一种用于过载缓冲的微机械芯片制造技术

本实用新型专利技术属于微机械惯性传感器芯片技术领域，涉及一种用于过载缓冲的微机械芯片。芯片包括：负载粘接区、弹性梁、键合区、衬底区、绝缘层、衬底电极区、电极区；衬底区上面设置有衬底电极区，衬底电极区内设置有电极，衬底区上表面除衬底电极区之外的位置都覆盖有绝缘层，绝缘层上安装有多个键合区，每个键合区的上表面内边通过弹性梁与负载粘接区的一条边相连，预定的键合区上表面覆盖有电极区；负载粘接区的安装面安装待测试的传感器芯片底面，衬底区底面安装到传感器芯片安装区域。衬底区底面安装到传感器芯片安装区域。衬底区底面安装到传感器芯片安装区域。

【技术实现步骤摘要】
一种用于过载缓冲的微机械芯片


[0001]本技术属于微机械惯性传感器芯片
，涉及一种用于过载缓冲的微机械芯片。

技术介绍

[0002]在智能炮弹类的应用场景中，由于超高的过载条件，产品均需要进行过载保护。电子类芯片通常采用灌封的方式进行过载防护，缓冲过载能量。与电子类芯片不同的是，微机械惯性传感器芯片对环境材料变化敏感，无法采用芯片灌封的过载保护方法。同时，微机械惯性传感器芯片内部有活动结构，在过载中极易损伤，导致失效。因此，亟需一种针对微机械惯性传感器芯片的过载缓冲措施。
[0003]现有微机械惯性传感器的过载缓冲方案，通常在芯片封装成器件后，在电路板级采用灌封技术，但缓冲效果有限。以及在模块级采用缓冲结构设计，如粘弹性材料吸能、金属变形吸能等，但模块级缓冲设计尺寸较大，占用产品体积，在一些体积敏感的应用场景中无法使用。

