一种SOI基微惯性传感器封装应力隔离方法与流程

本发明涉及一种soi基微惯性传感器封装应力隔离方法，属于微机电系统领域。

背景技术：

绝缘体上硅(soi)是指一种具有“硅/绝缘体/硅”三层结构的半导体材料。基于soi技术可实现高深宽比的机械结构且加工工艺简单，被广泛应用于制作各种mems器件。

惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动的传感器，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。微惯性传感器主要包括微机械陀螺和微加速度计等，已被广泛用于军事武器、汽车工业和消费电子等领域。微惯性传感器芯片加工完成后，需要真空密封于陶瓷或金属管壳内，以保证其正常工作。传感器芯片封装时通常用银浆或焊料粘结于管壳衬底上，这个过程通常伴随着较大的温度变化。当温度变化时，由于芯片硅材料与管壳材料热膨胀系数不匹配，芯片会产生较大的封装应力，进而引起芯片结构谐振频率漂移，降低传感器稳定性，甚至导致传感器失效。

为了解决上述问题，美国加州大学欧文分校brentonr.simon等人在其论文："intrinsicstressofeutecticau/sndieattachmentandeffectonmode-matchedmemsgyroscopes"中提出了一种通过减小焊料面积来降低微惯性传感器封装应力的方案。由于封装应力正比于芯片与管壳间粘接面积，因此减小焊料面积可以减小芯片与管壳间的粘接面积，进而降低传递到传感器芯片上的封装应力。该方案在芯片粘接时，焊料流动容易导致粘接区域形状不规则，导致芯片封装应力分布不均匀，降低了传感器的性能。

技术实现要素：

为克服现有通过减小焊料面积来降低封装应力导致芯片封装应力分布不均匀的不足，本发明提出一种soi基微惯性传感器封装应力隔离方法。该方法通过一个特定的应力隔离结构在降低传递到传感器敏感结构上的封装应力的同时也保证了封装应力分布的均匀性。

本发明提出的一种soi基微惯性传感器封装应力隔离方法，参阅图1，所述的传感器包括三层结构：敏感结构层1、电隔离层2和基底层3。其特征在于，该封装应力隔离方法通过一种位于基底层3上的应力隔离结构实现，参阅图2，所述应力隔离结构为：所述基底3为一镂空结构，其包括外围的用于固定敏感结构层1的框架4、处于芯片中心的圆柱6，以及连接框架4和圆柱6的弹性梁5；整个soi基微惯性传感器仅通过所述圆柱6的底面9涂胶与管壳粘接。

进一步的，参阅图3，为防止芯片粘接时流动的焊料将弹性梁5与管壳粘接，弹性梁5的底面8低于圆柱6的底面9和框架4的底面7。

本发明的有益效果是：圆柱6的底面9比芯片敏感结构层1面积小，因此减小了传感器的粘接面积，降低了封装应力；圆柱6位于芯片中心且弹性梁5的底面8低于圆柱6的底面9，防止芯片粘接时流动的焊料将弹性梁5与管壳粘接，保证封装应力均匀分布；弹性梁5使由圆柱6传递至陀螺结构层1的应力进一步降低，起到应力隔离作用；弹性梁5对称分布，保证封装应力传递的均匀性。同时整个应力隔离结构位于soi硅片基底层，因此该应力隔离结构对芯片敏感结构不产生影响，降低芯片敏感结构设计难度。

附图说明

图1是实施例中基于soi的微惯性传感器爆炸示意图；

图2是实施例中基于soi的微惯性传感器应力隔离结构正面示意图；

图3是实施例中基于soi的微惯性传感器应力隔离结构底面示意图。

图中，1-敏感结构层，2-电隔离层，3-基底层，4-框架，5-弹性梁，6-圆柱，7-框架4的底面，8-弹性梁5的底面，9-圆柱6的底面。

具体实施方式

本发明提出的微惯性传感器封装应力隔离方案是基于soi技术的。参阅图1，该传感器包括三层结构：敏感结构层1，厚度为60μm、电隔离层2,厚度为4μm和基底层3,厚度为400μm。该方案中起应力隔离作用的结构位于基底层3上，参阅图2，其结构包括：厚度为400μm的用于固定陀螺结构层1的框架4、厚度为400μm，直径为2000μm，与管壳粘接的圆柱6，以及厚度为350μm，宽度为200μm，用于连接框架4和圆柱6的八根“l”形弹性梁5。参阅图3，弹性梁5的底面8比圆柱6的底面9和框架4的底面7低50μm。传感器芯片封装时，将圆柱6的底面9涂胶与管壳粘接。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种SOI基微惯性传感器封装应力隔离方法，属于微机电系统领域。该方法通过一种位于基底层3上的应力隔离结构实现，所述应力隔离结构形式为：基底3为一镂空结构，其包括外围的用于固定敏感结构层1的框架4、处于芯片中心的圆柱6，以及连接框架4和圆柱6的弹性梁5；整个SOI基微惯性传感器仅通过所述圆柱6的底面9涂胶与管壳粘接。有益效果：圆柱6的底面9比芯片敏感结构层1面积小，因此减小了传感器的粘接面积，降低了封装应力；弹性梁5使由圆柱6传递至陀螺结构层1的应力进一步降低，起到应力隔离作用，同时该应力隔离结构对芯片敏感结构不产生影响，降低芯片敏感结构设计难度。

技术研发人员：常洪龙;郝永存;谢建兵;苑伟政
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2016.10.21
技术公布日：2017.08.18