CN112816736A - 应力隔离结构、微机械检测结构及mems惯性测量器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应力隔离结构、微机械检测结构及MEMS惯性测量器件，属于MEMS器件技术领域，应力隔离结构包括锚点，锚点上设有第一应力释放缺口。本发明提供的应力隔离结构、微机械检测结构及MEMS惯性测量器件，通过设置多道应力隔离结构，能够有效减轻芯片内部应力对有效质量的不良影响，解决现有MEMS惯性测量器件无法有效隔离芯片自身应力导致的精度失准的技术问题。

Description

应力隔离结构、微机械检测结构及MEMS惯性测量器件
技术领域
本发明属于MEMS器件技术领域，更具体地说，是涉及一种应力隔离结构、微机械检测结构及MEMS惯性测量器件。
背景技术
MEMS加速度计是一种应用广泛的MEMS器件，其核心结构一般包括锚点、弹性梁、锚点和弹性梁的连接结构、有效质量等部分。锚点固定在衬底上，有效质量通过弹性梁连接在锚点上，有效质量能够响应外部加速度，产生移动从而实现加速度的检测。MEMS加速度计的这种工作原理决定了其对于应力非常敏感，随着外界温度的变化，零偏和标度会发生较大的漂移，导致全温范围内的精度失准。
为了提高MEMS加速度计的性能，可以通过结构设计隔离应力。现有技术中的结构设计一般针对作用在芯片上的外部应力，通过调整锚点位置等手段实现隔离应力的目的。但是对于芯片自身产生的应力没有有效的隔离方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应力隔离结构、微机械检测结构及MEMS惯性测量器件，旨在解决现有MEMS惯性测量器件无法有效隔离芯片自身应力导致的精度失准的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种应力隔离结构，包括锚点，所述锚点上设有第一应力释放缺口。
进一步地，所述所述锚点包括固定部和悬置部，所述固定部位于中央并用于固设在衬底上，所述悬置部呈环形并位于所述固定部外围，所述悬置部连接在所述固定部上，所述固定部和悬置部之间的空隙形成所述第一应力释放缺口。
进一步地，所述锚点上连接有应力释放梁，所述应力释放梁沿敏感轴方向延伸，并且在延伸方向设有若干个第二应力释放缺口。
进一步地，所述悬置部为矩形结构且包括相互垂直的第一边框和第二边框，所述应力释放梁垂直连接在所述第一边框的外壁上，所述固定部通过若干个连接块连接所述第二边框的内壁，实现所述固定部和悬置部的连接。
进一步地，所述第二应力释放缺口呈长条形且沿垂直于敏感轴的方向延伸。
进一步地，所述应力释放梁的数量为四个且分别连接所述第一边框，四个所述应力释放梁以所述锚点为中心对称分布。
进一步地，所述第一应力释放缺口包括与所述第一边框平行的第一矩形孔和与所述第二边框平行的第二矩形孔，所述第二矩形孔位于两个所述连接块之间。
本发明还提供了微机械检测结构，所述微机械检测结构包括上述的应力隔离结构，微机械检测结构还包括弹性梁、有效质量、活动极板和固定极板；
所述弹性梁垂直于所述应力释放梁，所述弹性梁的一端固连所述应力释放梁的伸出端，所述弹性梁的预设变形方向与敏感轴方向一致；
所述有效质量通过所述弹性梁连接所述锚点，所述弹性梁的另一端固连所述有效质量，所述有效质量上设有止挡块，所述止挡块与所述应力释放梁的伸出端相对设置；
所述活动极板连接在所述有效质量上，随所述有效质量移动；
所述固定极板用于固连在衬底上，所述固定极板与所述活动极板相对设置，构成电容单元。
进一步地，所述有效质量上设有第三应力释放缺口，所述第三应力释放缺口位于所述弹性梁和有效质量的连接处。
