CN111498792A - 一种mems器件的刚度调节方法 - Google Patents

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郝永存
常洪龙
苑伟政
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    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
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Abstract

本发明公开了一种基于材料热失配的MEMS器件刚度调节方法，属于微机电系统领域。所述MEMS器件包括结构层1和基底层2；结构层1为材料I，其在[TA，TB]温度范围的平均热膨胀系数为αI；基底层2为材料II，其在[TA，TB]温度范围的平均热膨胀系数为αII，且满足αI＜αII；所述结构层1与基底层2在温度TB时键合，然后降温至工作温度TA，且满足TB＞TA；所述结构层1上设计有悬浮结构3，键合后结构层1固定在基底层2上，改变工作温度TA即可实现悬浮结构3的刚度调节，且依据本专利提出的设计准则可使MEMS器件的刚度达到负值。本发明提出的方法可通过调节MEMS器件的工作温度来改变其刚度，与现有技术相比，无需装配步骤且可更精准地对刚度进行动态调节。

Description

一种MEMS器件的刚度调节方法
技术领域
本发明涉及一种基于材料热失配的MEMS器件刚度调节方法，属于微机电系统领域。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)是指采用微加工技术制造微型机械电子系统，在国民经济、军事国防等领域有广泛的应用。MEMS器件种类繁多，结构多样。重力计、振动计等MEMS惯性器件是其中一类，其典型结构包括敏感质量和支撑结构两部分，敏感质量通过支撑结构悬浮，主要工作原理为：外界重力、振动等信号对敏感质量施加外力，引起敏感质量的位移发生变化，通过检测敏感质量的位移量即可获取外界的输入信号。重力计、振动计等对外界信号的敏感度正比于传感器的敏感质量m与固支梁刚度k的比值，因此提升敏感质量和降低刚度成为提升其性能的两个基本途径。由公知可知，梁、膜片等结构在轴向力作用下呈现刚度硬化现象：当结构受到轴向压力时，刚度降低；当受到拉力时，刚度增大。因此可以利用刚度硬化现象来调节MEMS器件的刚度。
2016年格拉斯哥大学在Nature上发表题为“Measurement of the Earth tideswith a MEMS gravimeter”的文章，首次借助重力装配的方法使重力计的支撑梁承受轴向压力，大幅降低重力计的刚度。2017年荷兰国家亚原子物理研究所在MEMS2017国际会议上发表题为“Nano-G accelerometer using geometric anti-springs”的文章，成功通过棘齿装配技术对支撑梁施加轴向压力，使支撑梁失稳处于负刚度状态。在上述两种方法中，器件加工完成后需要装配工序，流程繁琐；且由于装配压力恒定，器件的刚度无法动态调节。
发明内容
本发明的解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于材料热失配的MEMS器件刚度调节方法，即利用不同材料热胀冷缩的差异，对支撑结构施加轴向压力，实现器件的刚度调节。该技术中无需装配工序且刚度可动态调节，为MEMS器件的刚度调节提供新的技术方案。
本发明提出的一种MEMS器件的刚度调节方法，依赖于不同热膨胀系数的异质材料，参见图2，其特征在于：所述MEMS器件包括结构层1和基底层2；结构层1为材料I，其在[TA，TB]温度范围的平均热膨胀系数为αI；基底层2为材料II，其在[TA，TB]温度范围的平均热膨胀系数为αII，且满足αI＜αII；所述结构层1与基底层2在温度TB时键合，然后降温至工作温度TA，且满足TB＞TA；所述结构层1上设计有悬浮结构3，键合后结构层1固定在基底层2上，改变工作温度TA即可实现悬浮结构3的刚度调节，且依据本专利提出的设计准则可使MEMS器件的刚度达到负值。
参见图1，本发明提出的MEMS器件刚度调节方法的原理如下：首先，热膨胀系数不同的异质材料键合；而后，异质材料键合后降温，产生热胀冷缩；热胀冷缩变形量的差异使结构受力；结构受力刚度硬化，导致MEMS器件刚度变化。
参见图2，本发明提出的MEMS器件刚度调节方法的实现过程如下：
在温度TB环境下将结构层1和基底层2进行键合，形成键合体4；此时结构层1与基底层2形成刚性连接，两者之间无应力约束。然后将键合体4由键合温度TB降至工作温度TA。由公知可知，当温度由TB降低至TA时，长度为l的结构层1和基底层2的自由收缩量ΔlI和ΔlII为分别为：
ΔlI＝αI(TB-TA)l \*MERGEFORMAT(1)
ΔlII＝αII(TB-TA)l \*MERGEFORMAT(2)
