[发明专利]一种基于SOI封装的六轴微惯性器件及其加工方法

说明书

本发明公开了一种基于SOI封装的六轴微惯性器件，包括单片集成的六轴微惯性器件、玻璃衬底、金属电极、金属引线、SOI盖帽和SOI密封墙；六轴微惯性器件通过阳极键合工艺键合在玻璃衬底上；金属电极为一个以上，均匀设置在玻璃衬底一侧，金属电极通过金属引线与六轴微惯性器件相接，SOI盖帽设在玻璃衬底正上方，SOI密封腔设在SOI盖帽和SOI密封墙之间，形成空腔结构；每个金属电极正上方的SOI盖帽上设有梯形电极孔，梯形电极孔正下方的SOI密封墙上设有垂直贯通；梯形电极孔、垂直贯通与金属电极一一对应。本发明具有全解耦、质量小、结构精巧、成本低和便于批量生产等优点，在单个器件内同时实现了对三轴的加速度和角速度的检测，应用范围广，有着良好的市场前景。

技术领域

本发明涉及微机电和惯性导航领域，具体涉及一种基于SOI封装的六轴微惯性器件及其加工方法。

背景技术

微惯性器件是测量物体运动加速度和角速度的关键器件，属于MEMS(微机械系统)产品之一，主要包括微机械加速度计和微机械陀螺仪。与传统惯性器件相比具有小尺寸、低功耗、低成本、便于批量生产等特点，使其在汽车消费类电子、导航定位、武器制导等领域拥有广泛的应用。

目前，多轴单片集成、晶圆级真空封装构成高集成度传感芯片已成为微惯性传感器研发的主流趋势，对于减小微惯导系统的体积、降低生产成本、提高器件性能都有重要意义。当前主要的六轴微惯性器件主要采用组装式的方案，存在组装误差，且体积较大，性能有待提高。

另外，SOI工艺的发展与成熟，为MEMS器件的加工制造提供了新的方案，对于解决部分MEMS器件的封装问题也提供了一种新的解决思路。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种基于SOI封装的单片集成六轴微惯性器件及其加工方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于SOI封装的六轴微惯性器件，包括单片集成的六轴微惯性器件、玻璃衬底、金属电极、金属引线、SOI盖帽和SOI密封墙；六轴微惯性器件通过阳极键合工艺键合在玻璃衬底上；金属电极为一个以上，均匀设置在玻璃衬底一侧，金属电极通过金属引线与六轴微惯性器件相接，SOI盖帽设在玻璃衬底正上方，SOI密封腔设在SOI盖帽和SOI密封墙之间，形成空腔结构；每个金属电极正上方的SOI盖帽上设有梯形电极孔，梯形电极孔正下方的SOI密封墙上设有垂直贯通；梯形电极孔、垂直贯通与金属电极一一对应。

工作原理：本发明基于SOI封装的六轴微惯性器件，外界通过梯形孔内金属焊盘-垂直贯通-衬底上的金属键合区-金属引线-金属电极区实现与六轴微惯性器件的信号传输。

优选，所述六轴微惯性器件包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，三轴加速度计包括器件中心位置的谐振梁式xy轴加速度计与位于四顶角处的扭摆式z轴加速度计；谐振梁式xy轴加速度计由中心正方形大质量块、位于大质量块四角的谐振梁以及四个放大杠杆结构组成，四个放大杠杆结构分别设在四个谐振梁两两之间，其中一三象限的谐振梁检测x轴加速度，二四象限的谐振梁结构检测y轴加速度；四个扭摆式z轴加速度计关于六轴微惯性器件的中心对称，各自由绕扭杆、非对称质量块和检测梳齿组成，检测梳齿包括移动梳齿和固定梳齿，移动梳齿设在非对称质量块外围，绕扭杆设在非对称质量块之间，固定梳齿设在移动梳齿外侧；三轴陀螺仪包括四个相同结构的大框架；四个大框架分别对应设在相邻两扭摆式z轴加速度计之间；每个大框架包括两侧两个正方形驱动框架，一个中间的pitch/roll敏感框架和一个外侧的yaw敏感框架；各类框架通过U型梁、蟹脚梁和蹦蹦床结构连接。

上述U型梁、折叠梁和蹦蹦床结构三者共同作用，实现陀螺仪内力的传递以及模态的解耦。

优选，所述三轴陀螺仪的驱动框架和敏感框架、谐振梁式xy轴加速度计和扭摆式z轴加速度计均包含活动梳齿和固定梳齿。