CN109110724A - 一种应用于mems力敏感器件的二级应力隔离结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于MEMS力敏感器件的二级应力隔离结构(3)，包括外部框架结构(14)以及设置在外部框架结构(14)内的力敏感结构(9)，所述外部框架结构(14)包括内框架(15)，所述内框架(15)的上下两端分别通过至少一个应力集中梁(12)与对应的应力衰减梁(13)连接，所述应力衰减梁(13)通过多个柔性连接(11)与位于柔性连接(11)内部的固定锚点(10)相连字，本发明能够实现二级应力释放，所述柔性连接(11)为一级应力隔离，应力衰减梁(13)与应力集中梁(12)为短粗的刚性梁构成过渡框架，作为二级应力隔离，能够在敏感结构层上隔绝敏感结构工艺与封装过程中产生的应力。
Description
技术领域
本发明涉及力敏感器件技术领域，尤其涉及一种应用于MEMS力敏感器件的二级应力隔离结构。
背景技术
MEMS传感器即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。其中，MEMS压力传感器、加速度计、陀螺仪等都是典型的力敏感器件，它们多用作压力、位移(加速度)及姿态(角速度)的高精度测量，具有体积小、功耗低、与集成电路工艺兼容与易于大批量生产等特点。
这些器件都是由MEMS工艺制成，材料包括多晶硅、石英、SiC、SOI(Sili-con onInsulator)、SOS(蓝宝石上硅)等。在MEMS工艺及封装过程中，由于不同材料的材料特性(包括杨氏模量、热膨胀系数等)不一致，以及沉积、键合、贴片等工艺步骤高低温的转换会造成不可忽视的应力，从而传递到传感器的敏感结构上，引起结构变形和应力集中。由于力敏感器件的敏感原理就是将外界输入的待检测量转化为力，继而通过检测其受力作用下电信号的变化解算，应力的引起的结构变形和应力集中一方面会干扰传感器对力的检测，无法区分输出电信号的变化主要受应力影响还是外界输入影响，另一方面会造成器件使用过程的疲劳或断裂。因此，应力的存在不仅会影响力敏感器件的测量精度和稳定性，而且会在一定程度上影响其使用寿命，所以，应力隔离对力敏感传感器非常重要。
以惯性传感器为例，2013年安徽北方芯动联科微系统技术有限公司提出了一种具有降低封装应力结构的MEMS元件(201320205008.2)，其在背面层上装上至少一个装片柱，封装管壳底板上有粘片胶，粘片胶包围装片柱。通过MEMS芯片背面层上的装片柱和封装管壳底板上的粘片胶将MEMS芯片固定在封装管壳底板上，但是其均匀性及对称性不够好而且其保证芯片与粘片胶接触的总面积对抗机械冲击能力效果的保证也不够好；2015年歌尔声学股份有限公司公开了一种应力隔离的MEMS惯性传感器(201510227170.8)，其通过一个应力隔离层把从衬底传来的应力均匀分在敏感结构上使得整个敏感结构对温度和应力所产生的应变具有一致的响应，通过敏感结构自身的差分结构就可以把这样的共模信号完全消除掉，但是过于复杂的结构增加了加工难度的同时也使得加工增加了很多应力源头；2016年杨军等提出了一种LCC封装应力释放结构(201410720844.3)，其基底支撑点与锚点用梁连接一定程度上隔绝了了器件外壳的应力，但是其梁采用短粗梁使其隔离效果无法达到最好；2017年常洪龙等提出了一种类似的SOI基微惯性传感器封装应力隔离方法(2016109195522.0)，其采用的蟹脚梁能够更加有效地隔绝应力，并且其将支撑点放在中心锚点放在四周使用胶面积减小，有效降低了封装应力。但总体而言，这些封装应力隔离方法存在一个共性的问题，即都针对已完成MEMS工艺的芯片，再在封装过程中对芯片应力隔离。这样的方案对应力的隔离势必无法隔离传感器芯片在MEMS工艺加工过程中产生的应力(如不同材料的沉积、键合等工艺步骤)，这类应力通常是不同材料在完成工艺步骤前后由温度变化导致热特性不匹配，继而产生的热应力，同样不可忽视。
