CN117699731A - 一种mems谐振式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS谐振式传感器，包括从下到上依次连接的封装管壳、第一贴片胶、封装级应力隔离结构、第二贴片胶和MEMS谐振式传感器敏感芯片；封装级应力隔离结构包括应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块和应力隔离弹性梁；应力隔离外层安装框架底面设置安装凸台，通过贴片胶固定在封装管壳基底上；应力隔离内层安装底块设置有贴片凸台，用于粘接固定MEMS谐振式传感器敏感芯片；应力隔离弹性梁用于连接内层安装底块与外层安装框架，起到机械滤波器作用，隔离应力传递。本发明大大降低了封装管壳与敏感芯片之间的应力传递，降低了谐振式传感器敏感芯片振动能量通过封装管壳的固支能量损耗，保持高品质因数，具有成本低、易于批量加工等特点。

Description

一种MEMS谐振式传感器

技术领域

本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种MEMS谐振式传感器。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)是集成微传感器、微执行器、信号处理和通信接口的微型器件或为系统，实现对力、热、声、光、磁等物理量的感知、变换、处理和控制，随着物联网、人工智能等高新技术的迅猛发展，已成为重要的科技领域之一。

基于MEMS的谐振式传感器多采用多晶硅、石英晶体、SiC、磷酸镓等材料，利用MEMS加工工艺实现敏感结构制备，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠度高，易于批量生产，且与集成电路(IC)工艺兼容度高，重要的是，谐振式传感器基于敏感结构谐振式工作原理，以谐振频率的变化表征被测物理量的大小及方向，具有很高的测量精度和优良的长期稳定性，如MEMS谐振式压力传感器、MEMS谐振式加速度传感器、MEMS谐振式陀螺仪、MEMS谐振式温度传感器等典型传感器，在国防领域及民用领域均有广泛应用前景。

对于高精度MEMS谐振式传感器而言，性能指标的长期稳定性是决定传感器性能优劣的关键。而影响传感器长期稳定性的因素分为外界因素和内在因素。外界因素包括使用环境的温度、湿度、气压、振动等以及传感器的安装条件，内在因素包括内部器件制备过程中加工材料残余应力、器件与封装管壳之间因材料热膨胀系数失配导致的封装应力，其中封装应力是影响传感器测量精度与长期稳定性的关键，也是影响传感器可靠性的重要因素。当外界环境温度变化时，封装管壳与敏感器件因热膨胀系数不一致，在连接处产生热失配应力，该应力传递至器件结构内部，引起结构变形和应力集中，导致谐振频率发生变化，信号调理无法识别该谐振频率变化是由被测物理量变化引起还是由应力干扰引起，造成测量误差。因此，通过设计合理的隔离结构，实现谐振式传感器器件封装级应力的隔离，对于确保谐振式传感器测量精度和长期稳定性具有关键作用，同时对于保证小体积的封装、易于批量化生产也起到重要作用，对于其他MEMS传感器芯片的应力隔离及集成化也具有重要参考意义。

中国专利CN 115010082A公布了一种MEMS加速度传感器的隔离应力结构，包括隔离应力弹簧、隔离应力框架锚点、隔离应力框架等结构，隔离应力框架一端通过锚点与基板连接，另一端通过折叠梁与可动梳齿连接。整体结构为一体式，较为复杂。

中国专利CN 113371668A公布了一种MEMS加速度计低应力集成封装结构及方法，MEMS加速度计芯片直接粘接固定在管壳基底上，采用倒U型盖板作为应力隔离框架跨在MEMS加速度计芯片上，并与管壳基底相粘接，ASIC芯片粘接在应力隔离框架上表面，实现了MEMS加速度计芯片与ASIC芯片堆叠式封装。

中国专利CN 116332118A公布了一种应用于MEMS力敏传感器的封装级应力隔离结构，采用MEMS工艺深刻蚀一体加工成型，外框架、内框架与阵列支撑位于同一平面内，阵列支撑采用蜂窝状正六边形，对称分布在外框架与内框架之间。

