一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片

摘要

一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，涉及石英振梁加速度计敏感芯片加工领域；每个敏感芯片包括敏感单元层、上防护单元层和下防护单元层；上防护单元层设置在敏感单元层的上表面，下防护单元层设置在敏感单元层的上表面；敏感单元层上表面安装有第一密封环，下表面固定安装有第二密封环；上防护单元层下表面固定安装有第三密封环；下防护单元层的上表面固定安装有第四密封环；上防护单元层的一侧对称设置有两个方孔；下防护单元层的上表面在对应位置对称设置有两个凸台；本发明有效解决了气密封装与内部电极引出难以兼容的矛盾；同时具有优良的可移植性，可推广至其他以石英、硅、玻璃等材料作为基材的MEMS器件制备工艺中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石英振梁加速度计敏感芯片气密封装领域，特别是一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片。

背景技术

石英振梁加速度计是一种利用谐振式测量原理，将被测加速度转换成石英振梁固有频率变化的传感器，因其具有大量程、高精度、小体积、低功耗、准数字输出等优势在低成本组合导航系统、天线平台稳定系统、石油钻井、地震测量等领域有着广泛的应用。

从敏感芯片结构上分类，石英振梁加速度计包括一体式和分体式两种，其中分体式主要采用石英振梁与金属摆片结构粘接而成，其典型产品为美国Honeywell公司的RBA500，由于石英材料与金属摆片热膨胀系数存在差异，限制了其在全温范围内工作的稳定性和重复性，目前分体式石英振梁加速度计发展方向是采用石英摆片代替金属摆片构成全石英结构；一体式结构的主要特点为振梁和摆片通过MEMS加工工艺在同一石英敏感芯片上制备而成，具有小体积、低成本、重复性好等优势，是石英振梁加速度计的重要发展方向，其典型产品为法国Thales公司的A100和Sagem公司的AD301；专利201420020970.3在传统经典一体式石英振梁加速度计敏感芯片结构的基础上，进一步增加了上下防护限位单元，旨在实现高灵敏度和恶劣力学环境适应性的统一，该方案是目前国内一体式石英振梁加速度计的主流结构。

目前一体式石英振梁加速度计敏感芯片的气密封装工艺以芯片为单位，包括多层微结构装配、贴片、引线、密封等工序，与以敏感芯片为单位的MEMS前道加工工艺如光刻、刻蚀等相比，封装工艺的生产和筛选效率提升空间有限；敏感芯片微结构装配主要为敏感单元和上下防护单元的装配，目前通常采用环氧胶粘接的方式，限制了敏感芯片的重复性和长期可靠性，同时由于环氧胶固化前具有流动性，可能导致各层间发生侧滑，由此导致层间对准精度较差；敏感芯片的密封可以减少环境的干扰，保证芯片工作在稳定的谐振状态，部分厂商如法国Thales、Sagem等采用真空密封进一步提高敏感芯片的Q值以实现优异的零偏稳定性和分辨率指标，封装方法主要基于金属管壳真空焊接工艺，该方法技术成熟度高，但基于切削或冲压获得的金属管壳尺寸较大，明显弱化了一体式石英振梁加速度计敏感芯片的小型化、集成化优势。

针对传统的“芯片级”封装工艺的不足，法国宇航局ONERA提出基于石英-硅熔融键合技术的“敏感芯片级”封装工艺，即以敏感芯片为单位实现敏感芯片封装，将MEMS批量化生产的优势拓展至封装阶段，同时可以实现石英敏感芯片与硅微芯片的混合集成，但是该方案存在三个主要问题：第一，石英-硅熔融键合技术对于敏感芯片表面粗糙度和洁净度的要求极高，经过前续工艺以后的敏感芯片较难满足；第二，石英和硅材料热膨胀系数差异大，限制了敏感芯片的全温稳定性；第三，内部电极引出和真空密封的矛盾不易解决，即内部电极穿过石英-硅键合密封环将对低漏率真空密封产生挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，有效解决了气密封装与内部电极引出难以兼容的矛盾；通过晶片级键合工艺实现了批量化加工；同时具有优良的可移植性，可推广至其他以石英、硅、玻璃等材料作为基材的MEMS器件制备工艺中。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，所述敏感芯片包括样片、对准标记和n个敏感芯片；其中，样片为圆形薄板结构；n个敏感芯片相邻固定安装在样片的中部；样片的四角处分别设置有对准标记；其中，n为不小于10的正整数；

