MEMS传感器的制作方法

mems传感器技术领域1.本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种mems传感器。背景技术：2.气密性封装是mems领域常见的封装需求形式。mems器件如加速度传感器、压力传感器、角速度传感器等内部有可动部件，需要为可动部件提供气密性空腔，以保证可动部件在空腔内部有较小的阻尼和静摩擦力。mems器件如非制冷红外焦平面探测器内部有微测辐射热计，需要降低器件内部真空度，以保证较小的热辐射热量损耗。当空腔内部气压升高到真空度超过设定标准时，器件灵敏度将降低到标准值以下，造成器件失效。因此，气密封是决定器件寿命的关键性因素。技术实现要素：3.本实用新型的发明目的是提供一种mems传感器，以解决相关技术中的不足。4.为实现上述目的，本实用新型提供的mems传感器，包括：5.基板，包括mems结构，围绕所述mems结构设置的第一内焊接环、以及围绕所述第一内焊接环设置的第一外焊接环；6.盖板，包括第二内焊接环，与围绕所述第二内焊接环设置的第二外焊接环；所述基板与所述盖板通过所述第一内焊接环与所述第二内焊接环焊接在一起形成第一密封结构，所述第一密封结构将所述mems结构限定在真空腔体内；所述基板与所述盖板通过所述第一外焊接环与所述第二外焊接环焊接在一起形成第二密封结构，所述第二密封结构与所述第一密封结构之间形成真空夹层腔体。7.可选地，所述真空夹层腔体内的初始压强与所述真空腔体内的初始压强相等，或所述真空夹层腔体内的初始压强大于所述真空腔体内的初始压强，或所述真空夹层腔体内的初始压强与所述真空腔体内的初始压强之间的压强差在预定范围内。8.可选地，所述基板至少还包括第一中间焊接环，所述第一中间焊接环设置在所述第一内焊接环与所述第一外焊接环之间；所述盖板至少还包括第二中间焊接环，所述第二中间焊接环设置在所述第二内焊接环与所述第二外焊接环之间；所述基板与所述盖板通过所述第一中间焊接环与所述第二中间焊接环焊接在一起形成第三密封结构，所述第三密封结构与所述第一密封结构之间形成第一真空夹层腔体，所述第三密封结构与所述第二密封结构之间形成第二真空夹层腔体。9.可选地，所述基板和/或所述盖板位于所述真空腔体的一侧设置有第一吸气层；所述基板和/或所述盖板位于所述真空夹层腔体的一侧设置有第二吸气层。10.可选地，所述第一吸气层和/或所述第二吸气层的材料为锆或钛。11.可选地，所述mems结构包括感光区域与非感光区域，所述第一吸气层位于所述非感光区域。12.可选地，所述第一内焊接环和/或所述第一外焊接环包括：第一粘附层、第一阻挡层以及第一润湿层的叠层，所述第一粘附层靠近所述基板，所述第一润湿层远离所述基板，所述第一阻挡层设置在所述第一粘附层与所述第一润湿层之间；所述第二内焊接环和/或所述第二外焊接环包括：第二粘附层、第二阻挡层以及第二润湿层的叠层，所述第二粘附层靠近所述盖板，所述第二润湿层远离所述盖板，所述第二阻挡层设置在所述第二粘附层与所述第二润湿层之间。13.可选地，所述第一粘附层和/或所述第二粘附层的材料为钛或铬，所述第一阻挡层和/或所述第二阻挡层的材料为镍，所述第一润湿层和/或所述第二润湿层的材料为金。14.可选地，所述第一内焊接环与所述第一外焊接环之间设置有第一连接桥，所述第一连接桥包括第一内连接端与第一外连接端，所述第一内连接端连接于所述第一内焊接环，所述第一外连接端连接于所述第一外焊接环，所述第一内连接端的厚度与所述第一内焊接环的厚度相等，所述第一外连接端的厚度与所述第一外焊接环的厚度相等；和/或所述第二内焊接环与所述第二外焊接环之间设置有第二连接桥，所述第二连接桥包括第二内连接端与第二外连接端，所述第二内连接端连接于所述第二内焊接环，所述第二外连接端连接于所述第二外焊接环，所述第二内连接端的厚度与所述第二内焊接环的厚度相等，所述第二外连接端的厚度与所述第二外焊接环的厚度相等。15.可选地，所述基板和/或所述盖板包括放气材料层，所述放气材料层设置在所述真空夹层腔体内。16.如背景技术中所述，当空腔内部气压升高到真空度超过设定标准时，器件将失效。本发明人通过对空腔内部气压升高过程进行分析，发现：由于焊料及界面本身存在缺陷，真空腔体无法做到绝对密封，气体能够泄漏到空腔中的一个必要条件为：该气体在空腔外的分压大于空腔内的分压。在气体进入空腔的过程中，该气体在空腔内的分压会持续增加，直到空腔内外的分压相同。17.