一种MEMS传感器封装结构的制作方法

本实用新型涉及微电子机械系统领域，尤其涉及一种mems传感器封装结构。

背景技术：

基于半导体集成电路技术以及微细加工技术，微机电系统(microelectromechanicalsystems，mems)得以迅速发展起来，mems传感器集微型化、集成化和可批量生产化等特点于一身，被广泛应用于众多领域，例如，应用于惯性导航和精确制导的微加速度计和微陀螺仪，应用于智能手机的微麦克风和微压力传感器以及应用于医疗成像的微光学传感器等。

mems芯片通常是多层结构，由具有可动结构的器件层、中间绝缘层和底部衬底层上下堆叠组成，通常为了保证可动结构具有充分的运动空间和合适的空气阻尼，在可动结构的下方会设置空腔，使芯片背部镂空。

由于mems传感器的精密性，mems传感器的封装是保护mems芯片不受外部影响(颗粒和水汽的污染或机械破坏等等)的重要手段之一，而且mems传感器的封装还提供了mems芯片与外部的互连通道(电互连或光互连等等)。常见的mems传感器封装结构由封帽和管壳结构组成，封帽与管壳键合在一起，封闭mems芯片于内，管壳结构通常由密封层、打线层和衬底层上下堆叠组成，密封层上表面通过键合工艺与封窗键合，芯片粘接在衬底层上，通过打线与封装管壳内部的布线相连，实现封装管壳内外的电气互联。

由流体力学理论可知，当mems芯片的可动结构向着基底运动时，其与基底之间的间隙减小，两个表面之间的气体压强增大，气膜经受挤压，可动结构下表面产生阻尼力，由此引起的能耗就会产生阻尼，这种阻尼被称为压膜阻尼。

在常规的mems传感器的传感器封装结构下，当mems芯片封装后，芯片受到自身厚度的限制，可动结构与基底之间的间隙较小，运动时气体压强较大，往往具有较大的压膜阻尼和较低的品质因子。为了提升封装后mems芯片的性能，通常的解决方法是采用真空封装，即整体降低气体压强，但这意味着更高的成本与更大的加工难度，另外，采用真空封装的mems芯片的稳定性也较差。一方面，气密性封装始终面临着漏气的问题，随着时间的推移，真空封装内部的真空度也将发生劣化，进而封装芯片所受到的空气阻尼也产生变化；另一方面，由外界环境或器件自身工作引起的封装内部温度的变化，会使得mems芯片(例如mems微振镜)的谐振频率发生漂移，在工作频率不变下，将导致系统振幅的变化。因此，真空封装的mems芯片的性能的稳定性将得不到保证。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种mems传感器封装结构，可以有效降低系统的空气阻尼，提高系统性能。

本实用新型公开了一种mems传感器封装结构，包括封帽、管壳结构以及mems芯片；其中，管壳结构设有容纳腔以及加深腔，封帽盖设于管壳结构上，用于封闭容纳腔；mems芯片设置于容纳腔内，且mems芯片的背腔正对加深腔。

可选地，管壳结构包括自下而上的衬底层、打线层以及密封层。

可选地，加深腔设置于衬底层上，且加深腔的深度为0.1mm～10mm。

可选地，管壳结构还包括设于衬底层与打线层之间的粘片层，加深腔设置于粘片层上。

可选地，加深腔贯穿粘片层。

可选地，mems芯片与衬底层之间还设有垫片结构，加深腔设置于垫片结构上。

可选地，加深腔贯穿垫片结构。

可选地，加深腔由多个阻尼释放孔组成。

可选地，加深腔内设有一个可动平板，可动平板用于调节加深腔的深度。

可选地，可动平板采用马达驱动、静电驱动、电磁驱动、压电驱动、电热驱动中的一种方式驱动。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有如下有益效果：