其中，每个敏感芯片包括敏感单元层、上防护单元层、下防护单元层、第一密封环、第二密封环、第三密封环、第四密封环、方孔和凸台；其中，敏感单元层为方形薄板结构，且敏感单元层水平位于中间位置；上防护单元层和下防护单元层均与敏感单元层外形相同，且上防护单元层设置在敏感单元层的上表面，下防护单元层设置在敏感单元层的上表面；敏感单元层上表面的四周固定安装有第一密封环；敏感单元层下表面的四周固定安装有第二密封环；上防护单元层下表面的四周固定安装有第三密封环；下防护单元层的上表面固定安装有第四密封环；第一密封环与第三密封环接触；第二密封环与第四密封环接触；上防护单元层的一侧对称设置有两个方孔；下防护单元层的上表面在对应位置对称设置有两个凸台。

在上述的一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，所述敏感单元层中部设置有挠性梁、核心弹簧质量块和方形边框；其中，方形边框水平放置；核心弹簧质量块固定在方形边框中部；挠性梁为矩形条状结构；挠性梁位于敏感核心弹簧质量块与方形边框之间。

在上述的一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，所述第一密封环、第二密封环、第三密封环和第四密封环为铬金材料，厚度大于100nm，宽度大于5μm，表面粗糙度R_q小于10nm。

在上述的一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，所述方孔为通孔；所述上防护单元层的下表面和下防护单元层的上表面均设置有矩形槽，矩形槽深不小于5μm。

在上述的一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，所述方孔的下表面固定安装有电极密封环；所述敏感单元层上表面对应方孔的位置固定安装有电极；敏感单元层下表面对应电极的位置固定安装有第一支撑金属层；下防护单元层的上表面对应第一支撑金属层的位置固定安装有第二支撑金属层。

在上述的一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，所述电极的上表面固定安装有引线，所述引线沿方孔伸出上防护单元层的上表面。

在上述的一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，所述方孔的下表面固定安装导通电极实现密封；方孔中填充金属材料；方孔的上表面固定安装焊盘实现密封；焊盘的上表面固定安装有引线。

在上述的一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，第一支撑金属层的厚度与第四密封环厚度一致；第二支撑金属层的厚度与第二密封环的厚度一致；电极密封环厚度与第三密封环的厚度一致；导通电极和导通电极厚度与第一密封环厚度一致。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用了金金敏感芯片键合技术对敏感芯片表面的粗糙度和洁净度要求较低，涉及工艺参数数量少，工艺鲁棒性强，易于实现批量化生产；

(2)本发明实现了石英敏感芯片之间的键合，且经等离子体活化，满足了低应力封装的需要，大幅提升了敏感芯片的全温环境适应性；

(3)本发明直接利用铬金腐蚀掩蔽膜作为中间介质完成封装工艺，无需额外镀制金属，因此本发明与现有石英MEMS工艺兼容性好；

(4)本发明在实现气密封装的同时保证内部电极的引出，有效规避了其他键合工艺中内部电导出与低漏率气密封装难以兼容的矛盾；

(5)本发明具有良好的可移植性，不仅可用于一体式石英振梁加速度计敏感芯片封装，同样也是其他石英基敏感芯片的理想选择，包括石英谐振压力计及石英梳齿电容加速度计、石英音叉陀螺等，另外本发明可进一步拓展应用于硅、玻璃等材料作为基材的MEMS器件制备工艺中。