本发明还提供了MEMS惯性测量器件，所述MEMS惯性测量器件包括上述的微机械检测结构。
本发明提供的应力隔离结构，与现有技术相比，锚点上设有第一应力释放缺口，可以有效隔离芯片自身应力，从而解决现有MEMS惯性测量器件无法有效隔离芯片自身应力导致的精度失准的技术问题。
本发明提供的微机械检测结构，相比于现有技术，包括上述的应力隔离结构，锚点处的应力可以被有效隔离，不会传递至有效质量对其产生不良影响，确保具有较好的检测精度。
本发明提供的MEMS惯性测量器件，相比于现有技术，设有上述的微机械检测结构，能够有效降低芯片内部应力对有效质量的影响，提高全温区的温度性能，减小输出的漂移，具有较好的输出稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的应力隔离结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的应力隔离结构中锚点的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的应力隔离结构中应力释放梁的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的微机械检测结构的结构示意图；
图5为图4中A处的放大视图。
图中：1、锚点；11、第一应力释放缺口；12、第二矩形孔；13、第一矩形孔；14、悬置部；15、第一边框；16、第二边框；17、连接块；18、固定部；2、应力释放梁；21、第二应力释放缺口；3、弹性梁；4、有效质量；41、止挡块；42、第三应力释放缺口；5、活动极板；6、固定极板；7、衬底。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1和图2，现对本发明提供的应力隔离结构进行说明。应力隔离结构包括锚点1，锚点1上设有第一应力释放缺口11。
本发明提供的应力隔离结构，与现有技术相比，锚点1上设有第一应力释放缺口11，可以有效隔离芯片自身应力，从而解决现有MEMS惯性测量器件无法有效隔离芯片自身应力导致的精度失准的技术问题。
锚点1固定在衬底7上，应力释放梁2、弹性梁3和有效质量4均悬挂在锚点1上。发明人在实现本发明的过程中发现，当芯片自身内部产生应力时，会首先通过锚点1传递至有效质量4。因此在锚点1上设置第一应力释放缺口11，作为第一道应力隔离结构。当衬底7和锚点1之间由于应力不匹配产生应力时，应力可以通过第一应力释放缺口11释放掉，达到应力隔离的目的，减小应力对有效质量4的影响，提高检测精度。具体的，第一应力释放缺口11可以是孔状结构，也可以是槽状结构。
需要说明的是，说明书附图中的填充符号仅用于区别各个组成部分，能够更加清楚明了的示意，除此之外没有其它含义；图中箭头X表示敏感轴的方向，本发明提供的应力隔离结构用于单轴加速度计，只能测量一个方向的加速度，理论上加速度计只用于感应敏感轴方向的加速度，其它方向的加速度不会使加速度计产生输出信号。
作为本发明提供的应力隔离结构的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，锚点1包括固定部18和悬置部14，固定部18位于中央并用于固设在衬底7上，悬置部14呈环形并位于固定部18外围，悬置部14连接在固定部18上，固定部18和悬置部14之间的空隙形成第一应力释放缺口11。悬置部14具有一定自由度，可以通过自身的移动消除掉一部分应力，达到应力隔离的目的。具体的，固定部18和悬置部14的形状不限，一般为矩形。