但是现有技术都不能解决针对MEMS谐振式传感器敏感芯片封装时残余应力对测量精度和长期稳定性的影响、热膨胀系数失配导致测量误差等问题，因此，需要一种可降低封装管壳与敏感芯片之间的应力传递的MEMS谐振式传感器。

发明内容

本发明是为了解决MEMS谐振式传感器敏感芯片封装时残余应力影响测量精度和长期稳定性、热膨胀系数失配导致测量误差的问题，提供一种MEMS谐振式传感器，通过设计MEMS谐振式传感器敏感芯片的封装级应力隔离结构，大大降低了封装管壳与敏感芯片之间的应力传递，降低了谐振式传感器敏感芯片振动能量通过封装管壳的固支能量损耗，保持高品质因数，结构具有成本低、易于批量加工等特点。

本发明提供一种MEMS谐振式传感器，包括从下到上依次连接的封装管壳、第一贴片胶、封装级应力隔离结构、第二贴片胶和MEMS谐振式传感器敏感芯片；

封装级应力隔离结构包括应力隔离外层安装框架，设置在应力隔离外层安装框架内部的应力隔离内层安装底块，连接应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块的应力隔离弹性梁，设置在应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块、应力隔离弹性梁之间的应力衰减区，连接在应力隔离内层安装底块上部的敏感芯片贴片凸台和连接在应力隔离外层安装框架底部的安装凸台；

应力衰减区为通孔结构，封装管壳与安装凸台之间通过第一贴片胶相连，MEMS谐振式传感器敏感芯片通过第二贴片胶与敏感芯片贴片凸台相连；

封装管壳与应力隔离外层安装框架通过第一贴片胶相连，MEMS谐振式传感器敏感芯片与应力隔离内层安装底块通过第二贴片胶相连；

应力隔离弹性梁隔离应力隔离内层安装底块与应力隔离外层安装框架之间的应力传递。

本发明所述的一种MEMS谐振式传感器，作为优选方式，封装级应力隔离结构为平面内具有二维轴对称特性的几何结构，对称轴包括横轴、纵轴及对角线所在轴线；

应力隔离弹性梁包括与应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块均垂直且对称分布的平行方向弹性梁和连接在应力隔离外层安装框架内夹角与应力隔离内层安装底块对应夹角之间的对角方向弹性梁；

平行方向弹性梁的顶面、对角方向弹性梁的顶面、应力隔离外层安装框架的顶面和应力隔离内层安装底块的顶面位于同一平面上；

应力衰减区为设置在应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块、平行方向弹性梁和对角方向弹性梁之间的通孔。

本发明所述的一种MEMS谐振式传感器，作为优选方式，封装级应力隔离结构为使用MEMS加工的一体式结构，封装级应力隔离结构的材质与MEMS谐振式传感器敏感芯片相同。

本发明所述的一种MEMS谐振式传感器，作为优选方式，封装级应力隔离结构的材质为石英；

封装管壳的膨胀系数接近石英，封装管壳可为可伐合金。

本发明所述的一种MEMS谐振式传感器，作为优选方式，应力隔离内层安装底块的顶面与应力隔离外层安装框架平齐，应力隔离内层安装底块的厚度小于应力隔离外层安装框架的厚度。

本发明所述的一种MEMS谐振式传感器，作为优选方式，应力隔离外层安装框架为正方形结构；

应力隔离内层安装底块的厚度为应力隔离外层安装框架厚度的1/2。

本发明所述的一种MEMS谐振式传感器，作为优选方式，应力隔离弹性梁的截面为矩形或H形或U形，应力隔离弹性梁对称分布、轴向与平行方向弹性梁轴向夹角为45°、厚度与应力隔离内层安装底块厚度相同、截面横向宽度为厚度的1～3倍，应力隔离弹性梁通过MEMS刻蚀工艺刻蚀制备。