基于上述分析，本实用新型提供一种mems传感器，包括：基板与盖板；基板包括mems结构，围绕mems结构设置的第一内焊接环、以及围绕第一内焊接环设置的第一外焊接环；盖板包括第二内焊接环，与围绕第二内焊接环设置的第二外焊接环；基板与盖板通过第一内焊接环与第二内焊接环焊接在一起形成第一密封结构，第一密封结构将mems结构限定在真空腔体内；基板与盖板通过第一外焊接环与第二外焊接环焊接在一起形成第二密封结构，第二密封结构与第一密封结构之间形成真空夹层腔体。外界环境中的气体泄漏进入真空腔体包括：第一步，外界环境中的气体泄漏进入真空夹层腔体；第二步，真空夹层腔体中的气体泄漏进入真空腔体。18.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：19.一则，上述两步泄漏均需时间。20.二则，即使第一步泄漏导致真空夹层腔体内的压强上升，由于真空夹层腔体内的初始压强较小，在正常焊接品质下，此压强比外界环境的压强小数个量级，因而上升幅度有限。21.三则，研究表明，基于分子流模型，密封结构内外的压强差越小，单位时间泄漏进压强较小的腔体内的气体的物质的量越小，即气体漏率越小；由于真空夹层腔体内的压强上升幅度有限，真空腔体与真空夹层腔体之间的压强差仍然较小，气体再次泄漏进入真空腔体内的速度极慢，从而可以极大降低气体的漏率，提高mems传感器的可靠性和寿命。附图说明22.图1是本实用新型第一实施例的mems传感器的截面结构示意图；23.图2是本实用新型第二实施例的mems传感器的截面结构示意图；24.图3是本实用新型第三实施例的mems传感器的局部结构的截面结构示意图；25.图4是本实用新型第四实施例的mems传感器的截面结构示意图；26.图5是本实用新型第五实施例的mems传感器中的基板的俯视结构示意图；27.图6是本实用新型第五实施例的mems传感器中的盖板的俯视结构示意图。28.为方便理解本实用新型，以下列出本实用新型中出现的所有附图标记：29.mems传感器1、2、3、4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ基板1130.mems结构110ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一内焊接环11131.第一外焊接环112ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ盖板1232.第二内焊接环121ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二外焊接环12233.第一密封结构13ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ真空腔体13a34.第二密封结构14ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ真空夹层腔体14a35.第一吸气层20ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二吸气层2136.第一粘附层11aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一阻挡层11b37.第一润湿层11cꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二粘附层12a38.第二阻挡层12bꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二润湿层12c39.第一中间焊接环113ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二中间焊接环12340.第三密封结构15ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一真空夹层腔体15a41.第二真空夹层腔体15bꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一连接桥1642.第一内连接端16aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一外连接端16b43.第二连接桥17ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二内连接端17a44.第二外连接端17b具体实施方式45.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。46.图1是本实用新型第一实施例的mems传感器的截面结构示意图。47.