阅读说明：本技术 一种抗干扰耐过载mems加速度计 (Anti-interference overload-resistant MEMS accelerometer ) 是由 王鹏 陈慧斌 何凯旋 黄斌 王帆 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种抗干扰耐过载MEMS加速度计,包括依次键合的衬底层、感应电极层、可动敏感结构层与盖帽,感应电极层包含感应电极中心锚点与两侧的感应电极,可动敏感结构层包含第一可动敏感结构中心锚点、第一实心可动敏感结构与第一空心可动敏感结构；感应电极底部设有硅支撑柱,硅支撑柱顶端与感应电极相连、底端与衬底层相连；第一可动敏感结构中心锚点、第一实心可动敏感结构与第一空心可动敏感结构上方分别对称键合有第二可动敏感结构中心锚点、第二实心可动敏感结构与第二空心可动敏感结构,第一空心可动敏感结构与第二空心可动敏感结构之间形成闭合的空腔；本加速度计能够降低外界环境对器件性能影响,提高器件的可靠性。(The invention discloses an anti-interference overload-resistant MEMS accelerometer, which comprises a substrate layer, an induction electrode layer, a movable sensitive structure layer and a cap, wherein the substrate layer, the induction electrode layer, the movable sensitive structure layer and the cap are sequentially bonded; the bottom of the induction electrode is provided with a silicon supporting column, the top end of the silicon supporting column is connected with the induction electrode, and the bottom end of the silicon supporting column is connected with the substrate layer; a second movable sensitive structure central anchor point, a second solid movable sensitive structure and a second hollow movable sensitive structure are symmetrically bonded above the first movable sensitive structure central anchor point, the first solid movable sensitive structure and the first hollow movable sensitive structure respectively, and a closed cavity is formed between the first hollow movable sensitive structure and the second hollow movable sensitive structure; the accelerometer can reduce the influence of the external environment on the performance of the device and improve the reliability of the device.)

一种抗干扰耐过载MEMS加速度计

技术领域

本发明涉及微机械电子技术领域，具体是一种抗干扰耐过载MEMS加速度计。

背景技术

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微机电系统的缩写，MEMS 制造技术利用微纳米加工技术，尤其是采用半导体晶圆制造的相关技术，制造出各种微纳米级机械结构，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、功耗低、智能化程度高、易较准、易集成的优点，被广泛应用于航空航天、医疗、工业生产以及各类消费级产品中。

目前，国外高性能MEMS加速度计产品已经较为成熟，在诸多方面得到了广泛应用，国内对于高性能MEMS加速度计进行了深入研发，已经有部分公司或实验室制备出了精度较高的单轴或多轴加速度计产品，但在抗干扰、耐过载能力方面均有所欠缺，使其在高冲击环境下的应用受到一定限制。

电容式MEMS加速度计的微结构通常包含敏感结构以及感应电极结构。通过敏感输入加速度引起的惯性力，MEMS加速度计将加速度信号转换成电学信号。作为一种力敏感器件，外界温度变化产生的应力、封装工艺产生的应力、材料不匹配产生的应力以及微机械结构本身在工艺加工过程中产生的内应力均会导致敏感结构和感应电极发生形变，从而使得左右两侧电容不对称，对于高性能加速度计来说，左右两侧电容的不对称对器件性能影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗干扰耐过载MEMS加速度计，该加速度计能够降低外界环境对器件性能影响，提高器件的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种抗干扰耐过载MEMS加速度计，包括依次键合的衬底层、感应电极层、可动敏感结构层与盖帽，感应电极层包含感应电极中心锚点与两侧的感应电极，可动敏感结构层包含可动敏感结构中心锚点、第一实心可动敏感结构与第一空心可动敏感结构；所述感应电极底部设有硅支撑柱，硅支撑柱顶端与感应电极相连、底端与衬底层相连，感应电极中心锚点底部也与衬底层相连。

进一步的，所述第一可动敏感结构中心锚点、第一实心可动敏感结构与第一空心可动敏感结构上方分别对称键合有第二可动敏感结构中心锚点、第二实心可动敏感结构与第二空心可动敏感结构，第一空心可动敏感结构与第二空心可动敏感结构之间形成闭合的空腔。

进一步的，所述盖帽的一侧设有垂直引线，垂直引线外周设有竖直的隔离环，垂直引线底端与衬底层相连、顶端设有引线键合PAD。

本发明的有益效果是，

一、舍弃传统的感应电极与衬底紧密接触的结构形式，采用硅支撑柱对感应电极进行支撑，形成准悬浮式的感应电极结构，该感应电极结构几乎完全切断了外界干扰通过衬底到达感应电极结构的传递路径，使得外界干扰对感应电极结构的影响大幅下降，从而保证了传感器存在外界干扰的情况下左右两边电容的对称性，提高了传感器抗干扰能力。