本发明所述的一种MEMS谐振式传感器，作为优选方式，安装凸台和敏感芯片贴片凸台均呈轴对称式分布；

安装凸台的数量为4个且位于应力隔离弹性梁与应力隔离外层安装框架连接处中间位置，安装凸台的高度小于应力隔离外层安装框架厚度的1/3；

敏感芯片贴片凸台的数量为2～4个、且对称分布。

本发明所述的一种MEMS谐振式传感器，作为优选方式，MEMS谐振式传感器使用时，当封装管壳受环境因素引起热应力，封装管壳经过安装凸台传递至应力隔离外层安装框架，进而经过应力隔离外层安装框架传递至应力隔离弹性梁，应力隔离弹性梁和应力衰减区将应力进行衰减或阻断后传递至应力隔离内层安装底块再经过敏感芯片贴片凸台传递至MEMS谐振式传感器敏感芯片。

本发明所述的一种MEMS谐振式传感器，作为优选方式，封装级应力隔离结构和MEMS谐振式传感器敏感芯片之间也可通过键合方式连接；

第一贴片胶为软胶，第二贴片胶为硬胶；

MEMS谐振式传感器的加工方法包括以下步骤：

S1、通过MEMS方法加工得到封装级应力隔离结构；

S2、第一贴片胶通过点胶方式置于安装凸台上，再将第一贴片胶与封装管壳固定，固定封装管壳基底时应使封装级应力隔离结构与封装管壳基底平行；

S3、在封装级应力隔离结构顶面的敏感芯片贴片凸台上点第二贴片胶，将MEMS谐振式传感器敏感芯片通过第二贴片胶固定在敏感芯片贴片凸台上；MEMS谐振式传感器敏感芯片固定时外轮廓棱边与封装级应力隔离结构边缘平行，且MEMS谐振式传感器敏感芯片的底面与封装级应力隔离结构顶面平行，MEMS谐振式传感器加工完成。

本发明提供了一种MEMS谐振式传感器敏感芯片，其中包括封装级应力隔离结构。该封装级应力隔离结构包括应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块和应力隔离弹性梁。其中应力隔离外层安装框架底面设置安装凸台，通过贴片胶固定在封装管壳基底上；应力隔离内层安装底块设置有贴片凸台，用于粘接固定MEMS谐振式传感器敏感芯片；应力隔离弹性梁用于连接内层安装底块与外层安装框架，起到机械滤波器作用，隔离应力传递。本发明公开的用于MEMS谐振式传感器敏感芯片的封装级应力隔离结构，可有效降低残余应力及热应力的传递，降低谐振器固支能量损耗，保持高品质因数，提升测量精度和长期稳定性。该结构采用MEMS工艺、一体式加工制备，具有加工方便、体积小、成本低、适宜批量制备等优势，可广泛用于MEMS谐振式传感器敏感芯片及其他芯片的集成封装。

本发明的技术方案是：

一种MEMS谐振式传感器用封装级应力隔离结构，包括应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块、应力隔离弹性梁；其中应力隔离外层安装框架与应力隔离内层安装底块通过应力隔离弹性梁连接；整体应力隔离结构为一体式结构，通过MEMS工艺制备而成；整体应力隔离结构在平面内呈轴对称分布。

应力隔离结构为一体式结构，采用MEMS工艺刻蚀而成，材料选用与谐振式传感器敏感芯片材质相同的材料，保证热膨胀系数的一致性，降低热失配引起的应力传递。

应力隔离结构为平面内具有二维轴对称特性的几何结构，对称轴包括横轴、纵轴及对角线所在轴线。

所述应力隔离外层安装框架为方形结构，中间开孔，形成框式结构；所述应力隔离外层安装框架底面设置安装凸台，凸台数量为4，分别布置在框架两侧，且在两处应力隔离弹性梁与应力隔离外层安装框架连接处中间位置，凸台高度一般不超过安装框架厚度的1/3。

应力隔离内层安装底块一般为方形结构，安装底块顶面设置有贴片凸台用于粘接安装MEMS谐振式传感器敏感芯片，凸台数量一般为2～4个，呈轴对称式分布，且安装底块顶面与应力隔离外层安装框架顶面平齐，在同一平面内；安装底块底面利用MEMS刻蚀工艺刻蚀一定深度的深腔，刻蚀深度一般为外层安装框架厚度的1/2。