目前对敏感结构层的应力隔离之前也做过相关研究，2016年张晶等提出一种对应力不敏感的自校准硅微谐振式加速度计结构(201610955241.0)，针对MEMS工艺步骤产生热应力的问题给出了加速度计敏感结构层的设计方案，其固定锚点和结构框架通过柔性梁连接，在一定程度上提高了MEMS工艺应力隔离的效果，但是敏感结构层中依然存在部分残余的应力影响信号检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对应力不敏感的二级应力隔离结构，能够在敏感结构层上隔绝敏感结构工艺与封装过程中产生的应力。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种应用于MEMS力敏感器件的二级应力隔离结构，包括外部框架结构以及设置在外部框架结构内的力敏感结构，所述外部框架结构包括内框架，所述内框架的上下两端分别通过至少一个应力集中梁与对应的应力衰减梁连接，所述应力衰减梁通过多个柔性连接与位于柔性连接内部的固定锚点相连。
进一步地，所述柔性连接由U型梁或弓形梁构成。
进一步地，所述内框架的上端通过上应力集中梁与上端左应力衰减梁和上端右应力衰减梁连接，所述内框架的下端通过下应力集中梁与下端左应力衰减梁和下端右应力衰减梁连接，上端左应力衰减梁的末端内部设置上端左柔性连接与上端左固定锚点相连接，上端右应力衰减梁的末端内部设置上端右柔性连接与上端右固定锚点相连接，下端左应力衰减梁的末端内部设置下端左柔性连接与下端左固定锚点相连接，下端右应力衰减梁的末端内部设置下端右柔性连接与下端右固定锚点相连接。
进一步地，所述力敏感结构是谐振式加速度计、谐振式陀螺仪或谐振式压力传感器的敏感结构。
进一步地，所述柔性连接为多边形结构，所述多边形结构的每条边为水平或垂直的。
进一步地，所述柔性连接为正方形结构。
进一步地，所述二级应力隔离结构的材料为硅。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)结构以及工艺比较简单，减少应力源；(2)应力隔离比较全面，能够隔离结构刻蚀、不同材料沉积、键合以及和外壳的粘贴产生的应力，效果明显，而不仅仅只是隔绝固定锚点外部传来的应力；(3)固定锚点与框架连接的柔性连接既能隔离应力，又能保证整体的刚度不受影响。(4)敏感结构与内部刚性框架相连，而不直接与固定锚点相连。
附图说明
图1为本发明应用于MEMS力敏感器件的二级应力隔离结构结构示意图。
图2为本发明柔性连接结构示意图。
图3为本发明应力隔离结构应用于硅微谐振式加速度计的示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种应用于MEMS力敏感器件的二级应力隔离结构3，包括外部框架结构14以及设置在外部框架结构14内的力敏感结构9，所述外部框架结构14包括内框架15，所述内框架15的上下两端分别通过至少一个应力集中梁12与对应的应力衰减梁13连接，所述应力衰减梁13通过多个柔性连接11与位于柔性连接11内部的固定锚点10相连。
进一步地，所述柔性连接11由U型梁或弓形梁构成，如图2所示所述柔性连接11由U型梁构成。
进一步地，所述内框架15的上端通过上应力集中梁12a与上端左应力衰减梁13a和上端右应力衰减梁13b连接，所述内框架15的下端通过下应力集中梁12b与下端左应力衰减梁13c和下端右应力衰减梁13d连接，上端左应力衰减梁13a的末端内部设置上端左柔性连接11a与上端左固定锚点10a相连接，上端右应力衰减梁13b的末端内部设置上端右柔性连接11b与上端右固定锚点10b相连接，下端左应力衰减梁13c的末端内部设置下端左柔性连接11c与下端左固定锚点10c相连接，下端右应力衰减梁13d的末端内部设置下端右柔性连接11d与下端右固定锚点10d相连接。
进一步地，所述力敏感结构9是谐振式加速度计、谐振式陀螺仪或谐振式压力传感器敏感结构。
进一步地，所述柔性连接11为多边形结构，所述多边形结构的每条边为水平或垂直的。
进一步地，所述柔性连接11为正方形结构。
进一步地，所述二级应力隔离结构是通过一整块硅硅片上刻蚀而成。
柔性连接如图2所示，其采用U形梁由于其一个方向刚度大另一个方向刚度小，其能在隔绝应力的情况下保证整体结构的刚度。
图3为本发明应力隔离结构应用于硅微谐振式加速度计的结构示意图，上层为加速度计的结构盖板4，应力隔离结构3设置在中间，下层为加速度计的衬底5，同时衬底5上部连接应力隔离结构3的固定锚点10，下层通过封装胶8与陶瓷管壳2粘在一起。应力隔离结构3的上下两侧有SiO27作为绝缘层，上层SiO2的上部与Au层6相连，并在Au层6布置信号输入/输出线1用于电信号的传递。