作为本发明提供的应力隔离结构的一种具体实施方式，请参阅图1和图3，锚点1上连接有应力释放梁2，应力释放梁2沿敏感轴方向延伸，并且在延伸方向设有若干个第二应力释放缺口21。应力释放梁2不仅能够连接锚点1和弹性梁3，而且具有释放应力的作用。每个第二应力释放缺口21均构成一道应力隔离结构，防止应力从锚点1上沿应力释放梁2到达弹性梁3，达到应力隔离目的，确保应力不会影响弹性梁3的变形，进而保证有效质量4的精确响应，提高检测精度。图3中第二应力释放缺口21的数量为六个，未能全部用标号指出。
作为本发明提供的应力隔离结构的一种具体实施方式，请参阅图2，悬置部14为矩形结构且包括相互垂直的第一边框15和第二边框16，应力释放梁2垂直连接在第一边框15的外壁上，固定部18通过若干个连接块17连接第二边框的16内壁，实现固定部18和悬置部14的连接。
连接块17作为固定部18和悬置部14的连接点，集中了大部分应力；而连接块17与应力释放梁2连接在不同的边框上，连接块17远离应力释放梁2，不会将应力传递至应力释放梁2，从而达到应力隔离的目的。具体的，连接块17为矩形块，固定部18同样为矩形块，连接块17分布在固定部18的四个端角处。
作为本发明提供的应力隔离结构的一种具体实施方式，请参阅图3，第二应力释放缺口21呈长条形且沿垂直于敏感轴的方向延伸，形成多折叠的结构形式，当锚点1处产生应力时，折叠结构会发生微小变形，减小应力的传递。上述第二应力释放缺口21的设置形式，可以降低应力释放梁2沿自身长度方向的刚度，从而能够适当变形，释放应力，但需要说明的是，在敏感轴方向，应力释放梁2的刚度仍高于弹性梁3，释放应力的同时，不会改变结构的工作模态。应力释放梁2尽可能将锚点1和弹性梁3之间的距离拉长，保证应力在传递过程中得到充分的释放。应力释放梁2的两端分别连接锚点1和弹性梁3，上述折叠结构最好分布在应力释放梁2的两端，以便连接处产生应力时能够得到最快的释放，增强应力隔离效果。
作为本发明提供的应力隔离结构的一种具体实施方式，请参阅图1，应力释放梁2的数量为四个且分别连接第一边框15，四个应力释放梁2以锚点1为中心对称分布。四个应力释放梁2保持独立，互不影响，均能够以最佳状态释放应力，防止锚点1处的应力对有效质量4的影响。应力释放梁2的形状结构不限，其它大刚度、折叠形式的结构也可用于本发明。
作为本发明提供的应力隔离结构的一种具体实施方式，请参阅图2，第一应力释放缺口11包括与第一边框15平行的第一矩形孔13和与第二边框16平行的第二矩形孔12，第二矩形孔12位于两个连接块17之间。第一矩形孔13和第二矩形孔12走向不同，可以释放不同方向、不同部位的应力。
本发明提供的应力隔离结构，通过在锚点1设置第一应力释放缺口11，同时在锚点1上连接应力释放梁2，应力释放梁2上设置多个第二应力释放缺口21，形成了多道应力隔离结构，可有效减少有效质量4受到的应力，提高全温区的温度性能，减小输出的漂移，提高MEMS加速度计输出的稳定性。
本发明还提供了微机械检测结构，如图4和图5所示，该微机械检测结构包括上述的应力隔离结构，微机械检测结构还包括弹性梁3、有效质量4、活动极板5和固定极板6；弹性梁3垂直于应力释放梁2，弹性梁3的一端固连应力释放梁2的伸出端，弹性梁3的预设变形方向与敏感轴方向一致；有效质量4通过弹性梁3连接锚点1，弹性梁3的另一端固连有效质量4，有效质量4上设有止挡块41，止挡块41与应力释放梁2的伸出端相对设置；活动极板5连接在有效质量4上，随有效质量4移动；固定极板6用于固连在衬底7上，固定极板6与活动极板5相对设置，构成电容单元。止挡块41用于限制有效质量4的位移，防止其活动程度过大，导致结构损坏。
本发明提供的微机械检测结构，相比于现有技术，包括上述的应力隔离结构，锚点1处的应力可以被有效隔离，不会传递至有效质量4对其产生不良影响，确保具有较好的检测精度。
