加速度計內(nèi)嵌壓力傳感器的單硅片復(fù)合傳感器

工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，專利已不僅僅是創(chuàng)新的一種保護(hù)手段，它已成為商業(yè)戰(zhàn)場中的利器。麥姆斯咨詢傾情打造MEMS、傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的專利運營平臺，整合全產(chǎn)業(yè)鏈知識產(chǎn)權(quán)資源，積極推動知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)與有效利用。隨著MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步，MEMS復(fù)合傳感器以其芯片結(jié)構(gòu)尺寸更小、制作成本更低、性能更出眾和后續(xù)安裝應(yīng)用成本更低等優(yōu)勢，在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，例如：汽車電子、航空航天、消費類電子產(chǎn)品、生物醫(yī)學(xué)等等。為此，業(yè)界正不斷投入大量的科研能力來開發(fā)不同類型的復(fù)合傳感器芯片，以滿足不斷增長的市場需求。據(jù)麥姆斯咨詢此前報道，InvenSense（應(yīng)美盛）在完成對Sensirion（盛思銳）壓力傳感器部門的收購后，開辟了一個全新的細(xì)分市場領(lǐng)域。2017年末，InvenSense宣布全球首款、同時也是唯一一款7軸運動傳感器——ICM-20789實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。這款7軸運動傳感器將InvenSense領(lǐng)先的6軸（3軸加速度計+3軸陀螺儀）MEMS運動傳感器和世界級氣壓傳感器（高度計）集成在一起，提供了與當(dāng)今最先進(jìn)的分立傳感器性能相當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

InvenSense新推出的7軸運動組合傳感器ICM-20789的逆向分析然而，傳統(tǒng)的復(fù)合傳感器芯片結(jié)構(gòu)多以單層或多層鍵合結(jié)構(gòu)為主，通常采用雙面微機(jī)械制作工藝、鍵合工藝、Cavity-SOI工藝、表面微機(jī)械制作工藝以及CMOS-MEMS技術(shù)等加工制造。例如，傳統(tǒng)的加速度和壓力復(fù)合傳感器采用硅-玻璃結(jié)構(gòu)方式，通過硅片背面兩步各向異性濕法刻蝕方法分別形成壓力薄膜和質(zhì)量塊，然后利用硅-硅鍵合或硅-玻璃鍵合來密封壓力傳感器的壓力參考腔體，形成加速度傳感器質(zhì)量塊的運動間隙以及形成傳感器芯片基座，最后再利用硅片正面干法刻蝕釋放加速度傳感器可動結(jié)構(gòu)。
這種雙面體硅工藝和鍵合技術(shù)制作的復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)尺寸很大，工藝很復(fù)雜，制作成本很高。此外，不同鍵合材料之間的熱膨脹系數(shù)不同以及鍵合過程中所引入的殘余應(yīng)力都會惡化傳感器的輸出穩(wěn)定性，尤其在溫度環(huán)境比較惡劣的條件下。此外，表面微機(jī)械制作的復(fù)合傳感器還可能發(fā)生臺階覆蓋失效（Step-coverage）和腐蝕犧牲層過程中產(chǎn)生的薄膜粘附失效，這些不確定因素都大大提高了工藝的復(fù)雜程度，降低了成品率。到目前為止，傳統(tǒng)的加速度和壓力復(fù)合傳感器芯片尺寸雖然已經(jīng)從尺寸很大的多片鍵合結(jié)構(gòu)發(fā)展到了芯片尺寸較小的單硅片單面復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)，但是這些復(fù)合傳感器中各個檢測單元均采用Side-by-Side的集成方式，這種集成方式會占用大量的芯片空間，限制了復(fù)合傳感器芯片尺寸的進(jìn)一步減小，進(jìn)一步降低成本。實現(xiàn)了單片復(fù)合傳感器的小型化、低成本、高性能與大批量生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車電子、消費類電子等領(lǐng)域。本發(fā)明的加速度和壓力復(fù)合傳感器僅是通過在一塊普通的單晶硅基片的同一面進(jìn)行體硅微機(jī)械工藝制作而成，避免了傳統(tǒng)雙面對準(zhǔn)/曝光和鍵合工藝，大大降低了芯片尺寸，減少了制作成本，且與IC工藝兼容可實現(xiàn)大批量制作。

加速度計內(nèi)嵌壓力傳感器的單硅片復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)示意圖其中，將壓力傳感器直接嵌入在加速度傳感器的質(zhì)量塊的中心位置，并將壓力傳感器四周挖空，使得壓力傳感器懸浮在質(zhì)量塊的中心位置，即最大程度地縮小了芯片尺寸，又有效地消除了加速度傳感器與壓力傳感器之間檢測信號的相互串?dāng)_，大大提高了復(fù)合傳感器的檢測精度，最大程度縮小了芯片尺寸。