应力隔离弹性梁用于连接应力隔离外层安装框架和应力隔离内层安装底块，平面内呈轴对称式分布，包括平行弹性梁和对角弹性梁；所述应力隔离弹性梁与应力隔离内层安装底块厚度相等，利用MEMS刻蚀工艺刻蚀制备；所述应力隔离弹性梁截面可以为矩形，或者H形、U形等，截面横向宽度尺寸为厚度的1～3倍。

对角弹性梁用于连接应力隔离外层安装框架内角和应力隔离内层安装底块的相对应的顶角；所述对角弹性梁数量为4，呈对称式分布，梁的轴向与平面对称轴呈45°，且弹性梁截面呈矩形，或者H形、U形等，其厚度与应力隔离内层安装底块厚度相同，截面横向宽度尺寸为厚度的1～3倍。所述对角弹性梁顶面与应力隔离内层安装底块顶面、应力隔离外层安装框架顶面处于同一平面。

MEMS谐振式传感器用封装级应力隔离结构与MEMS谐振式传感器敏感芯片、封装管壳通过粘接固定形成叠层式整体结构，其中MEMS谐振式传感器敏感芯片通过粘接固定在应力隔离内层安装底块顶面凸台上，应力隔离外层安装框架通过底面安装凸台粘接在封装管壳上，形成封装后的敏感结构。

本发明具有以下优点：

(1)本发明中提出的封装级应力隔离结构，设计包括应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块和应力隔离弹性梁。其中应力隔离内层安装底块用于粘接固定MEMS谐振式传感器敏感芯片，应力隔离弹性梁用于隔离内层安装底块与外层安装框架之间的应力传递，起到机械滤波器效果；同时，平行方向弹性梁与对角方向弹性梁的设计能够提高隔离结构的刚度和强度，提高抗振动和冲击环境的能力，避免谐振放大。

(2)本发明中封装级应力隔离结构采用MEMS工艺一体式加工制备，避免了复杂的装配工艺；材料选用与MEMS谐振式传感器敏感芯片相同材质，保证了热性能的一致性，有效避免了热失配引起的封装应力。

(3)本发明中提出的一种MEMS谐振式传感器具有体积小、重量轻、成本低、适于批量制备，用于谐振式传感器敏感芯片集成封装，提高测量精度和长期稳定性，其他MEMS传感器也可参考使用。

附图说明

图1为一种MEMS谐振式传感器的剖面示意图；

图2为一种MEMS谐振式传感器的封装级应力隔离结构顶面结构示意图；

图3为一种MEMS谐振式传感器的封装级应力隔离结构底面示意图；

图4为一种MEMS谐振式传感器的封装级应力隔离结构热应力仿真分析结果。

附图标记：

1、封装管壳；2、第一贴片胶；3、封装级应力隔离结构；31、应力隔离外层安装框架；32、应力隔离内层安装底块；33、应力隔离弹性梁；331、平行方向弹性梁；332、对角方向弹性梁；34、应力衰减区；35、敏感芯片贴片凸台；36、安装凸台；4、第二贴片胶；5、MEMS谐振式传感器敏感芯片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1～4所示，一种MEMS谐振式传感器包括从下到上依次连接的封装管壳1、第一贴片胶2、封装级应力隔离结构3、第二贴片胶4和MEMS谐振式传感器敏感芯片5；

封装级应力隔离结构3包括应力隔离外层安装框架31，设置在应力隔离外层安装框架31内部的应力隔离内层安装底块32，连接应力隔离外层安装框架31、应力隔离内层安装底块32的应力隔离弹性梁33，设置在应力隔离外层安装框架31、应力隔离内层安装底块32、应力隔离弹性梁33之间的应力衰减区34，连接在应力隔离内层安装底块32上部的敏感芯片贴片凸台35和连接在应力隔离外层安装框架31底部的安装凸台36；