微机械检测结构的工作过程为：当敏感轴有加速度输入时，有效质量4受迫运动，带动活动极板5移动，活动极板5与固定极板6之间的距离发生变化，电容单元的数值改变，该数值经过调理电路处理后即可得到所需的加速度值。微机械检测结构通常尺寸在微米级，其敏感结构厚度一般为几十微米，MEMS电容式加速度传感器是最典型的应用之一。
作为本发明提供的微机械检测结构的一种具体实施方式，请参阅图5，有效质量4上设有第三应力释放缺口42，第三应力释放缺口42位于弹性梁3和有效质量4的连接处。第三应力释放缺口42能够释放弹性梁3与有效质量4连接处的应力，进一步减小应力对有效质量4的影响。具体的，第一应力释放缺口11、第二应力释放缺口21和第三应力释放缺口42均不限制形状，未经过创造性劳动得到的能释放应力的形状均在本发明的保护范围内，一般的，可以为孔状结构或槽状结构。
本发明还提供了MEMS惯性测量器件，该MEMS惯性测量器件包括上述的微机械检测结构。
本发明提供的MEMS惯性测量器件，相比于现有技术，设有上述的微机械检测结构，能够有效降低芯片内部应力对有效质量4的影响，提高全温区的温度性能，减小输出的漂移，具有较好的输出稳定性。
MEMS加速度计核心一般为三层结构，本发明提供的微机械检测结构为三层结构的中间层，上下层分别为盖板和衬底7；核心结构封装后加上外部电路，最后装上外壳即可形成可销售的产品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.应力隔离结构，其特征在于，包括锚点，所述锚点上设有第一应力释放缺口。
2.如权利要求1所述的应力隔离结构，其特征在于，所述所述锚点包括固定部和悬置部，所述固定部位于中央并用于固设在衬底上，所述悬置部呈环形并位于所述固定部外围，所述悬置部连接在所述固定部上，所述固定部和悬置部之间的空隙形成所述第一应力释放缺口。
3.如权利要求2所述的应力隔离结构，其特征在于，所述锚点上连接有应力释放梁，所述应力释放梁沿敏感轴方向延伸，并且在延伸方向设有若干个第二应力释放缺口。
4.如权利要求3所述的应力隔离结构，其特征在于，所述悬置部为矩形结构且包括相互垂直的第一边框和第二边框，所述应力释放梁垂直连接在所述第一边框的外壁上，所述固定部通过若干个连接块连接所述第二边框的内壁，实现所述固定部和悬置部的连接。
5.如权利要求3所述的应力隔离结构，其特征在于，所述第二应力释放缺口呈长条形且沿垂直于敏感轴的方向延伸。
6.如权利要求4所述的应力隔离结构，其特征在于，所述应力释放梁的数量为四个且分别连接所述第一边框，四个所述应力释放梁以所述锚点为中心对称分布。
7.如权利要求4所述的应力隔离结构，其特征在于，所述第一应力释放缺口包括与所述第一边框平行的第一矩形孔和与所述第二边框平行的第二矩形孔，所述第二矩形孔位于两个所述连接块之间。
8.微机械检测结构，其特征在于，包括权利要求3至7任一项所述的应力隔离结构，所述微机械检测结构还包括：
弹性梁，垂直于所述应力释放梁，所述弹性梁的一端固连所述应力释放梁的伸出端，所述弹性梁的预设变形方向与敏感轴方向一致；
有效质量，通过所述弹性梁连接所述锚点，所述弹性梁的另一端固连所述有效质量，所述有效质量上设有止挡块，所述止挡块与所述应力释放梁的伸出端相对设置；
活动极板，连接在所述有效质量上，随所述有效质量移动；以及
固定极板，用于固连在衬底上，所述固定极板与所述活动极板相对设置，构成电容单元。
9.如权利要求8所述的微机械检测结构，其特征在于，所述有效质量上设有第三应力释放缺口，所述第三应力释放缺口位于所述弹性梁和有效质量的连接处。
10.MEMS惯性测量器件，其特征在于，包括权利要求8或9所述的微机械检测结构。
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