所述加速度计可用在需要测加速度的物体上。简要介绍一下加速度计工作过程和原理，如图3所示，力敏感结构9中包含一质量块，质量块的上下端分别包含一谐振梁，在实际工作过程中当有加速度的时候，质量块的惯性力加在谐振梁上，上下两个谐振梁谐振频率发生变化，两个谐振梁一个受拉一个受压谐振频率变化方向相反，通过差分频率即可得到加速度的值。
本结构能够实现二级应力释放，所述柔性连接11为一级应力隔离，应力衰减梁13与应力集中梁12为短粗的刚性梁构成过渡框架，作为二级应力隔离。
下面通过实验对比得出应力隔离效果：
隔绝应力主要为隔绝温度变化导致的应力变化。
由于应力对加速度计的影响主要是对谐振梁谐振频率的影响所以用加速度计谐振梁谐振频率随温度的变化来表征应力随温度变化对敏感器件的影响，加速度计的实际谐振频率计算公式：
其中：f(T1)为加速度计的实际谐振频率；fM(T1)为加速度计没有外界应力影响的自然谐振频率；σ(T1)为二经应力隔离机构约束端的应力值；β为与结构相关的应力系数。
加速度计温度变化导致的谐振频率变化的温度系数实际频率温度系数TCF(只能通过实验得出)由两部分组成，一是外部传来的应力随温度变化导致的频率温度系数TCfσ，二是硅材料本身的自然频率温度系数TCfE。
TCf＝TCfE+TCfσ
硅材料随温度变化导致自然频率发生变化，频率的温度系数TCfE由如下公式求得：
其中：fM为fM(T0)，其中T0＝25℃。
TCfE是材料本身的特性无法改变，我们只能通过隔绝应力尽可能的减小TCfσ。
通过温度实验得TCf没有任何应力隔离机构的情况下在-1032.4ppm/℃到-700ppm/℃之间，而经过实验发现在只有柔性连接作为应力隔离机构的单级应力隔离结构中为-300ppm/℃到-170ppm/℃之间，现在的结构是-34ppm/℃已经和硅材料本身的频率温度系数相差TCfE很小，TCfσ足够小，基本隔离了外界应力影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种应用于MEMS力敏感器件的二级应力隔离结构(3)，其特征在于，包括外部框架结构(14)以及设置在外部框架结构(14)内的力敏感结构(9)，所述外部框架结构(14)包括内框架(15)，所述内框架(15)的上下两端分别通过至少一个应力集中梁(12)与对应的应力衰减梁(13)连接，所述应力衰减梁(13)通过多个柔性连接(11)与位于柔性连接(11)内部的固定锚点(10)相连。
2.根据权利要求1所述的二级应力隔离结构(3)，其特征在于，所述柔性连接(11)由U型梁或弓形梁构成。
3.根据权利要求1或2所述的二级应力隔离结构(3)，其特征在于，所述内框架(15)的上端通过上应力集中梁(12a)与上端左应力衰减梁(13a)和上端右应力衰减梁(13b)连接，所述内框架(15)的下端通过下应力集中梁(12b)与下端左应力衰减梁(13c)和下端右应力衰减梁(13d)连接，上端左应力衰减梁(13a)的末端内部设置上端左柔性连接(11a)与上端左固定锚点(10a)相连接，上端右应力衰减梁(13b)的末端内部设置上端右柔性连接(11b)与上端右固定锚点(10b)相连接，下端左应力衰减梁(13c)的末端内部设置下端左柔性连接(11c)与下端左固定锚点(10c)相连接，下端右应力衰减梁(13d)的末端内部设置下端右柔性连接(11d)与下端右固定锚点(10d)相连接。
4.根据权利要求3所述的二级应力隔离结构(3)，其特征在于，所述力敏感结构(9)是谐振式加速度计、谐振式陀螺仪或谐振式压力传感器的敏感结构。
5.根据权利要求4所述的二级应力隔离结构(3)，其特征在于，所述柔性连接(11)为多边形结构，所述多边形结构的每条边为水平或垂直的。
6.根据权利要求5所述的二级应力隔离结构(3)，其特征在于，所述柔性连接(11)为正方形结构。
7.根据权利要求1所述的二级应力隔离结构(3)，其特征在于，所述二级应力隔离结构(3)的材料为硅。
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