(1)本实用新型的mems传感器封装结构加深了封装结构内mems芯片背部的深度，提高mems芯片的背部空间，可以有效降低芯片系统的空气阻尼，提高系统的性能；

(2)本实用新型的mems传感器封装结构工艺简单、成本较低、可靠性高、重复性好，可进行大批量制作；

(3)本实用新型的mems传感器封装结构通过可动平板调节加深腔的深度，使得系统的空气阻尼可调节，当封装体面临温度变化导致的系统振幅变化时，可通过调节可动平板改变空气阻尼以抵消变化，使系统的性能保证较高的稳定性；

(4)本实用新型的mems传感器封装结构不会明显增加封装尺寸，在优化封装芯片的性能的同时，仍旧保留了mems芯片体积小、集成度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的一种可选的mems芯片的soi晶圆的结构示意图；

图2是本申请实施例的一种可选的mems芯片的顶层硅器件层的结构示意图；

图3是本申请实施例的一种可选的mems芯片的剖面图；

图4是现有技术的一种mems传感器封装结构的示意图；

图5是本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图；

图6是本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图；

图7是本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图；

图8是本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图；

图9是本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图；

图10是本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图；

图11是本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图。

以下对附图作补充说明：

110-顶层硅器件层；120-中层二氧化硅掩埋层；130-底层单晶硅衬底层；111-镜面；112-扭转轴；113-梳齿结构；113a-静梳齿结构；113b-动梳齿结构；114-驱动杆；115-电隔离槽；116-锚点；117-金属焊盘；210-封帽；220-管壳结构；230-mems芯片；310-背腔；1-封帽；2-管壳结构；3-mems芯片；4-容纳腔；5-加深腔；6-可动平板；7-金属引线；201-衬底层；202-打线层；203-密封层；204-粘片层；205-垫片结构；206-导线结构；207-温度传感器；501-阻尼释放孔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

图2-图3中是本申请实施例中一种可选的mems芯片的示意图，该mems芯片为基于梳齿结构的静电驱动式微镜，由图1所示soi晶圆为材料，通过半导体工艺加工制作而成。

图1为soi晶圆的结构示意图，该soi晶圆由三层结构排布而成，分别是顶层硅器件层110、中层二氧化硅掩埋层120和底层单晶硅衬底层130依次堆叠构成；其中，顶层硅器件层110的厚度在20～200μm之间，中层二氧化硅掩埋层120的厚度在0.1～3μm之间，底层单晶硅衬底层130的厚度在100～800μm之间。

图2是本申请实施例的一种可选的mems芯片的顶层硅器件层的结构示意图，主要包括：

镜面111，镜面111的上表面蒸镀有金属反射层(图中未示出)，材料为金或铝，厚度在50～500nm之间；

扭转轴112，扭转轴112将镜面111与固定结构(即锚点116)连接在一起；

梳齿结构113，梳齿结构113由静梳齿结构113a和动梳齿结构113b构成，其中，静梳齿结,113a排布在固定框架上，动梳齿结构113b排布在驱动杆114上，静梳齿结构113a和动梳齿结构113b交错排布；

需要说明的是，梳齿的数目、间距等具体特征及参数并无特殊限定，均可根据实际的需求进行设计；

驱动杆114，驱动杆114与镜面111刚性相连，其上排布着动梳齿结构113b；

电隔离槽115，电隔离槽115为分隔式电隔离槽，可与梳齿等器件层结构一同通过深刻蚀工艺形成，电隔离槽115将固定框架、锚点116和静梳齿结构113a电隔离；

锚点116，锚点116为固定结构，其上表面设置有金属焊盘117，锚点116的四周被电隔离槽115环绕，与微镜装置的固定框架以及静梳齿结构113a电隔离；

金属焊盘117，金属焊盘117设置在锚点116的上表面，通过金属蒸镀工艺形成，材料为金，厚度在50～500nm之间，通过引线连接金属焊盘117，将外部电路提供的电信号接入微镜装置；

