CN109188023A - 悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构，该结构包括磁铁、上铋块、上端盖、敏感结构、下端盖、下铋块以及敏感结构磁铁，敏感结构磁铁粘贴在敏感结构的下端面上，敏感结构与上端盖和下端盖键合并通过4个螺钉与磁铁、上铋块和下铋块连接。本发明公开的封装结构通过磁力作用使大质量块悬浮在其振动的水平面内，最大程度地克服了重力的影响，从而保证MEMS加速度传感器的检测精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微纳米传感器技术领域，具体涉及一种悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构。
背景技术
微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是一种有着广泛应用前景的技术，它利用刻蚀技术，实现机械三维结构的微型化、低功耗以及便捷性等技术要求。MEMS加速度计是利用MEMS技术加工的一种加速度计，其体积可以达到毫米级，采样频率可以从一赫兹到几千赫兹，低谐振频率的加速度传感器广泛应用于石油勘探、地震检测等领域。
在电容式弹簧-振子型结构的MEMS加速度传感器中，振子在水平面内按照特定的频率振动，从而实现对震动的检测。对于低频微震检测传感器，为了降低谐振频率，其振子通常采用大质量块来实现，但由于重力作用，振子在静止状态下会在垂直于水平面的竖直方向产生一个位移，这一位移使得振子在振动过程中叠加了一个竖直分量，同时，在振子振动的过程中有可能会触碰到上、下封装端盖而增加振动阻尼，影响振动频率，使微震检测传感器的检测精度降低。为提高微震检测传感器的检测精度，如果在封装过程中使弹簧-振子型MEMS加速度传感器敏感结构的大质量块悬浮，则可以最大程度地克服重力对大质量块的影响，从而提高MEMS加速度传感器的检测精度和稳定性。
发明内容
本发明针对MEMS加速度传感器敏感结构受重力影响引起传感器检测精度和稳定性的技术问题，提供一种悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构。该封装结构通过磁力作用使大质量块悬浮在其振动的水平面内，最大程度地克服重力的影响，从而保证MEMS加速度传感器的检测精度和稳定性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构，包括磁铁(1)、上铋块(2)、上端盖(3)、敏感结构(4)、下端盖(5)、下铋块(6)、敏感结构磁铁(17)以及4个螺钉(7)，敏感结构位于上端盖和下端盖之间，上端盖的上面和下端盖的下面分别设置上铋块和下铋块，磁铁位于上铋块上方，并与上铋块保持8-12mm的间距，敏感结构磁铁粘接在敏感结构下端面上；上端盖和下端盖与敏感结构键合，磁铁、上铋块、上端盖、敏感结构、下端盖以及下铋块通过4个螺钉连接；所述磁铁、上铋块、上端盖、敏感结构、下端盖、下铋块以及敏感结构磁铁均为矩形平板结构，其中，磁铁、上铋块和下铋块横截面积相同，上端盖和下端盖截面积相同，上端盖和下端盖的横截面积略大于磁铁的横截面积，且小于敏感结构的横截面积，敏感结构磁铁的横截面积最小；上铋块和下铋块厚度相同，上端盖和下端盖厚度相同，磁铁、上铋块和下铋块、上端盖和下端盖、敏感结构以及敏感结构磁铁的厚度依次减小。
所述上端盖的一个表面设有C形凹槽(10)，C形凹槽内部的上端盖表面设有上端盖电容极板(11)，上端盖电容极板包括若干平行布置的矩形金属层，矩形金属层之间的间距为40-60μm；C形凹槽外部设有凸起的上端盖金属密封环(9)，上端盖金属密封环为中空的矩形导电金属层，C形凹槽与上端盖金属密封环之间设置上端盖电接触焊盘(25)，上端盖电接触焊盘包括两个矩形金属层，上端盖电接触焊盘与上端盖电容极板通过导线连接；上端盖上设有4个上端盖连接通孔(21)，对称分布在金属密封环外侧靠近左右边缘处。