参照图1所示，本实施例一的mems传感器1包括：48.基板11，包括mems结构110，围绕mems结构110设置的第一内焊接环111、以及围绕第一内焊接环111设置的第一外焊接环112；49.盖板12，包括第二内焊接环121，与围绕第二内焊接环121设置的第二外焊接环122；基板11与盖板12通过第一内焊接环111与第二内焊接环121焊接在一起形成第一密封结构13，第一密封结构13将mems结构110限定在真空腔体13a内；基板11与盖板12通过第一外焊接环112与第二外焊接环122焊接在一起形成第二密封结构14，第二密封结构14与第一密封结构13之间形成真空夹层腔体14a。50.基板11可以包括第一半导体衬底，mems结构110设置在第一半导体衬底上。mems结构110可根据mems传感器1的类型而定。例如mems传感器1为加速度传感器、压力传感器或角速度传感器时，mems结构110可包括固定电极与可动电极。可动电极可以为一端支撑的悬梁，或两端支撑的悬梁。又例如mems传感器1为非制冷红外焦平面探测器时，mems结构110包括上表面无覆盖的感光结构。本实施例对mems结构110不加以限定，仅需设置在真空环境即可。51.第一内焊接环111与第一外焊接环112的材料为金属，例如铜或铝。第一内焊接环111与第一外焊接环112可与mems结构110中的金属层位于同层，换言之，在同一工序中制作，也可以额外制作。52.盖板12可以包括第二半导体衬底。第二内焊接环121与第二外焊接环122的材料为金属，例如铜或铝。53.第一内焊接环111与第二内焊接环121的截面尺寸优选一致，第一外焊接环112与第二外焊接环122的截面尺寸优选一致，以使得焊接可以完全对准，提高焊接效果。54.第一内焊接环111与第二内焊接环121的焊接、第一外焊接环112与第二外焊接环122的焊接可采用铟基焊料或锡基焊料实现。铟基焊料与锡基焊料分别是以铟、锡为主要成分，掺杂金、银、铜等其它金属的合金。铟基焊料例如为in97ag3或in95ag5。55.本实施例中，第一内焊接环111与第二内焊接环121的焊接、第一外焊接环112与第二外焊接环122的焊接在同一真空环境中进行，以使得mems传感器1出厂时，真空夹层腔体14a内的压强与真空腔体13a内的压强相等，即真空夹层腔体14a内的初始压强与真空腔体13a内的初始压强相等。56.第一内焊接环111与第一外焊接环112的厚度可以相等或不等，第二内焊接环121与第二外焊接环122的厚度可以相等或不等。第一内焊接环111与第二内焊接环121的厚度之和与第一外焊接环112与第二外焊接环122的厚度之和相等。57.其它实施例中，第一内焊接环111与第二内焊接环121的焊接可以在第一真空环境中进行，第一外焊接环112与第二外焊接环122的焊接在第二真空环境中进行，第二真空环境的压强小于或远小于外界环境压强，且大于或略大于第一真空环境的压强。外界环境压强一般为一大气压。从而，使得真空夹层腔体14a内的初始压强大于或略大于真空腔体13a内的初始压强，但小于或远小于外界环境压强。58.其他实施例中，也可以将所述真空夹层腔体内的初始压强与所述真空腔体内的初始压强之间的压强差控制的在预定范围内，不论真空夹层腔体内的初始压强与所述真空腔体内的初始压强哪个大，只要两者的差值在该预定范围内且远小于外界环境压强即可，具体制备时，可以通过控制真空夹层腔体中吸气剂的量和真空腔体中吸气剂的量来实现两者的压强差在预定范围内，这里预定范围内可以是e‑3torr以内或者其他可以实现真空腔体中器件正常工作的值。59.外界环境中的气体泄漏进入真空腔体13a包括：第一步，外界环境中的气体泄漏进入真空夹层腔体14a；第二步，真空夹层腔体14a中的气体泄漏进入真空腔体13a。60.一则，上述两步泄漏均需时间。相对于真空腔体13a仅通过第一密封结构13与外界环境隔开，外界环境中的气体泄漏进入真空腔体13a仅包括一步的方案，可延长mems传感器1达到失效的时间。61.二则，即使第一步泄漏导致真空夹层腔体14a内的压强上升，由于真空夹层腔体14a内的初始压强较小，因而上升幅度有限。62.三则，研究表明，基于分子流模型，密封结构内外的压强差越小，单位时间泄漏进压强较小的腔体内的气体的物质的量越小，即气体漏率越小。由于真空夹层腔体14a内的压强上升幅度有限，真空腔体13a与真空夹层腔体14a之间的压强差仍然较小，气体再次泄漏进入真空腔体13a内的速度极慢，从而可以极大降低气体的漏率，提高mems传感器1的可靠性和寿命。63.