附图说明

图1为本发明石英振梁加速度计敏感芯片气密封装结构示意图；

图2为本发明石英振梁加速度计敏感芯片电极引出方法1剖视图；

图3为本发明石英振梁加速度计敏感芯片电极引出方法2剖视图；

图4为本发明石英振梁加速度计敏感芯片样片示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图4所示为石英振梁加速度计敏感芯片样片示意图，由图可知，一种基于金金键合的石英振梁加速度计敏感芯片，其特征在于：所述敏感芯片包括样片20、对准标记21和n个敏感芯片；其中，样片20为圆形薄板结构；n个敏感芯片相邻固定安装在样片20的中部；样片20的四角处分别设置有对准标记21；其中，n为不小于10的正整数；

如图1所示为石英振梁加速度计敏感芯片气密封装结构示意图，由图可知，每个敏感芯片包括敏感单元层1、上防护单元层2、下防护单元层3、第一密封环4、第二密封环5、第三密封环6、第四密封环7、方孔8和凸台9；其中，敏感单元层1为方形薄板结构，且敏感单元层1水平位于中间位置；上防护单元层2和下防护单元层3均与敏感单元层1外形相同，且上防护单元层2设置在敏感单元层1的上表面，下防护单元层3设置在敏感单元层1的上表面；

与传统的一体式石英振梁加速度计相比，每层结构表面外围区域均布置了金属密封环结构，用于后续实现气密封装，具体为：敏感单元层1上表面的四周固定安装有第一密封环4；敏感单元层1下表面的四周固定安装有第二密封环5；上防护单元层2下表面的四周固定安装有第三密封环6；下防护单元层3的上表面固定安装有第四密封环7；第一密封环4与第三密封环6接触；第二密封环5与第四密封环7接触；第一密封环4、第二密封环5、第三密封环6和第四密封环7为铬金材料，厚度大于100nm，宽度大于5μm，表面粗糙度R_q小于10nm。上防护单元层2的一侧对称设置有两个方孔8；下防护单元层3的上表面在对应位置对称设置有两个凸台9。

由此，通过密封环4～7即可将核心弹簧质量块11密封在由上下防护单元层2、3构成的腔体内；上防护单元层2上表面与下防护单元层3下表面不用于密封，因此未布置金属密封环结构；位于上防护单元的方孔8为通孔，主要用于为敏感单元层1电信号引出提供通道，结构细节在附图2中详解；位于下防护单元的凸台9主要用于在键合或引线焊接过程中为敏感单元层1提供辅助支撑，以免敏感单元层1结构受到损伤；

其中，敏感单元层1中部设置有挠性梁10、核心弹簧质量块11和方形边框；其中，方形边框水平放置；核心弹簧质量块11固定在方形边框中部；挠性梁10为矩形条状结构；挠性梁10位于敏感核心弹簧质量块11与方形边框之间。位于敏感单元层1的挠性梁10用于实现核心弹簧质量块11与敏感单元层1外围密封环区域的挠性连接，通过挠性设计，挠性梁10同时起到隔离封装应力的作用。

敏感芯片1～3层结构加工工艺与传统一体式石英振梁加速度计敏感芯片基本一致，即采用一次双面铬金掩蔽膜光刻图形化技术与石英各向异性湿法腐蚀工艺相结合获得芯片1～3层本体结构，再通过二次铬金掩蔽膜光刻图形化技术进一步获得表面压电电极，密封环4～7利用现有的铬金掩蔽膜作为基材，在二次光刻图形化工艺过程中与表面压电电极同时获得，密封环厚度与压电电极厚度一致，综上所述，本发明在传统一体式石英振梁加速度计敏感芯片基础上增加了用于实现气密封装的金属密封环4～7以及方孔8、凸台9和梁10结构，同时并未增加敏感芯片的加工工艺步骤和复杂度。

如图2所示为石英振梁加速度计敏感芯片电极引出方法1剖视图，由图可知，方孔8的下表面固定安装有电极密封环13；所述敏感单元层1上表面对应方孔8的位置固定安装有电极14；敏感单元层1下表面对应电极14的位置固定安装有第一支撑金属层16；下防护单元层3的上表面对应第一支撑金属层16的位置固定安装有第二支撑金属层15；电极14的上表面固定安装有引线17，所述引线17沿方孔8伸出上防护单元层2的上表面。