技术实现思路

[0004]本技术的目的是：提出一种集成化的过载缓冲结构，体积小，实现适用于微机械惯性传感器过载缓冲的芯片级解决方案。
[0005]技术方案
[0006]一种用于过载缓冲的微机械芯片，包括：负载粘接区、弹性梁、键合区、衬底区、绝缘层、衬底电极区、电极区；
[0007]衬底区上面设置有衬底电极区，衬底电极区内设置有电极，衬底区上表面除衬底电极区之外的位置都覆盖有绝缘层，绝缘层上安装有多个键合区，每个键合区的上表面内边通过弹性梁与负载粘接区的一条边相连，预定的键合区上表面覆盖有电极区；负载粘接区的安装面安装待测试的传感器芯片底面，衬底区底面安装到传感器芯片安装区域。
[0008]可选的，弹性梁在静止状态下无变形，负载粘接区与衬底区存在空气间隙，电极区设置接地电压，衬底电极区设置偏压电压。
[0009]可选的，弹性梁在过载过程中，在负载粘接区受到加速度对负载的作用力下发生形变，负载粘接区与衬底区之间的距离发生改变，导致负载粘接区与衬底区之间的静电力发生变化；当负载粘接区与衬底区之间的距离足够小，负载粘接区与衬底区之间的静电力足够大，负载粘接区与绝缘层产生吸合；过载能量转变为弹性梁的弹性势能，负载得到有效缓冲。
[0010]可选的，负载粘接区、弹性梁和键合区通过半导体加工工艺制作完成；键合区与衬底区通过键合工艺安装连接。
[0011]可选的，绝缘层与衬底区绝缘，且结合紧密。
[0012]可选的，衬底电极区、电极区都是加工在相应的位置。
[0013]有益效果：
[0014]采用过载缓冲芯片，安装在微机械惯性传感器芯片底部，将过载产生的机械能转化为芯片内部弹性势能，从而缓冲微机械惯性传感器芯片所承受过载作用力。该技术的优点是，过载缓冲芯片体积小巧，安装简单，不占用产品体积。同时基于微机电标准工艺制造，易于制造，成本低。
附图说明
[0015]图1是按照本技术的实施例的微机械惯性传感器芯片及过载缓冲芯片的安装示意图。
[0016]图2是按照本技术的实施例的过载缓冲芯片结构示意图，各部件用数字表示。1、负载粘接区，2、弹性梁，3、键合区，4、衬底区，5、绝缘区，6、衬底电极区，7、电极区。
[0017]图3是按照本技术的实施例的负载粘接区与衬底区吸合模型。
具体实施方式
[0018]图1是应用本技术的实施例的微机械惯性传感器芯片及过载缓冲芯片的安装示意图。对照图1，负载粘接区1上表面与微机械惯性传感器芯片的下表面通过粘接剂连接。芯片尺寸为7.8mm*7.8mm*0.9mm，体积约54mm3，芯片由硅材料组成，密度约2300kg/m3，重量0.000125939kg。按10000g过载环境计算，胶粘剂的粘接强度为16mPa，粘接面积约2.3mm2。粘接电极区7通过引线键合工艺接到地信号，衬底电极区6通过引线键合工艺接到固定电压信号。
[0019]图2是按照本技术的实施例的过载缓冲芯片结构示意图，描述具有该结构特点的工作原理。
[0020]该用于过载缓冲的微机械芯片包括：负载粘接区1、弹性梁2、键合区3、衬底区4、绝缘层5、衬底电极区6、电极区7。
[0021]无过载条件下，负载粘接区1和弹性梁2相对衬底区4静止。衬底区4和负载粘接区1之间的间隙为d。根据静电力公式：
[0022][0023]其中ε
r
为相对介电常数，ε0为绝对介电常数，y为负载粘接区1向衬底区4偏移距离。优于偏移距离，弹簧梁2发生变形，产生回复力，回复力公式
[0024]F
s
＝
‑
ky
[0025]其中k为与弹性梁2的刚度。静止状态下，y≈0，无弹性储能，弹性梁2无变形，与衬底区4存在空气间隙，电极区7设置接地电压，衬底电极区6设置偏压电压。
[0026]有过载条件下，负载粘接区1在过载10000g作用下，负载微机械惯性传感器芯片产生的过载作用力约12N，在负载粘接区受到加速度对负载的作用力下发生形变，负载粘接区1与衬底区4之间的距离发生改变，导致负载粘接区1与衬底区4之间的静电力发生变化；当负载粘接区1与衬底区4之间的距离足够小，负载粘接区1与衬底区4之间的静电力足够大，负载粘接区1与绝缘层5产生吸合；过载能量转变为弹性梁2的弹性势能，负载得到有效缓冲。设计回复力Fs为12N，由回复力公式可得回复力与过载作用力平衡时，负载粘接区1向衬
底区4偏移距离，此距离为该实施例的储能最大位移，其有经典吸合模型决定。
[0027]由于在经典吸合模型中存在临界距离，如图3所示。本实施例中设定衬底电极区电压为11V时，负载粘接区1在与衬底区4的间距d在小于2um的范围内，负载粘接区1与衬底区4会由于静电力作用稳定吸合，达到储能状态，则该电压下临界距离为2um。
[0028]本实施例中设计最大储能位移300um，根据回复力公式，则弹簧梁2刚度为40000N/m，负载粘接区1与衬底区4距离为最大储能位移加上临界距离，为302um。
[0029]实施例参数列表1所示。
[0030]表1
[0031][0032]本实施例提供的芯片体积小巧，缓冲效果明显，无需增加额外的产品尺寸，即可增强惯性传感器的抗过载性能。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于过载缓冲的微机械芯片，其特征在于，包括：负载粘接区(1)、弹性梁(2)、键合区(3)、衬底区(4)、绝缘层(5)、衬底电极区(6)、电极区(7)；衬底区(4)上面设置有衬底电极区(6)，衬底电极区(6)内设置有电极，衬底区(4)上表面除衬底电极区(6)之外的位置都覆盖有绝缘层(5)，绝缘层(5)上安装有多个键合区(3)，每个键合区(3)的上表面内边通过弹性梁(2)与负载粘接区(1)的一条边相连，预定的键合区(3)上表面覆盖有电极区(7)；负载粘接区(1)的安装面安装待测试的传感器芯片底面，衬底区(4)底面安装到传感器芯片安装区域。2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，弹性梁(2)在静止状态下无变形，负载粘接区(1)与衬底区(4)存在空气间隙，电极区(7)设置接地电压，衬底电极区(6)设置偏压电压。3.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：易华祥，闫鑫，杜宜璋，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：新型
国别省市：