应力衰减区34为通孔结构，封装管壳1与安装凸台36之间通过第一贴片胶2相连，MEMS谐振式传感器敏感芯片5通过第二贴片胶4与敏感芯片贴片凸台35相连；

封装管壳1与应力隔离外层安装框架31通过第一贴片胶2相连，MEMS谐振式传感器敏感芯片5与应力隔离内层安装底块32通过第二贴片胶4相连；

应力隔离弹性梁33隔离应力隔离内层安装底块32与应力隔离外层安装框架31之间的应力传递；

封装级应力隔离结构3为平面内具有二维轴对称特性的几何结构，对称轴包括横轴、纵轴及对角线所在轴线；

应力隔离弹性梁33包括与应力隔离外层安装框架31、应力隔离内层安装底块32均垂直且对称分布的平行方向弹性梁331和连接在应力隔离外层安装框架31内夹角与应力隔离内层安装底块32对应夹角之间的对角方向弹性梁332；

平行方向弹性梁331的顶面、对角方向弹性梁332的顶面、应力隔离外层安装框架31的顶面和应力隔离内层安装底块32的顶面位于同一平面上；

应力衰减区34为设置在应力隔离外层安装框架31、应力隔离内层安装底块32、平行方向弹性梁331和对角方向弹性梁332之间的通孔；

封装级应力隔离结构3为使用MEMS加工的一体式结构，封装级应力隔离结构3的材质与MEMS谐振式传感器敏感芯片5相同；

封装级应力隔离结构3的材质为石英；

封装管壳1可为可伐合金；

应力隔离内层安装底块32的顶面与应力隔离外层安装框架31平齐，应力隔离内层安装底块32的厚度小于应力隔离外层安装框架31的厚度；

应力隔离外层安装框架31为正方形结构；

应力隔离内层安装底块32的厚度为应力隔离外层安装框架31厚度的1/2。；

应力隔离弹性梁33的截面为矩形或H形或U形，应力隔离弹性梁33对称分布、轴向与平行方向弹性梁331轴向夹角为45°、厚度与应力隔离内层安装底块32厚度相同、截面横向宽度为厚度的1～3倍，应力隔离弹性梁33通过MEMS刻蚀工艺刻蚀制备；

安装凸台36和敏感芯片贴片凸台35均呈轴对称式分布；

安装凸台36的数量为4个且位于应力隔离弹性梁3与应力隔离外层安装框架1连接处中间位置，安装凸台36的高度小于应力隔离外层安装框架31厚度的1/3；

敏感芯片贴片凸台35的数量为2～4个、且对称分布；

MEMS谐振式传感器使用时，当封装管壳1受环境因素引起热应力，封装管壳1经过安装凸台36传递至应力隔离外层安装框架31，进而经过应力隔离外层安装框架31传递至应力隔离弹性梁33，应力隔离弹性梁33和应力衰减区34将应力进行衰减或阻断后传递至应力隔离内层安装底块32再经过敏感芯片贴片凸台35传递至MEMS谐振式传感器敏感芯片5；

封装级应力隔离结构3和MEMS谐振式传感器敏感芯片5之间也可通过键合方式连接；

第一贴片胶2为软胶，第二贴片胶4为硬胶；

MEMS谐振式传感器的加工方法包括以下步骤：

S1、通过MEMS方法加工得到封装级应力隔离结构3；

S2、第一贴片胶2通过点胶方式置于安装凸台36上，再将第一贴片胶2与封装管壳1固定，固定封装管壳1基底时应使封装级应力隔离结构3与封装管壳1基底平行；

S3、在封装级应力隔离结构3顶面的敏感芯片贴片凸台35上点第二贴片胶4，将MEMS谐振式传感器敏感芯片5通过第二贴片胶4固定在敏感芯片贴片凸台35上；MEMS谐振式传感器敏感芯片5固定时外轮廓棱边与封装级应力隔离结构8边缘平行，且MEMS谐振式传感器敏感芯片5的底面与封装级应力隔离结构3顶面平行，MEMS谐振式传感器加工完成。

图2为本发明实施例提供的MEMS谐振式传感器用封装级应力隔离结构的顶面侧结构示意图。该应力隔离结构包括：应力隔离外层安装框架31、应力隔离内层安装底块32、应力隔离弹性梁33、敏感芯片贴片凸台35。