所述敏感结构包括敏感结构基板(23)、2组弹簧结构(12)、质量块(16)、敏感结构金属密封环(13)、电信号引出焊盘(14)、敏感结构电容极板(15)、敏感结构电接触焊盘(24)、绝缘层(26)及敏感结构连接通孔(20)，敏感结构基板是矩形硅片，中央为弹簧结构和质量块，弹簧结构包括一个或多个矩形弹簧(19)，2组弹簧结构分布在质量块两侧，弹簧结构的一端与质量块连接，另一端与敏感结构基板连接；弹簧结构和质量块采用深反应离子刻蚀方法在敏感结构基板上穿透刻蚀形成；弹簧结构外侧设有敏感结构金属密封环，敏感结构金属密封环为中空的矩形导电金属层，敏感结构金属密封环与敏感结构基板之间设有与敏感结构金属密封环相同尺寸的中空矩形绝缘层；质量块上设有敏感结构电容极板，敏感结构电容极板与上端盖电容极板组成相同且交错布置；弹簧结构与敏感结构金属密封环之间设有敏感结构电接触焊盘，敏感结构电接触焊盘包括两个矩形金属层，且位置与上端盖电接触焊盘相对应，敏感结构电接触焊盘与上端盖电接触焊盘通过金属焊料连接；敏感结构金属密封环外侧设有电信号引出焊盘，电信号引出焊盘包括一个或多个矩形金属层，敏感结构电容极板通过导线与电信号引出焊盘中的部分矩形金属层连接，敏感结构电接触焊盘通过导线与电信号引出焊盘中未接线的矩形金属层连接；敏感结构基板上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的敏感结构连接通孔。
所述下端盖中央为矩形凹槽(18)，凹槽深度略大于质量块的纵向活动范围，下端盖上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的下端盖连接通孔(22)。
所述的上端盖和下端盖为玻璃，上端盖与敏感结构通过金属焊料键合，下端盖与敏感结构通过焊料或硅-硅键合。
所述上铋块和下铋块上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的铋块连接通孔(8)，上铋块和下铋块的材料为铋。
所述磁铁上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的螺钉孔(27)。
本发明具有以下有益效果：
1)消除重力作用：本发明的封装结构通过两块磁铁间的磁力作用使质量块悬浮在水平位置，大大弱化了因敏感结构中动结构受重力作用而改变电容极板间的间隙引起的精度降低的影响。
2)保护敏感结构：本发明封装结构通过将敏感结构键合在两块玻璃片之间形成一个密封的真空空腔，敏感结构上的弹簧结构和质量块被封装在三明治结构的空腔内，一方面减小了空气阻尼的影响，另一方面避免其受到外界环境影响。
附图说明
图1为本发明封装结构示意图；
图2为本发明封装结构爆炸图；
图3为本发明上端盖结构图；
图4为图3的B-B剖视图；
图5为本发明敏感结构结构图；
图6为图5的A-A剖视图；
图7为本发明下端盖结构图；
图8为本发明上铋块和下铋块结构图；
图9为本发明磁铁结构图。
图中：1-磁铁，2-上铋块，3-上端盖，4-敏感结构，5-下端盖，6-下铋块，7-螺钉，8-铋块连接通孔，9-上端盖金属密封环，10-C型凹槽，11-上端盖电容极板，12-弹簧结构，13-敏感结构金属密封环，14-电信号引出焊盘，15-敏感结构电容极板，16-质量块，17-敏感结构磁铁，18-矩形凹槽，19-矩形弹簧，20-敏感结构连接通孔，21-上端盖连接通孔，22-下端盖连接通孔，23-敏感结构基板，24-敏感结构电接触焊盘，25-上端盖电接触焊盘，26-绝缘层，27-螺钉孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步详细说明。
如图1-2所示，悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构：包括磁铁1、上铋块2、上端盖3、敏感结构4、下端盖5、下铋块6、敏感结构磁铁17以及4个螺钉7，敏感结构位于上端盖和下端盖之间，上端盖的上面和下端盖的下面分别设置上铋块和下铋块，磁铁位于上铋块上方，并与上铋块保持8-12mm的间距，敏感结构磁铁粘接在敏感结构下端面上；上端盖和下端盖与敏感结构键合，磁铁、上铋块、上端盖、敏感结构、下端盖以及下铋块通过4个螺钉连接；所述磁铁、上铋块、上端盖、敏感结构、下端盖、下铋块以及敏感结构磁铁均为矩形平板结构，其中，磁铁、上铋块和下铋块横截面积相同，上端盖和下端盖截面积相同，上端盖和下端盖的横截面积略大于磁铁的横截面积，且小于敏感结构的横截面积，敏感结构磁铁的横截面积最小；上铋块和下铋块厚度相同，上端盖和下端盖厚度相同，磁铁、上铋块和下铋块、上端盖和下端盖、敏感结构以及敏感结构磁铁的厚度依次减小。