需要说明的是，金属焊盘117的数目、尺寸和具体的排布位置并无特殊限定，可根据实际需要进行设计。

图3为图2所示的mems芯片的剖面图，其中，mems芯片还具有一个背腔310，定义了mems芯片的可动范围，背腔310通过刻蚀底层硅衬底层130和二氧化硅掩埋层120形成，该mems芯片的所有可动结构以及静梳齿结构113a均位于背腔310的正上方，其中可动结构包括镜面111、扭转轴112、梳齿结构113以及驱动杆114；背腔310的深度tm在100～800um之间，具体值可根据实际需求进行设计。

图4为现有技术的一种mems传感器封装结构的示意图，由封帽210和管壳结构220组成，封帽210与管壳结构220键合在一起，封闭mems芯片230于内，管壳结构220通常由密封层、打线层和衬底层上下堆叠组成，密封层上表面通过键合工艺与封窗键合，芯片粘接在衬底层上，通过打线与封装管壳内部的布线相连，实现封装管壳内外的电气互联。

若采用图4所示的mems传感器封装结构封装上述的mems芯片，当封装体内的温度变化时，mems芯片的谐振频率会发生漂移，同时工作频率不变的情况下，mems芯片的振幅会发生漂移，系统性能不稳定。

图5为本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图，该图中包括封帽1和管壳结构2(密封层203、打线层202和衬底层201)，mems芯片3位于封帽1和管壳结构2形成的容纳腔4中。

封帽1位于管壳结构2之上，与密封层203键合相连，隔绝外部灰尘对mems芯片3的影响，对芯片起到保护作用，有时也作为光互联通道，所述封帽1的材料可以是金属、陶瓷、玻璃或者塑料等。

密封层203封帽1相键合，对mems传感器芯片304起到密封作用。

打线层202位于密封层203之下，其中预埋了焊盘(图中未示出)和导线结构206，导线结构206为预埋在打线层203和衬底层201中的金属结构，保证外部与芯片之间的电信号的连接。

mems芯片3位于加深腔5的上方，与衬底层201键合相连其背腔正对加深腔5。

在具体实施中，mems芯片3与衬底层201键合方式可以是阳极键合、共晶键合或熔融键合，也可以是通过胶粘键合。

金属引线7连接mems芯片3与打线层202，保证芯片与外部的电信号的联通，金属引线7的材料可以是任何导电金属材料。

衬底层201位于封装结构的最底层，其中具有焊盘、导线结构206和加深腔5，衬底层201与mems芯片3相键合，对芯片起到支撑和保护的作用。

在具体实施中，衬底层201可以是光学透明材料，例如玻璃、塑料等，可以从背面实现光学照射，进而实现机械运动与光信号的转换。

加深腔5位于衬底层201之中，处于mems芯片3的下方，为mems芯片3提供更大的背部空间，降低了芯片系统的空气阻尼，提高了系统的品质因子，解决了mems芯片的阻尼受限于自身厚度的难题。

在具体实施中，加深腔5的深度tp一般是mems芯片3自身背腔310的深度tm的0.1～10倍左右，tp的范围在0.1mm～10mm之间，具体值可根据实际需求进行设计；加深腔5的形状和大小也可根据实际需求进行设计。

本申请实施例的mems传感器封装结构，通过在衬底层201中设置背部加深腔5，以调节芯片系统的空气阻尼，以便提高系统的性能。因此，相较于传统的mems传感器封装结构，图5所示的封装结构使得系统的空气阻尼不在受限于芯片自身厚度，极大地降低了系统阻尼，提高了系统品质因子和稳定性。

图6为本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图，该图中的mems传感器封装结构与图5所示的mems传感器封装结构相比，不同之处在于：图6所示的mems传感器封装结构中管壳结构2具有4层结构，多了一层粘片层204；而且加深腔5不再位于衬底层201之中，而是位于粘片层204之中，通过单独设置粘片层204，使mems芯片3的背腔空间加深。