图3为本发明实施例1提供的MEMS谐振式传感器用封装级应力隔离结构的底面侧结构示意图。该应力隔离结构包括：应力隔离外层安装框架31、应力隔离内层安装底块32、应力隔离弹性梁33、安装凸台36。

应力隔离外层安装框架31为方形结构，中间开孔，形成框式结构；底面设置安装凸台36，凸台数量为4，分别布置在框架两侧，且在两处应力隔离弹性梁33与应力隔离外层安装框架31连接处中间位置，凸台高度一般不超过安装框架厚度的1/3。

应力隔离内层安装底块32为方形结构，应力隔离内层安装底块32顶面设置有敏感芯片贴片凸台35用于粘接安装MEMS谐振式传感器敏感芯片，凸台数量一般为2～4个，呈轴对称式分布，且应力隔离内层安装底块32顶面与应力隔离外层安装框架31顶面平齐，在同一平面内；应力隔离内层安装底块32底面利用MEMS刻蚀工艺刻蚀一定深度的深腔，刻蚀深度一般为应力隔离外层安装框架31厚度的1/2。

应力隔离外层安装框架31与应力隔离内层安装底块32之间通过应力隔离弹性梁33连接，应力隔离弹性梁33包括平行弹性梁和对角弹性梁；应力隔离外层安装框架31与应力隔离内层安装底块32之间的距离由应力隔离弹性梁33的长度决定，一般为应力隔离外层安装框架31宽度尺寸的1/6～1/8。

可以理解，应力隔离弹性梁33截面形状不限于实施例图示中的矩形，也可以为H形截面、U形截面等形式，实施例中截面横向宽度尺寸为2倍厚度尺寸。

参考图2所示中敏感芯片贴片凸台35用于粘接固定MEMS谐振式传感器敏感芯片5，也可采用键合方式。

参考图3所示中安装凸台36用于将应力隔离结构粘接固定在封装管壳1上。

本发明图示2、图示3中所示敏感芯片贴片凸台35为圆形、安装凸台36为方形，本发明不限于图示形式，可以根据实际应用需要设定不同形式、不同数量，优选平面内呈轴对称分布且与应力隔离外层安装框架31对称轴重合。

图1所示为本发明实施例1提供的MEMS谐振式传感器封装的结构剖面示意图。传感器包括封装管壳1、封装级应力隔离结构3、MEMS谐振式传感器敏感芯片5及第一贴片胶2、第二贴片胶4。

封装级应力隔离结构3材料为石英晶体，在底面安装凸台36上点胶第一贴片胶2，然后粘接固定在封装管壳1的基底上；安装凸台36在封装管壳1基底上粘接位置应对称、居中分布；第一贴片胶2优先选用软胶，即弹性模量较低的贴片胶；第一贴片胶2应通过点胶方式置于安装凸台36，固定在封装管壳1基底时应使封装级应力隔离结构3与封装管壳1基底平行，避免倾斜。

封装级应力隔离结构3在顶面敏感芯片贴片凸台35上点胶第二贴片胶4，将MEMS谐振式传感器敏感芯片5通过第二贴片胶4固定在敏感芯片贴片凸台35；第二贴片胶4优先选用硬胶，即弹性模量较高的贴片胶；MEMS谐振式传感器敏感芯片5固定时外轮廓棱边与封装级应力隔离结构3边缘平行，且MEMS谐振式传感器敏感芯片5底面与封装级应力隔离结构3顶面平行。

封装管壳1材料优先选用与石英晶体热膨胀系数接近的材质，如可伐合金，但不限于所优选材料。

通过上述实例，MEMS谐振式传感器敏感芯片5、封装级应力隔离结构3与封装管壳1形成多层叠层式传感器结构，其中封装级应力隔离结构3对封装管壳1受环境因素引起的应力起到阻断、衰减的作用，有效隔离了残余应力向MEMS谐振式传感器敏感芯片5的传递，保证了MEMS谐振式传感器的测量精度和长期稳定性。