如图3-4，所述上端盖的一个表面设有C形凹槽10，C形凹槽内部的上端盖表面设有上端盖电容极板11，上端盖电容极板包括若干平行布置的矩形金属层，矩形金属层之间的间距为40-60μm；C形凹槽外部设有凸起的上端盖金属密封环9，上端盖金属密封环为中空的矩形导电金属层，C形凹槽与上端盖金属密封环之间设置上端盖电接触焊盘25，上端盖电接触焊盘包括两个矩形金属层，上端盖电接触焊盘与上端盖电容极板通过导线连接；上端盖上设有4个上端盖连接通孔21，对称分布在金属密封环外侧靠近左右边缘处。
如图5-6，所述敏感结构包括敏感结构基板23、2组弹簧结构12、质量块16、敏感结构金属密封环13、电信号引出焊盘14、敏感结构电容极板15、敏感结构电接触焊盘24、绝缘层26及敏感结构连接通孔20，敏感结构基板是矩形硅片，中央为弹簧结构和质量块，弹簧结构包括一个或多个矩形弹簧19，2组弹簧结构分布在质量块两侧，弹簧结构的一端与质量块连接，另一端与敏感结构基板连接；弹簧结构和质量块采用深反应离子刻蚀方法在敏感结构基板上穿透刻蚀形成；弹簧结构外侧设有敏感结构金属密封环，敏感结构金属密封环为中空的矩形导电金属层，敏感结构金属密封环与敏感结构基板之间设有与敏感结构金属密封环相同尺寸的中空矩形绝缘层；质量块上设有敏感结构电容极板，敏感结构电容极板与上端盖电容极板组成相同且交错布置；弹簧结构与敏感结构金属密封环之间设有敏感结构电接触焊盘，敏感结构电接触焊盘包括两个矩形金属层，且位置与上端盖电接触焊盘相对应，敏感结构电接触焊盘与上端盖电接触焊盘通过金属焊料连接；敏感结构金属密封环外侧设有电信号引出焊盘，电信号引出焊盘包括一个或多个矩形金属层，敏感结构电容极板通过导线与电信号引出焊盘中的部分矩形金属层连接，敏感结构电接触焊盘通过导线与电信号引出焊盘中未接线的矩形金属层连接；敏感结构基板上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的敏感结构连接通孔。
如图7，所述下端盖中央为矩形凹槽18，凹槽深度略大于质量块的纵向活动范围，下端盖上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的下端盖连接通孔22。
所述的上端盖和下端盖为玻璃，上端盖与敏感结构通过金属焊料键合，下端盖与敏感结构通过焊料或硅-硅键合。
如图8，所述上铋块和下铋块上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的铋块连接通孔8，上铋块和下铋块的材料为铋。
如图9，所述磁铁上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的螺钉孔27。
悬臂式微加速度传感器在检测加速度信号时，质量块受到外界振动的作用产生一个与外界作用力相同方向的加速度，质量块主要沿弹簧的敏感轴方向发生位移，因此质量块上的敏感结构电容极板与上端盖电容极板发生相对位移产生电容变化，通过检测电容变化量实现被测物体加速度的测量。
Claims (7)
1.悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构，其特征在于：包括磁铁(1)、上铋块(2)、上端盖(3)、敏感结构(4)、下端盖(5)、下铋块(6)、敏感结构磁铁(17)以及4个螺钉(7)，敏感结构位于上端盖和下端盖之间，上端盖的上面和下端盖的下面分别设置上铋块和下铋块，磁铁位于上铋块上方，并与上铋块保持8-12mm的间距，敏感结构磁铁粘接在敏感结构下端面上；上端盖和下端盖与敏感结构键合，磁铁、上铋块、上端盖、敏感结构、下端盖以及下铋块通过4个螺钉连接；所述磁铁、上铋块、上端盖、敏感结构、下端盖、下铋块以及敏感结构磁铁均为矩形平板结构，其中，磁铁、上铋块和下铋块横截面积相同，上端盖和下端盖截面积相同，上端盖和下端盖的横截面积略大于磁铁的横截面积，且小于敏感结构的横截面积，敏感结构磁铁的横截面积最小；上铋块和下铋块厚度相同，上端盖和下端盖厚度相同，磁铁、上铋块和下铋块、上端盖和下端盖、敏感结构以及敏感结构磁铁的厚度依次减小。
