[實用新型]一種應用于MEMS力敏感器件的二級應力隔離結構

有效

• 申請號: 201821615013.X
• 申請日: 2018-09-30
• 公開（公告）號: CN209024198U
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 張晶;蘇巖;劉雨東
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00;B81B7/02
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張祥

本實用新型公開了一種應用于MEMS力敏感器件的二級應力隔離結構(3)，包括外部框架結構(14)以及設置在外部框架結構(14)內的力敏感結構(9)，所述外部框架結構(14)包括內框架(15)，所述內框架(15)的上下兩端分別通過至少一個應力集中梁(12)與對應的應力衰減梁(13)連接，所述應力衰減梁(13)通過多個柔性連接(11)與位于柔性連接(11)內部的固定錨點(10)相連字，本實用新型能夠實現二級應力釋放，所述柔性連接(11)為一級應力隔離，應力衰減梁(13)與應力集中梁(12)為短粗的剛性梁構成過渡框架，作為二級應力隔離，能夠在敏感結構層上隔絕敏感結構工藝與封裝過程中產生的應力。

技術領域

本實用新型涉及力敏感器件技術領域，尤其涉及一種應用于MEMS力敏感器件的二級應力隔離結構。

背景技術

MEMS傳感器即微機電系統(Microelectro Mechanical Systems)，是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過四十多年的發展，已成為世界矚目的重大科技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。其中，MEMS壓力傳感器、加速度計、陀螺儀等都是典型的力敏感器件，它們多用作壓力、位移(加速度)及姿態(角速度)的高精度測量，具有體積小、功耗低、與集成電路工藝兼容與易于大批量生產等特點。

這些器件都是由MEMS工藝制成，材料包括多晶硅、石英、SiC、SOI(Sili-con onInsulator)、SOS(藍寶石上硅)等。在MEMS工藝及封裝過程中，由于不同材料的材料特性(包括楊氏模量、熱膨脹系數等)不一致，以及沉積、鍵合、貼片等工藝步驟高低溫的轉換會造成不可忽視的應力，從而傳遞到傳感器的敏感結構上，引起結構變形和應力集中。由于力敏感器件的敏感原理就是將外界輸入的待檢測量轉化為力，繼而通過檢測其受力作用下電信號的變化解算，應力的引起的結構變形和應力集中一方面會干擾傳感器對力的檢測，無法區分輸出電信號的變化主要受應力影響還是外界輸入影響，另一方面會造成器件使用過程的疲勞或斷裂。因此，應力的存在不僅會影響力敏感器件的測量精度和穩定性，而且會在一定程度上影響其使用壽命，所以，應力隔離對力敏感傳感器非常重要。

以慣性傳感器為例，2013年安徽北方芯動聯科微系統技術有限公司提出了一種具有降低封裝應力結構的MEMS元件(201320205008.2)，其在背面層上裝上至少一個裝片柱，封裝管殼底板上有粘片膠，粘片膠包圍裝片柱。通過MEMS芯片背面層上的裝片柱和封裝管殼底板上的粘片膠將MEMS芯片固定在封裝管殼底板上，但是其均勻性及對稱性不夠好而且其保證芯片與粘片膠接觸的總面積對抗機械沖擊能力效果的保證也不夠好；2015年歌爾聲學股份有限公司公開了一種應力隔離的MEMS慣性傳感器(201510227170.8)，其通過一個應力隔離層把從襯底傳來的應力均勻分在敏感結構上使得整個敏感結構對溫度和應力所產生的應變具有一致的響應，通過敏感結構自身的差分結構就可以把這樣的共模信號完全消除掉，但是過于復雜的結構增加了加工難度的同時也使得加工增加了很多應力源頭；2016年楊軍等提出了一種LCC封裝應力釋放結構(201410720844.3)，其基底支撐點與錨點用梁連接一定程度上隔絕了了器件外殼的應力，但是其梁采用短粗梁使其隔離效果無法達到最好；2017年常洪龍等提出了一種類似的SOI基微慣性傳感器封裝應力隔離方法(2016109195522.0)，其采用的蟹腳梁能夠更加有效地隔絕應力，并且其將支撐點放在中心錨點放在四周使用膠面積減小，有效降低了封裝應力。但總體而言，這些封裝應力隔離方法存在一個共性的問題，即都針對已完成MEMS工藝的芯片，再在封裝過程中對芯片應力隔離。這樣的方案對應力的隔離勢必無法隔離傳感器芯片在MEMS工藝加工過程中產生的應力(如不同材料的沉積、鍵合等工藝步驟)，這類應力通常是不同材料在完成工藝步驟前后由溫度變化導致熱特性不匹配，繼而產生的熱應力，同樣不可忽視。