悬臂间通过Y+导电臂连接，Y-TSV与Y-悬臂间通过Y-导电臂连接。由于三轴MEMS加速度计使用过程中最大的问题是零位漂移，通常由机械应力引起，机械应力由PCB板通过焊料和封装材料传递到MEMS衬底上，引起MEMS衬底形变，MEMS衬底的形变又引起MEMS结构的形变，从而产生MEMS零位漂移。MEMS结构的形变与固定MEMS结构的各TSV之间的距离成正比。本专利技术的TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计将X、Y、Z三个轴的结构固定在同一中心TSV上，缩小了MEMS结构与MEMS衬底接触面积，由产品使用过程中温度变化引起的机械应力对MEMS结构的影响小、产品性能好、成本低、市场竞争力强。附图说明图1是本专利技术TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计的结构示意图。图2是本专利技术TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中Y轴结构的结构示意图。图3是本专利技术TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中X轴结构的结构示意图。图4是本专利技术TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中Z轴结构的结构示意图。图5是本专利技术TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中Z轴固定电极的示意图。图6是本专利技术TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中Z感应电容单元的剖视图。图7是本专利技术TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中中心TSV的俯视图。图8是本专利技术TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计中中心TSV的剖视图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，如图1所示，设垂直向上为正Y方向，水平向右为正X方向，垂直背向纸面为正Z方向；TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计由固定在中心TSV50上的Y轴结构10、X轴结构30和Z轴结构40组成，整体呈长方形，Y轴结构10、X轴结构30位于内侧，Z轴结构40位于外侧。Y轴结构10如图2所示，MEMS中心锚点55键合在中心TSV50上，为整个Y轴结构10提供机械支撑，Y轴结构10的Y+悬臂13和Y-悬臂14靠中心TSV50的一端通过隔离块17a与第一连接臂52连接，第一连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，由密封在同一密封腔中，且相互独立的X轴结构、Y轴结构和Z轴结构组成，其特征在于：X轴结构、Y轴结构和Z轴结构都固定在中心TSV上，X轴结构的X可动质量块、Y轴结构的Y可动质量块和Z轴结构的Z可动质量块的电信号通过MEMS中心锚点连接在一起，并通过中心TSV从密封腔内引出，X轴结构和Y轴结构的固定电极通过隔离块分别与X可动质量块、Y可动质量块电隔离；X轴结构和Y轴结构利用可动电极和固定电极的侧面作为感应电容，Z轴结构利用可动质量块和Z轴固定电极作为感应电容，X轴结构和Y轴结构分别位于MEMS中心锚点的两侧，Z轴结构位于X轴结构和Y轴结构的外侧。

【技术特征摘要】
1.TSV圆片级封装的三轴MEMS加速度计，由密封在同一密封腔中，且相互独立的X轴结构、Y轴结构和Z轴结构组成，其特征在于：X轴结构、Y轴结构和Z轴结构都固定在中心TSV上，X轴结构的X可动质量块、Y轴结构的Y可动质量块和Z轴结构的Z可动质量块与MEMS中心锚点间都有电连接，其电信号通过中心TSV从密封腔内引出，X轴结构和Y轴结构的固定电极通过隔离块分别与X可动质量块、Y可动质量块电隔离；X轴结构利用X+可动电极与X+固定电极组成X+感应电容单元、利用X-可动电极与X-固定电极组成X-感应电容单元；Y轴结构利用利用Y+可动电极与Y+固定电极组成Y+感应电容单元、利用Y-可动电极与Y-固定电极组成Y-感应电容单元；Z轴结构利用Z可动质量块和Z固定电极作为Z轴感应电容，X轴结构和Y轴结构分别位于MEMS中心锚点的两侧，Z轴结构位于X轴结构和Y轴结构的外侧；所述X可动质量块通过X轴弹簧固定在X悬臂上，且与X悬臂间有隔离块电隔离，X悬臂通过MEMS中心锚点固定在中心TSV上，X悬臂与MEMS中心锚点之间有隔离块进行电隔离，X可动质量块可沿X方向移动，X可动质量块上制作有X+可动电极和X-可动电极，X悬臂上制作有X+固定电极和X-固定电极，其信号由相应的X轴TSV从密封腔中引出，X轴TSV与相应的X悬臂间通过X导电臂连接；所述Y可动质量块通过Y轴弹簧固定在Y悬臂上，且与Y悬臂间有隔离块进行电隔离，Y悬臂通过MEMS中心锚点固定在中心TSV上，Y悬臂与MEMS中心锚点之间有隔离块进行电隔离，Y可动质量块可沿Y方向移动，Y可动质量块上制作有Y+可动电...

【专利技术属性】
技术研发人员：华亚平，
申请(专利权)人：安徽北方芯动联科微系统技术有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34