2.根据权利要求1所述的悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构，其特征在于：所述上端盖的一个表面设有C形凹槽(10)，C形凹槽内部的上端盖表面设有上端盖电容极板(11)，上端盖电容极板包括若干平行布置的矩形金属层，矩形金属层之间的间距为40-60μm；C形凹槽外部设有凸起的上端盖金属密封环(9)，上端盖金属密封环为中空的矩形导电金属层，C形凹槽与上端盖金属密封环之间设置上端盖电接触焊盘(25)，上端盖电接触焊盘包括两个矩形金属层，上端盖电接触焊盘与上端盖电容极板通过导线连接；上端盖上设有4个上端盖连接通孔(21)，对称分布在金属密封环外侧靠近左右边缘处。
3.根据权利要求1所述的悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构，其特征在于：所述敏感结构包括敏感结构基板(23)、2组弹簧结构(12)、质量块(16)、敏感结构金属密封环(13)、电信号引出焊盘(14)、敏感结构电容极板(15)、敏感结构电接触焊盘(24)、绝缘层(26)及敏感结构连接通孔(20)，敏感结构基板是矩形硅片，中央为弹簧结构和质量块，弹簧结构包括一个或多个矩形弹簧(19)，2组弹簧结构分布在质量块两侧，弹簧结构的一端与质量块连接，另一端与敏感结构基板连接；弹簧结构和质量块采用深反应离子刻蚀方法在敏感结构基板上穿透刻蚀形成；弹簧结构外侧设有敏感结构金属密封环，敏感结构金属密封环为中空的矩形导电金属层，敏感结构金属密封环与敏感结构基板之间设有与敏感结构金属密封环相同尺寸的中空矩形绝缘层；质量块上设有敏感结构电容极板，敏感结构电容极板与上端盖电容极板组成相同且交错布置；弹簧结构与敏感结构金属密封环之间设有敏感结构电接触焊盘，敏感结构电接触焊盘包括两个矩形金属层，且位置与上端盖电接触焊盘相对应，敏感结构电接触焊盘与上端盖电接触焊盘通过金属焊料连接；敏感结构金属密封环外侧设有电信号引出焊盘，电信号引出焊盘包括一个或多个矩形金属层，敏感结构电容极板通过导线与电信号引出焊盘中的部分矩形金属层连接，敏感结构电接触焊盘通过导线与电信号引出焊盘中未接线的矩形金属层连接；敏感结构基板上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的敏感结构连接通孔。
4.根据权利要求1所述的悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构，其特征在于：所述下端盖中央为矩形凹槽(18)，凹槽深度略大于质量块的纵向活动范围，下端盖上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的下端盖连接通孔(22)。
5.根据权利要求1所述的悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构，其特征在于：所述的上端盖和下端盖为玻璃，上端盖与敏感结构通过金属焊料键合，下端盖与敏感结构通过焊料或硅-硅键合。
6.根据权利要求1所述的悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构，其特征在于：所述上铋块和下铋块上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的铋块连接通孔(8)，上铋块和下铋块的材料为铋。
7.根据权利要求1所述的悬臂式微加速度传感器自悬浮封装结构，其特征在于：所述磁铁上设有4个位置、大小与上端盖连接通孔相同的螺钉孔(27)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190111 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |