[发明专利]一种具有应力补偿功能的MEMS加速度计

说明书

本发明涉及一种具有应力补偿功能的MEMS加速度计，包括由上至下按序层叠设置的上方硅帽层、平面结构层及下方硅衬底层，所述平面结构层包括沿Z轴运动的质量块及至少分布在质量块一侧的检测电极，所述质量块与检测电极构成一对平行板电容；在所述质量块同一层结构上设置有不敏感输入加速度的结构，通过结构与两个检测电极分别构成两组应力检测电容，以实现对封装应力的测量；并通过两组应力检测电容构成一对差分电容，其输出的电容差分变化量为ΔC_σ，本发明能够大幅提高Z轴MEMS加速度计的温度特性，有效降低了封装应力对器件性能的影响。

技术领域

本发明涉及一种MEMS加速度计，尤其是一种具有应力补偿功能的MEMS加速度计，属于MEMS传感器技术领域。

背景技术

MEMS即微机电系统(Micro-electro Mechanical System)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。其中，MEMS压力传感器、加速度计、陀螺仪等都是典型的力敏感器件，它们多用作压力、加速度、角速度等物理、化学、生物信息量的高精度测量，具有体积小、功耗低、与集成电路工艺兼容与易于大批量生产等特点。

而MEMS加速计是利用微型检测质量块来实现测量加速度的微型传感器。根据其检测原理，可分为：压阻式、压电式、电容式、热流式等。目前高精度的商用MEMS加速度计大多为电容式MEMS加速度计。但是无论哪种检测原理的MEMS加速度计，其在封装过程中均会引入额外的应力。应力将会影响MEMS器件的性能指标。封装应力是由于MEMS芯片材料与封装材料之间热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，CTE)不匹配而产生的。芯片粘接工艺是芯片封装最主要的应力来源，MEMS芯片衬底材料、粘接材料和封装基板之间的材料热膨胀系数不同，特别是MEMS器件衬底硅与封装基板之间材料热膨胀系数失配，会产生较大的封装应力。封装应力会造成芯片的翘曲和变形，进而影响MEMS器件的性能。

因此，如何减小封装应力是进一步提高MEMS加速度计性能需要解决的一个重要技术瓶颈。针对这一问题，目前国内外相关研究人员提出了多种解决途径：

美国亚德诺半导体公司提出了一种“具有Z轴锚跟踪的MEMS加速度计”的方法，设计了跟踪锚结构，其将力施加耦合到质量的扭转弹簧，用于抵消应变对输出加速度的影响。

EP1571454B1公开了一种带芯片级应力隔离的三明治结构的Z轴硅微加速度计，其在中间层质量块的周围设置了应力释放梁，通过应力释放降低传递至三明治敏感结构的应力。

US7140250、CN201911125779.9公开了两种基于梳齿电容检测的跷跷板式Z轴加速度计，采用不等高的梳齿电容代替平板电容，一定程度上降低了敏感电容对应力和温度的敏感性，不足的是机械位移至电容变化的增益偏低。

安徽北方芯动联科微系统技术有限公司提出了一种具有降低封装应力结构的MEMS元件(201320205008.2)，其在背面层上装上至少一个装片柱，封装管壳底板上有粘片胶，粘片胶包围装片柱。通过MEMS芯片背面层上的装片柱和封装管壳底板上的粘片胶将MEMS芯片固定在封装管壳底板上，但是其均匀性及对称性不够好而且其保证芯片与粘片胶接触的总面积对抗机械冲击能力效果的保证也不够好。

因此，目前急需一种新的MEMS加速度计，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种具有应力补偿功能的MEMS加速度计，能够大幅提高Z轴MEMS加速度计的温度特性。