一些实施例中，第一内焊接环111与第一外焊接环112之间的间距l与第一内焊接环111(或第一外焊接环112)的宽度w的比值范围优选为：0.1～0.3(包括端点值)，以减小真空夹层腔体14a的宽度，提高基板11的表面利用率。64.图2是本实用新型第二实施例的mems传感器的截面结构示意图。参照图2所示，本实施例二的mems传感器2与实施例一的mems传感器1大致相同，区别仅在于：基板11和盖板12位于真空腔体13a的一侧设置有第一吸气层20，基板11和盖板12位于真空夹层腔体14a的一侧设置有第二吸气层21。65.第一吸气层20和第二吸气层21用于吸收气体，对应降低真空腔体13a内的真空度和真空夹层腔体14a内的真空度。66.本实施例中，第一吸气层20与第二吸气层21在第一内焊接环111与第二内焊接环121、以及第一外焊接环112与第二外焊接环122的焊接前进行激活。激活可通过加热第一吸气层20与第二吸气层21实现。67.第一吸气层20和/或第二吸气层21的材料可以包括锆或钛。68.其它实施例中，第一吸气层20可以仅设置在基板11位于真空腔体13a的一侧，或仅设置在盖板12位于真空腔体13a的一侧。第二吸气层21可以仅设置在基板11位于真空夹层腔体14a的一侧，或仅设置在盖板12位于真空夹层腔体14a的一侧。69.对于仅设置第一吸气层20的mems传感器，第一吸气层20可在第一内焊接环111与第二内焊接环121、以及第一外焊接环112与第二外焊接环122的焊接后进行激活。由于第一内焊接环111与第二内焊接环121、以及第一外焊接环112与第二外焊接环122在同一真空环境中焊接，因而焊接后，真空腔体13a与真空夹层腔体14a的压强相等。此时，激活第一吸气层20，第一吸气层20吸附真空腔体13a内的气体，可降低真空腔体13a的初始压强，从而实现真空夹层腔体14a的初始压强略大于真空腔体13a的初始压强。上述焊接时的环境压强，即真空夹层腔体14a的初始压强远小于外界环境压强。激活可通过加热第一吸气层20实现。70.一些实施例中，当mems结构110包括感光结构时，感光结构对应感光区域，其余区域为非感光区域，第一吸气层20若会降低光透过率，则优选位于非感光区域。71.一些实施例中，基板11和/或盖板12还包括放气材料层。例如mems传感器2的电路结构，该电路结构在图形化工艺中使用光刻胶做掩膜层，光刻胶在去除工艺中可能存在残留，保留在电路结构中；该残留的光刻胶在mems传感器2的某些使用环境中，例如高温下会释放气体，因而，该残留的光刻胶为放气材料层。相对于设置在真空腔体13a内，放气材料层优选设置在真空夹层腔体14a内。72.图3是本实用新型第三实施例的mems传感器的局部结构的截面结构示意图。参照图3所示，本实施例三的mems传感器3与实施例一、二的mems传感器1、2大致相同，区别仅在于：第一内焊接环111和第一外焊接环112朝向盖板12方向依次包括：第一粘附层11a、第一阻挡层11b以及第一润湿层11c；第二内焊接环121和第二外焊接环122朝向基板11方向依次包括：第二粘附层12a、第二阻挡层12b以及第二润湿层12c。73.本实施例中，第一粘附层11a选择与第一半导体衬底的粘附性好、热膨胀系数匹配的金属，上述金属例如包括钛或铬。第一阻挡层11b选择与第一润湿层11c、第一粘附层11a两层粘附性好，热膨胀系数介于两层之间，焊接性能居中的金属，上述金属例如包括镍。第一润湿层11c同时也是防氧化层，选择性能稳定、润湿性好、难氧化、钎焊性能好的金属，上述金属例如包括金。第二粘附层12a选择与第二半导体衬底的粘附性好、热膨胀系数匹配的金属，上述金属例如包括钛或铬。第二阻挡层12b选择与第二润湿层12c、第二粘附层12a两层粘附性好，热膨胀系数介于两层之间，焊接性能居中的金属，上述金属例如包括镍。第二润湿层12c同时也是防氧化层，选择性能稳定、润湿性好、难氧化、钎焊性能好的金属，上述金属例如包括金。74.其它实施例中，可以仅第一内焊接环111朝向盖板12方向依次包括：第一粘附层11a、第一阻挡层11b以及第一润湿层11c；或仅第一外焊接环112朝向盖板12方向依次包括：第一粘附层11a、第一阻挡层11b以及第一润湿层11c；或仅第二内焊接环121朝向基板11方向依次包括：第二粘附层12a、第二阻挡层12b以及第二润湿层12c；或仅第二外焊接环122朝向基板11方向依次包括：第二粘附层12a、第二阻挡层12b以及第二润湿层12c。75.图4是本实用新型第四实施例的mems传感器的截面结构示意图。