需要指出的是，本发明实施例中MEMS谐振式传感器敏感芯片5并非仅指某一种特定传感器敏感芯片，可以为加速度、角速度、压力、温度等物理量的传感器芯片。作为具体实施例，图3所示实例中MEMS谐振式传感器敏感芯片5为石英谐振式加速度传感器敏感芯片。

图1以现有石英谐振式加速度传感器敏感芯片为例，封装管壳1尺寸为15mm×15mm，厚度为1.2mm；应力隔离外层安装框架31尺寸为10mm×10mm，厚度为1mm。

图4为实施例热应力仿真分析结果，彩色应力云图中，封装管壳1的热应力仿真结果为红色，安装凸台36的热应力仿真结果为黄色，应力隔离外层安装框架31的热应力仿真结果为绿色，至应力隔离内层安装底块32的热应力仿真结果为蓝绿色，MEMS谐振式传感器敏感芯片5的热应力仿真结果为蓝色；

由应力云图可以发现，热应力主要集中在封装管壳1、安装凸台36和应力隔离外层安装框架31。封装管壳1产生的热应力经过安装凸台36传递至应力隔离外层安装框架31，进而经过应力隔离弹性梁33传递至应力隔离内层安装底块32；应力隔离弹性梁33对热应力起到隔离、衰减作用，传递至应力隔离内层安装底块32上的应力已大幅衰减；进一步地经过敏感芯片贴片凸台35传递至MEMS谐振式传感器敏感芯片5。依据仿真结果，最终传递至MEMS谐振式传感器敏感芯片5的应力仅为封装管壳1上初始应力的10％，有效隔离了90％的残余热应力。

可见，本发明提供的应力隔离结构可以满足高精度MEMS谐振式传感器敏感芯片设计要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS谐振式传感器，其特征在于：包括从下到上依次连接的封装管壳(1)、第一贴片胶(2)、封装级应力隔离结构(3)、第二贴片胶(4)和MEMS谐振式传感器敏感芯片(5)；

所述封装级应力隔离结构(3)包括应力隔离外层安装框架(31)，设置在所述应力隔离外层安装框架(31)内部的应力隔离内层安装底块(32)，连接所述应力隔离外层安装框架(31)、所述应力隔离内层安装底块(32)的应力隔离弹性梁(33)，设置在所述应力隔离外层安装框架(31)、所述应力隔离内层安装底块(32)、所述应力隔离弹性梁(33)之间的应力衰减区(34)，连接在所述应力隔离内层安装底块(32)上部的敏感芯片贴片凸台(35)和连接在所述应力隔离外层安装框架(31)底部的安装凸台(36)；

所述应力衰减区(34)为通孔结构，所述封装管壳(1)与所述安装凸台(36)之间通过所述第一贴片胶(2)相连，所述MEMS谐振式传感器敏感芯片(5)通过所述第二贴片胶(4)与所述敏感芯片贴片凸台(35)相连；

所述封装管壳(1)与所述应力隔离外层安装框架(31)通过所述第一贴片胶(2)相连，所述MEMS谐振式传感器敏感芯片(5)与所述应力隔离内层安装底块(32)通过所述第二贴片胶(4)相连；

所述应力隔离弹性梁(33)隔离所述应力隔离内层安装底块(32)与所述应力隔离外层安装框架(31)之间的应力传递。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS谐振式传感器，其特征在于：所述封装级应力隔离结构(3)为平面内具有二维轴对称特性的几何结构，对称轴包括横轴、纵轴及对角线所在轴线；

所述应力隔离弹性梁(33)包括与所述应力隔离外层安装框架(31)、所述应力隔离内层安装底块(32)均垂直且对称分布的平行方向弹性梁(331)和连接在所述应力隔离外层安装框架(31)内夹角与所述应力隔离内层安装底块(32)对应夹角之间的对角方向弹性梁(332)；

所述平行方向弹性梁(331)的顶面、所述对角方向弹性梁(332)的顶面、所述应力隔离外层安装框架(31)的顶面和所述应力隔离内层安装底块(32)的顶面位于同一平面上；