二、现有的加速度计可动敏感结构一般一侧为实心结构，一侧为敞开式空心结构，形成差动结构，但仅为单层敞开式空心结构，其刚度较低，耐过载能力较弱，且形成一侧空心一侧实心的差动结构需要多次工艺才可实现，工艺较为复杂；本发明采用两层实心可动敏感结构与空心可动敏感结构，第一空心可动敏感结构与第二空心可动敏感结构之间形成闭合的空腔，由于可动敏感结构为双层加强结构，其刚度得到了较大幅度提升，增强了传感器耐过载能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明衬底层的俯视图；

图3是本发明衬底层与感应电极层相键合的放大示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明感应电极层与可动敏感结构层相键合的放大示意图；

图6是本发明盖帽的放大示意图。

具体实施方式

结合图1与图2所示，本发明提供一种抗干扰耐过载MEMS加速度计，包括依次键合的衬底层、感应电极层、可动敏感结构层与盖帽，衬底层的衬底11设有绝缘介质层12、金属铜PAD点13、金属铜中心锚点15，位于金属铜中心锚点15两侧的左金属铜锚点17与右金属铜锚点16，金属铜中心锚点15、左金属铜锚点17与右金属铜锚点16分别通过金属铜引线14与金属铜PAD点13相连。

结合图3与图4所示，感应电极层包含感应电极中心锚点22、左感应电极21、右感应电极23，左感应电极21与右感应电极23底部分别设有硅支撑柱24，硅支撑柱24顶端与感应电极相连、底端通过金属键合层25与衬底层的左金属铜锚点17及右金属铜锚点16相键合；感应电极中心锚点22底部也通过金属键合层与衬底层的金属铜中心锚点15相键合。

结合图5所示，可动敏感结构层包含第一可动敏感结构中心锚点37、第一实心可动敏感结构35与第一空心可动敏感结构39；第一可动敏感结构中心锚点37、第一实心可动敏感结构35与第一空心可动敏感结构39上方分别对称键合有第二可动敏感结构中心锚点32、第二实心可动敏感结构31与第二空心可动敏感结构34；第一空心可动敏感结构39与第二空心可动敏感结构34之间形成闭合的第一空腔34a与第二空腔34b。第一实心可动敏感结构以及与第一空心可动敏感结构39分别与感应电极层的左感应电极21及右感应电极23之间形成间隙36。可动敏感结构层通过设于第一可动敏感结构中心锚点37底部的第三可动敏感结构中心锚点38与感应电极中心锚点22相键合。

结合图6所示，盖帽41的一侧设有垂直引线42，垂直引线42外周设有竖直的隔离环46，垂直引线42底端与衬底层的金属铜PAD点13相连、顶端设有引线键合PAD43；垂直引线42能够将衬底的信号经由金属铜PAD点13引出至盖帽的引线键合PAD43；盖帽41的顶部、底部以及真空腔45的内壁均设有绝缘层44，绝缘层44可防止电极间的漏电。

当环境温度变化、封装工艺、芯片加工的残余应力以及传感器安装引起的应力变化时，对于传统的MEMS加速度计，其感应电极紧密平铺于衬底之上，由于衬底形变而使得感应电极同样发生形变，从而导致加速度计左右电容不对称，造成加速度计输出漂移；而本发明的MEMS加速度计，由于硅支撑柱对感应电极进行支撑，形成准悬浮式的感应电极结构，当应力导致衬底11发生形变时，由于左感应电极21与右感应电极23通过硅支撑柱支撑悬浮于衬底11之上，因此，衬底11在形变时不会导致左感应电极21与右感应电极233发生形变，保证了加速度计左右电容的对称性，从而使环境变化导致的应力、芯片内部残余应力、封装、安装产生的应力仅反映到衬底11的变形上，而不会传递到左感应电极21与右感应电极23之上，降低了加速度计感应电极结构受一系列干扰因素的影响，提高了加速度计的抗干扰能力。

传统的平板式MEMS加速度计可动敏感结构一般是一侧为实心结构，一侧为敞开式空心结构，形成差动结构，但仅为单层敞开式空心结构，其刚度较低，耐过载能力较弱，且形成一侧空心一侧实心的差动结构需要多次工艺才可实现，工艺较为复杂；而本发明相同的两层已形成敞开式空心结构的晶圆通过硅硅键合牢固键合于一起，形成闭合式空心结构，且该闭合式空心结构内部形成了支撑硅柱33，支撑硅柱33可以进一步增强可动敏感结构刚度，该结构最后只需经过一次光刻和刻蚀便可形成最终可动敏感结构，工艺简单，且由于可动敏感结构为双层加强结构，其刚度得到了较大幅度提升，增强了传感器耐过载能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。