参照图4所示，本实施例四的mems传感器4与实施例一、二、三的mems传感器1、2、3大致相同，区别仅在于：基板11还包括第一中间焊接环113，第一中间焊接环113设置在第一内焊接环111与第一外焊接环112之间；盖板12还包括第二中间焊接环123，第二中间焊接环123设置在第二内焊接环121与第二外焊接环122之间；基板11与盖板12通过第一中间焊接环113与第二中间焊接环123焊接在一起形成第三密封结构15，第三密封结构15与第一密封结构13之间形成第一真空夹层腔体15a，第三密封结构15与第二密封结构14之间形成第二真空夹层腔体15b。76.第一真空夹层腔体15a内的初始压强、第二真空夹层腔体15b内的初始压强优选都与真空腔体13a内的初始压强相等。77.本实施例中，外界环境中的气体泄漏进入真空腔体13a包括：第一步，外界环境中的气体泄漏进入第二真空夹层腔体15b；第二步，第二真空夹层腔体15b中的气体泄漏进入第一真空夹层腔体15a；第三步，第一真空夹层腔体15a中的气体泄漏进入真空腔体13a。相对于第一实施例的mems传感器1，本实施例的mems传感器4可进一步降低气体的漏率，提高可靠性和寿命。78.其它实施例中，第一密封结构13与第二密封结构14之间可以设置有两个及其以上的中间密封结构，以进一步降低气体的漏率。79.图5是本实用新型第五实施例的mems传感器中的基板的俯视结构示意图。图6是本实用新型第五实施例的mems传感器中的盖板的俯视结构示意图。参照图5与图6所示，本实施例五的mems传感器与实施例一、二、三、四的mems传感器1、2、3、4大致相同，区别仅在于：第一内焊接环111与第一外焊接环112之间设置有第一连接桥16，第一连接桥16包括第一内连接端16a与第一外连接端16b，第一内连接端16a连接于第一内焊接环111，第一外连接端16b连接于第一外焊接环112，第一内连接端16a的厚度与第一内焊接环111的厚度相等，第一外连接端16b的厚度与第一外焊接环112的厚度相等；第二内焊接环121与第二外焊接环122之间设置有第二连接桥17，第二连接桥17包括第二内连接端17a与第二外连接端17b，第二内连接端17a连接于第二内焊接环121，第二外连接端17b连接于第二外焊接环122，第二内连接端17a的厚度与第二内焊接环121的厚度相等，第二外连接端17b的厚度与第二外焊接环122的厚度相等。80.第一连接桥16用于平衡第一内焊接环111与第一外焊接环112上的焊料。换言之，第一内焊接环111上的焊料过多的情况下，可经第一连接桥16流动至第一外焊接环112；反之，第一外焊接环112上的焊料过多的情况下，可经第一连接桥16流动至第一内焊接环111。81.本实施例中，第一内焊接环111与第一外焊接环112的厚度相等，因而，第一内连接端16a与第一外连接端16b之间的第一连接桥16可为水平过渡、锯齿状过渡、波浪状过渡、折线状过渡、台阶状过渡、上凸的弧面过渡、或下凹的弧面过渡等。82.其它实施例中，第一内焊接环111与第一外焊接环112的厚度可以不等，因而，第一内连接端16a与第一外连接端16b之间的第一连接桥16可为斜坡状平面过渡、锯齿状过渡、波浪状过渡、折线状过渡、台阶状过渡、上凸的弧面过渡、或下凹的弧面过渡等。83.第一连接桥16的材料可以与第一内焊接环111(或第一外焊接环112)的材料相同。第一连接桥16优选有多个，多个第一连接桥16在第一内焊接环111(或第一外焊接环112)的周向上均匀分布。84.第二连接桥17用于平衡第二内焊接环121与第二外焊接环122上的焊料。换言之，第二内焊接环121上的焊料过多的情况下，可经第二连接桥17流动至第二外焊接环122；反之，第二外焊接环122上的焊料过多的情况下，可经第一连接桥16流动至第二内焊接环121。85.本实施例中，第二内焊接环121与第二外焊接环122的厚度相等，因而，第二内连接端17a与第二外连接端17b之间的第二连接桥17可为水平过渡、锯齿状过渡、波浪状过渡、折线状过渡、台阶状过渡、上凸的弧面过渡、或下凹的弧面过渡等。86.其它实施例中，第二内焊接环121与第二外焊接环122的厚度可以不等，因而，第二内连接端17a与第二外连接端17b之间的第二连接桥17可为斜坡状平面过渡、锯齿状过渡、波浪状过渡、折线状过渡、台阶状过渡、上凸的弧面过渡、或下凹的弧面过渡等。87.第二连接桥17的材料可以与第二内焊接环121(或第二外焊接环122)的材料相同。第二连接桥17优选有多个，多个第二连接桥17在第二内焊接环121(或第二外焊接环122)的周向上均匀分布。88.其它实施例中，mems传感器中的第一连接桥16与第二连接桥17可以择一使用。89.虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。