[发明专利]一种MEMS加速度计及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)器件及其制造技术，尤其涉及一种MEMS高精度加速度计及其制造方法。 

背景技术

MEMS加速度计是MEMS惯性系统中不可缺少的环节，当前应用于多个领域。MEMS加速度计工作原理主要有电容式和压阻式两种，其中压阻式加速度计存在精度低、温度特性差等缺点，应用领域受限。电容式加速度计主要采用梳齿式和“三明治”式两种方案。梳齿式加速度计主要存在以下几个问题：敏感结构的敏感轴和非敏感轴的机械强度差别不大，加速度计的非敏感轴灵敏度难以抑制；敏感轴方向不能提供具有足够机械强度的保护结构，加速度计的抗冲击能力不足；梳齿结构电容输出值较小，对外界加速度的敏感度较低，因此梳齿式加速度计主要适用于消费领域等要求不高的环境。对于“三明治”式MEMS加速度计，一般采用玻璃-硅-玻璃三层结构，质量块体积大，敏感电容值大，精度相对较高。“三明治”式MEMS加速度计工艺过程需将上、下玻璃电极与硅电极引出，然而传统的玻璃-硅-玻璃三层结构的MEMS加速度计在制造过程中由于无法将上、下玻璃的金属电极和硅电极在同一硅面引出，不能进行硅片-玻璃片圆片级键合，而是按照结构要求将圆片切割成很多独立的小芯片，并对每个小芯片分别进行硅-玻璃键合，而且一直无法解决如何将这种硅片上、下两面都有电极的键合芯片封装在管壳内的难题，生产效率和器件成品率非常低，性能重复性差。此外，对于“三明治”式加速度计，若提高其精度，还必须将加速度计敏感结构放置在真空环境中，降低质量块和支撑梁的气体阻尼系数，从而提高对加速度的敏感性。国外高精度MEMS加速度计采用将加速度计圆片切割成独立的小芯片，并分别将其在真空环境中封装在管壳里的工艺方式，这种真空封装方法对封装设备的能力要求非常严格，封装成本很高，国内几乎无法实现批量生产。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种MEMS高精度加速度计，该结构质量块大，耐冲击，并且能够将两玻璃层金属电极与硅电极在同一面引出，从而解决了圆片切割后将小芯片封装在管壳内的难题。 

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种工艺简单的MEMS高精度加速度计制造方法，使得加速度计质量块和支撑梁在制作过程中就被封装在高真空的玻璃密闭空腔内，在器件性能得到提高的同时避免了圆片切割时对内部质量块和支撑梁等可动结构的损伤，并且切割下的芯片只需进行普通管壳封装，而不必采用真空技术进行管壳封装，采用这种工艺制作的加速度计不仅性能好，成品率高，而且生产成本明显降低，能够实现批量生产。 

本发明包括如下技术方案： 

一种MEMS加速度计，采用玻璃-硅-玻璃三层电容式结构，包括依次设置的第一玻璃层、硅层和第二玻璃层，硅层包括硅框架、质量块、和支撑梁；第一玻璃层包括第一玻璃基底、在第一玻璃基底的一个面上形成的第一槽、和在第一槽的表面上形成的第一玻璃层金属电极，第二玻璃层包括第二玻璃基底、在第二玻璃基底的一个面上形成的第二槽、和在第二槽的表面上形成的第二玻璃层金属电极；其特征在于，所述硅层还包括第一硅岛和第二硅岛，所述硅岛形成在硅框架的内部，并与硅框架通过间隙间隔开；其中第一硅岛与第一玻璃层的金属电极接触，第二硅岛与第二玻璃层的金属电极接触；第一玻璃层还包括在第一玻璃基底上形成的第一金属电极引出通孔、第二金属电极引出通孔和硅层电极引出通孔；所述第一金属电极引出通孔与第一硅岛的位置相对应，所述第二金属电极引出通孔与第二硅岛的位置相对应，在第一硅岛和第二硅岛上分别形成金属焊点；在硅框架与硅层电极引出通孔对应的位置上形成金属焊点。 

第一玻璃层包括在第一槽表面上形成的吸气剂。 

第二玻璃层包括在第二槽表面上形成的吸气剂。 

一种MEMS加速度计的制造方法，其特征在于，包括以下步骤： 

(1)形成第一玻璃层 

在玻璃上制作出第一槽、第一金属电极引出通孔、第二金属电极引出通孔和硅层电极引出通孔，并形成第一玻璃基底；然后在第一槽上形成第一玻璃层金属电极； 

(2)形成第二玻璃层 

在玻璃上形成第二槽，并形成第二玻璃基底、然后在第二槽上形成第二玻璃层金属电极； 

(3)在硅片上形成支撑梁； 

(4)将硅片与第一玻璃层和第二玻璃层的其中一玻璃层在常压下进行键合，形成键合片； 

(5)在键合片上形成硅质量块、第一硅岛和第二硅岛； 

(6)将键合片与另一玻璃层在真空条件下进行键合，形成三层键合片；