所述应力衰减区(34)为设置在所述应力隔离外层安装框架(31)、所述应力隔离内层安装底块(32)、所述平行方向弹性梁(331)和所述对角方向弹性梁(332)之间的通孔。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS谐振式传感器，其特征在于：所述封装级应力隔离结构(3)为使用MEMS加工的一体式结构，所述封装级应力隔离结构(3)的材质与所述MEMS谐振式传感器敏感芯片(5)相同。

4.根据权利要求3所述的一种MEMS谐振式传感器，其特征在于：所述封装级应力隔离结构(3)的材质为石英；

所述封装管壳(1)的膨胀系数接近石英，所述封装管壳(1)可为可伐合金。

5.根据权利要求1所述的一种MEMS谐振式传感器，其特征在于：所述应力隔离内层安装底块(32)的顶面与所述应力隔离外层安装框架(31)平齐，所述应力隔离内层安装底块(32)的厚度小于所述应力隔离外层安装框架(31)的厚度。

6.根据权利要求5所述的一种MEMS谐振式传感器，其特征在于：所述应力隔离外层安装框架(31)为正方形结构；

所述应力隔离内层安装底块(32)的厚度为所述应力隔离外层安装框架(31)厚度的1/2。

7.根据权利要求1所述的一种MEMS谐振式传感器，其特征在于：所述应力隔离弹性梁(33)的截面为矩形或H形或U形，所述应力隔离弹性梁(33)对称分布、轴向与所述平行方向弹性梁(331)轴向夹角为45°、厚度与所述应力隔离内层安装底块(32)厚度相同、截面横向宽度为厚度的1～3倍，所述应力隔离弹性梁(33)通过MEMS刻蚀工艺刻蚀制备。

8.根据权利要求1所述的一种MEMS谐振式传感器，其特征在于：所述安装凸台(36)和所述敏感芯片贴片凸台(35)均呈轴对称式分布；

所述安装凸台(36)的数量为4个且位于所述应力隔离弹性梁(3)与所述应力隔离外层安装框架(1)连接处中间位置，所述安装凸台(36)的高度小于所述应力隔离外层安装框架(31)厚度的1/3；

所述敏感芯片贴片凸台(35)的数量为2～4个、且对称分布。

9.根据权利要求1所述的一种MEMS谐振式传感器，其特征在于：所述MEMS谐振式传感器使用时，当所述封装管壳(1)受环境因素引起热应力，所述封装管壳(1)经过所述安装凸台(36)传递至所述应力隔离外层安装框架(31)，进而经过所述应力隔离外层安装框架(31)传递至所述应力隔离弹性梁(33)，所述应力隔离弹性梁(33)和所述应力衰减区(34)将应力进行衰减或阻断后传递至所述应力隔离内层安装底块(32)再经过所述敏感芯片贴片凸台(35)传递至所述MEMS谐振式传感器敏感芯片(5)。

10.根据权利要求1所述的一种MEMS谐振式传感器，其特征在于：所述封装级应力隔离结构(3)和所述MEMS谐振式传感器敏感芯片(5)之间也可通过键合方式连接；

所述第一贴片胶(2)为软胶，所述第二贴片胶(4)为硬胶；

MEMS谐振式传感器的加工方法包括以下步骤：

S1、通过MEMS方法加工得到所述封装级应力隔离结构(3)；

S2、所述第一贴片胶(2)通过点胶方式置于所述安装凸台(36)上，再将所述第一贴片胶(2)与所述封装管壳(1)固定，固定所述封装管壳(1)基底时应使所述封装级应力隔离结构(3)与所述封装管壳(1)基底平行；

S3、在所述封装级应力隔离结构(3)顶面的敏感芯片贴片凸台(35)上点所述第二贴片胶(4)，将所述MEMS谐振式传感器敏感芯片(5)通过所述第二贴片胶(4)固定在所述敏感芯片贴片凸台(35)上；所述MEMS谐振式传感器敏感芯片(5)固定时外轮廓棱边与所述封装级应力隔离结构(8)边缘平行，且所述MEMS谐振式传感器敏感芯片(5)的底面与所述封装级应力隔离结构(3)顶面平行，所述MEMS谐振式传感器加工完成。