由于结构层1和基底层2的热膨胀系数满足αI＜αII，在自由状态下，结构层1和基底层2收缩量满足关系：ΔlI＜ΔlII。键合后的结构层1和基底层2刚性连接，迫使结构层1的最终长度l′I和基底层2的最终长度l′n保持一致，导致结构层1承受压力FI，基底层2承受拉力FII，满足关系：
l′I＝l′II \*MERGEFORMAT(3)
FI＝-FII \*MERGEFORMAT(4)
由胡克定理可知，在力FI、FII作用下，结构层1的变形量Δl′I和基底层2的变形量Δl′II分别为：
Figure BDA0002462339100000031
Figure BDA0002462339100000032
其中，EI、EII分别为材料I和材料II的杨氏模量，AI、AII分别为结构层1和基底层2的有效横截面积。
在热胀冷缩效应和外力的作用下，结构层1的最终长度l′I和基底层2的最终长度l′II长度变为：
l′I＝l-ΔlI-Δl′I \*MERGEFORMAT(7)
l′II＝l-ΔlII-Δl′II \*MERGEFORMAT(8)
联立公式(1)-(8)可得：
Figure BDA0002462339100000033
由式(9)易知，当材料I和材料II的杨氏模量(EI、EII)、热膨胀系数(αI、αII)，结构层1和基底层2的有效横截面积(AI、AII)及键合温度(TB)已知后，FI为工作温度TA的函数，在(0，TB)范围内单调递减，且FI＞0。由刚度硬化现象可知，在压力FI作用下悬浮结构3的刚度将降低，且其刚度变化与键合温度TA相关，因此改变键合体4的工作温度TA即可调节MEMS器件的刚度。当压力超过悬浮结构的屈曲压力时，其刚度变为负值。
特别地，当悬浮结构3为双端固支直梁时，在轴向压力FI作用下，梁的刚度K为：
Figure BDA0002462339100000041
其中，I为梁的惯性矩，L为梁长。
将(9)代入(10)可得双端固支直梁刚度K与工作温度TA的关系为：
Figure BDA0002462339100000042
且当
Figure BDA0002462339100000043
时，其刚度为负值。
由以上证明可知，本专利所提出的一种MEMS器件刚度调节方法可通过改变MEM器件的工作温度来动态调节其刚度，且可使刚度达到负值。
本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于材热失配的刚度调节方法可通过调节MEMS器件的工作温度来改变其刚度，与现有技术相比，无需装配步骤且可更精准地对刚度进行动态调节。
附图说明
图1为本发明提出的一种MEMS器件刚度调节方法的原理图。
图2为本发明提出的一种MEMS器件刚度调节方法的实现过程示意图。
图中，1-结构层，2-基底层，3-悬浮结构，4-键合体。
图3为具体实施例中悬浮结构为双端固支直梁形式的MEMS器件示意图。
图中，1-结构层，2-基底层，5-双端固支直梁，4-键合体。
具体实施方式
本实施例中给出一种悬浮结构为双端固支直梁形式的MEMS器件刚度与工作温度的函数关系。参见图3，实施例中结构层1为硅材料，杨氏模量EI为169GPa，平均热膨胀系数αI为3.3ppm/K；基底层2为肖特D263玻璃，杨氏模量EII为73GPa，平均热膨胀系数αII为7.2ppm/K；结构层1的有效横截面积AI等于双端固支直梁5宽度与高度的乘积20μm×50μm；基底层2的有效横截面积AII为其本身宽度与高度的乘积50μm×400μm；位于结构层1上的双端固支直梁5长度L为540μm，惯性矩I为(20μm)3×50μm/12；本实施例中硅和肖特D263在350℃温度下进行阳极键合，形成键合体4。由公式(11)可推出所述双端固支直梁5的刚度K与工作温度TA的关系为：
K≈1.33TA-36.2 \*MERGEFORMAT(12)
由式(12)可知，双端固支直梁5的刚度K与工作温度TA成正比。当工作温度大于27℃时，双端固支直梁5的刚度为正值；当工作温度为27℃时，双端固支直梁5的刚度为零；当工作温度小于27℃时，双端固支直梁5的刚度为负值。以上证明本专利所提出的MEMS器件刚度调节方法可通过控制工作温度来动态调节MEMS器件的刚度。
本专利中的材料类型、结构层数、键合方法、悬浮结构等不局限于以上实施例中的形式，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (1)

1.一种MEMS器件的刚度调节方法，其特征在于：所述MEMS器件包括结构层1和基底层2；结构层1为材料I，其在[TA，TB]温度范围的平均热膨胀系数为αI；基底层2为材料II，其在[TA，TB]温度范围的平均热膨胀系数为αII，且满足αI＜αII；所述结构层1与基底层2在温度TB时键合，然后降温至工作温度TA，且满足TB＞TA；所述结构层1上设计有悬浮结构3，键合后结构层1固定在基底层2上，改变工作温度TA实现悬浮结构3的刚度调节；所述刚度可调节达到负刚度值。
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