加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器

工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，专利已不仅仅是创新的一种保护手段，它已成为商业战场中的利器。麦姆斯咨询倾情打造MEMS、传感器以及物联网领域的专利运营平台，整合全产业链知识产权资源，积极推动知识产权保护与有效利用。随着MEMS技术的不断进步，MEMS复合传感器以其芯片结构尺寸更小、制作成本更低、性能更出众和后续安装应用成本更低等优势，在各行各业得到了广泛应用，例如：汽车电子、航空航天、消费类电子产品、生物医学等等。为此，业界正不断投入大量的科研能力来开发不同类型的复合传感器芯片，以满足不断增长的市场需求。据麦姆斯咨询此前报道，InvenSense（应美盛）在完成对Sensirion（盛思锐）压力传感器部门的收购后，开辟了一个全新的细分市场领域。2017年末，InvenSense宣布全球首款、同时也是唯一一款7轴运动传感器——ICM-20789实现规模量产。这款7轴运动传感器将InvenSense领先的6轴（3轴加速度计+3轴陀螺仪）MEMS运动传感器和世界级气压传感器（高度计）集成在一起，提供了与当今最先进的分立传感器性能相当的解决方案。

InvenSense新推出的7轴运动组合传感器ICM-20789的逆向分析然而，传统的复合传感器芯片结构多以单层或多层键合结构为主，通常采用双面微机械制作工艺、键合工艺、Cavity-SOI工艺、表面微机械制作工艺以及CMOS-MEMS技术等加工制造。例如，传统的加速度和压力复合传感器采用硅-玻璃结构方式，通过硅片背面两步各向异性湿法刻蚀方法分别形成压力薄膜和质量块，然后利用硅-硅键合或硅-玻璃键合来密封压力传感器的压力参考腔体，形成加速度传感器质量块的运动间隙以及形成传感器芯片基座，最后再利用硅片正面干法刻蚀释放加速度传感器可动结构。
这种双面体硅工艺和键合技术制作的复合传感器结构尺寸很大，工艺很复杂，制作成本很高。此外，不同键合材料之间的热膨胀系数不同以及键合过程中所引入的残余应力都会恶化传感器的输出稳定性，尤其在温度环境比较恶劣的条件下。此外，表面微机械制作的复合传感器还可能发生台阶覆盖失效（Step-coverage）和腐蚀牺牲层过程中产生的薄膜粘附失效，这些不确定因素都大大提高了工艺的复杂程度，降低了成品率。到目前为止，传统的加速度和压力复合传感器芯片尺寸虽然已经从尺寸很大的多片键合结构发展到了芯片尺寸较小的单硅片单面复合传感器结构，但是这些复合传感器中各个检测单元均采用Side-by-Side的集成方式，这种集成方式会占用大量的芯片空间，限制了复合传感器芯片尺寸的进一步减小，进一步降低成本。实现了单片复合传感器的小型化、低成本、高性能与大批量生产，可广泛应用于航空航天、汽车电子、消费类电子等领域。本发明的加速度和压力复合传感器仅是通过在一块普通的单晶硅基片的同一面进行体硅微机械工艺制作而成，避免了传统双面对准/曝光和键合工艺，大大降低了芯片尺寸，减少了制作成本，且与IC工艺兼容可实现大批量制作。

加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构的三维结构示意图其中，将压力传感器直接嵌入在加速度传感器的质量块的中心位置，并将压力传感器四周挖空，使得压力传感器悬浮在质量块的中心位置，即最大程度地缩小了芯片尺寸，又有效地消除了加速度传感器与压力传感器之间检测信号的相互串扰，大大提高了复合传感器的检测精度，最大程度缩小了芯片尺寸。