粘片层204位于衬底层201和打线层202之间，与mems芯片3键合相连，支撑mems芯片3；加深腔5位于粘片层204之中，处于mems芯片3的下方，为mems芯片3提供更大的背部空间，降低了芯片系统的空气阻尼，提高了系统的品质因子。

在具体实施中，加深腔5的形状和大小可根据实际需求进行设计，并无特殊限定。

在具体实施中，加深腔5可以是贯穿粘片层204至衬底层201上表面的贯穿空腔(如图6所示)，也可以是未贯穿粘片层204的凹槽空腔(如图7所示)。

图8为本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图，该图中mems传感器封装结构与图5所示的mems传感器封装结构相比，不同之处在于：图8所示的mems传感器封装结构，在mems芯片3与衬底层201之间放置了垫片结构205，并且加深腔5存在于垫片结构205之中,垫片结构205在贴装芯片之前贴装于对应区域。

垫片结构205上承mems芯片3，下接衬底层201，对芯片起到支撑作用，并提供系统所需的加深腔5,垫片结构205的形状和大小可根据实际需求进行设计。

在具体实施中，垫片结构205的材料可以是pcb、陶瓷、单晶硅、玻璃等，具体材料可根据实际需求进行选择。

加深腔5位于垫片结构205之中，处于mems芯片3的下方，为mems芯片3提供更大的背部空间，降低了芯片系统的空气阻尼，提高了系统的品质因子。

在具体实施中，加深腔5可以是贯穿垫片结构205至衬底层201上表面的贯穿空腔(如图8所示)，也可以是未贯穿垫片结构205的凹槽空腔(如图9所示)。

图10为本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图，该图中mems传感器封装结构与图8所示的mems传感器封装结构相比，不同之处在于：图10所示的mems传感器封装结构，通过在垫片结构205之中设置阻尼释放孔501，多个阻尼释放孔501形成加深腔5，以达到降低传感器系统空气阻尼的作用。

阻尼释放孔501设置在垫片结构205之中，通过孔结构给mems芯片3提供更多的背部空间，释放空气阻尼，使得系统空气阻尼降低，提高系统的性能。

在具体实施中，阻尼释放孔501的形状、尺寸和数量可根据实际需求进行设计。

图11为本申请实施例一种可选的mems传感器封装结构的示意图，该图中mems传感器封装结构与图8所示的mems传感器封装结构相比，不同之处在于：图11所示的mems传感器封装结构，在加深腔5中设置一可动平板6，通过移动可动平板6，对加深腔5的深度进行调节，进而调整芯片系统的空气阻尼；另外，mems芯片3上设置了一个温度传感器207，以监控封装内部的温度变化。

加深腔5位于垫片结构205之中，处于mems芯片3的下方，内部设置可动平板6，为可动平板6提供运动空间。

温度传感器207设置于mems芯片3上，可随mems芯片3一同加工制成。温度传感器207用于监测封装内部的温度变化，而温度变化会导致mems芯片系统的谐振频率漂移，在工作频率不变的情况下，会导致系统的振幅漂移，因此，监测温度的变化，即可得到系统振幅的变化。

可动平板6放置于加深腔5内，可在外部信号的调控下上下运动并能保持特定的位置不变。可动平板6的位置变化可改变芯片背部的空间大小，因此可通过调节可动平板6的位置调节芯片系统的空气阻尼。

在具体实施中，可动平板6的形状和尺寸可根据实际需求进行设计，并无特殊限定。

在具体实施中，可动平板6可以通过马达驱动，也可以采用静电驱动、电磁驱动、压电驱动、电热驱动等。

通过温度传感器207监测封装内部的温度变化，进而得出系统因温度变化引起的振幅的变化，并反馈给可动平板6，通过控制可动平板6的运动改变其位置，调整芯片背部的空间大小，以改变系统空气阻尼，进而消除因温度变化导致的系统振幅的变化，极大地维持了系统的性能稳定。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。