敏感单元层1本质为一个敏感外界加速度的石英晶体谐振器，必须通过方波或正弦波驱动使其工作在谐振状态，因此必须解决敏感单元层电极14引出问题。如上所述，通过位于敏感芯片1～3层的金属第一密封环4～7将敏感单元层1中的核心弹簧质量块11密封在上下防护单元层2、3构成的腔体内，如直接在上防护单元层2结构上制备方孔8，气密腔体将被破坏，因此，本发明所述电极引出方法1引入电极密封环13，该密封环位于上防护单元层2下表面方孔8周围，与敏感单元层1电极14键合，由此实现方孔8与密封腔体隔离，引线17经方孔8引出，所述电极密封环13基材和厚度与第三密封环6一致，宽度通常大于5μm，电极密封环13与第三密封环6同时加工，并与第三密封环6同时与敏感单元层1实现键合。如前所述，下防护单元层3中的凸台9主要用于键合工艺以及引线焊接过程中为敏感单元层1提供辅助支撑，凸台9表面以及敏感单元层1下表面对应区域表面分别包含第二支撑金属层15和第一支撑金属层16，所述支撑金属层15和16基材和厚度与其相应表面的密封环一致，宽度通常大于敏感单元层1电极14以提供有效支撑，支撑金属层15和16与其相应表面的密封环同时加工，并与其相应表面密封环同时实现键合。

如图3所示为石英振梁加速度计敏感芯片电极引出方法2剖视图，由图可知，方孔8的下表面固定安装导通电极18实现密封；方孔8中填充金属材料；方孔8的上表面固定安装焊盘19实现密封；焊盘19的上表面固定安装有引线17。

与方法1不同，方法2的具体方法为：方孔8通过电镀封孔工艺填充金属，上防护单元层2下表面方孔8底部及其周围布置导通电极18，导通电极18与方孔8内填充金属相连，所述导通电极18基材和厚度与第三密封环6一致，宽度通常大于5μm，导通电极18与第三密封环6同时加工，并与第三密封环6同时与敏感单元层1实现键合。上防护单元层2上表面方孔8顶部及其周围布置焊盘19，焊盘19与方孔8内填充金属相连，引线17通过焊盘19实现与敏感单元层1电极14连通，焊盘19基材和厚度同样与第三密封环6一致，延伸至上防护单元层2第三密封环6上方区域，确保引线焊接点底部具备有效结构支撑，焊盘19与第三密封环6同时加工获得。

上述方法1和方法2各有优势，方法1对敏感芯片3层结构的加工无额外要求，除键合工艺外基本继承了传统一体式石英振梁加速度计敏感芯片的制备工艺，但是需实现方孔8与密封腔体的有效隔离，不仅对密封环4～7的气密性提出要求，还需同时保证电极密封环13的气密性，由此对金金键合工艺质量和可靠性提出了很高要求；方法2需在上防护单元层2中实现方孔8电镀封孔工艺，增加了工艺步骤，但是仅需确保密封环4～7的气密性，对敏感单元层1电极14和导通电极18键合质量无特殊要求，能够保证电气连接即可。

第一支撑金属层15的厚度与第四密封环7厚度一致；第二支撑金属层16的厚度与第二密封环5的厚度一致；电极密封环13厚度与第三密封环6的厚度一致；导通电极14和导通电极18厚度与第一密封环4厚度一致。

本发明在经典一体式石英振梁加速度计敏感芯片上下防护单元和敏感单元层基础上增加了金属密封环、电信号引出方孔结构，基于上述改进结构利用金金晶片键合技术实现敏感芯片的气密封装；提出基于电极密封环结构和通孔填充工艺的两种电极引出方法，旨在解决气密封装与内部电极引出的矛盾；上述封装工艺可获得三层键合片，通过晶片级探针筛选和晶片划片工艺最终可以获得单个敏感芯片。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。