[發明專利]一種用于MEMS器件的封裝應力隔離微結構

在審

• 申請號: 201910374176.6
• 申請日: 2019-05-07
• 公開（公告）號: CN110143565A
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發明（設計）人: 周斌;張嶸;邢博文;魏琦
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 王春霞

本發明公開了一種用于MEMS器件的封裝應力隔離微結構。所述封裝應力隔離微結構包括上極板和下極板；由下至上，MEMS器件包括基底層、走線層和結構層；上極板采用與基底層相同的材料制成；下極板采用與封裝MEMS器件的封裝管殼膨脹系數相近的材料制成；上極板與下極板通過錨點柱相連接。與現有技術相比，本發明具備如下優點：(1)通過保證材料與MEMS器件基底一致的方式完全消除粘接面上熱膨脹系數失配帶來的熱應力；(2)微結構采用刻蝕、鍵合等常規MEMS工藝，加工方式簡單，可大批量生產；(3)可適用各種基底的MEMS器件，實用性強。

技術領域

本發明涉及一種用于MEMS器件的封裝應力隔離微結構，屬于MEMS封裝及微機械制造領域。

背景技術

MEMS(微機電系統，Microelectro Mechanical Systems)是一門跨學科的簡短技術領域，涉及到微電子，機械，光學，生物，材料，物理，化學，信號處理等多種學科。基于MEMS技術的MEMS傳感器具有體積小、功耗低、成本低的優點，目前已經持續發展，對消費、工業、國防等多個重要領域產生深遠影響。

以加速度計、陀螺儀、壓力計為典型代表的力敏感MEMS器件，其檢測原理是將外部待檢測量(加速度，角速度，壓力)轉化為力施加到敏感結構上，檢測力作用下敏感結構運動產生的電信號，可以實現高精度測量。在實際使用過程中，通常將MEMS器件與匹配電路芯片封裝在一個管殼中，形成一個可以獨立使用的微型傳感器。然而由于封裝管殼與MEMS器件材料不一致，在器件溫度變化時，楊氏模量及熱膨脹系數的失配、貼片封裝時高低溫轉化都會產生殘余應力，應力通過錨點傳到敏感結構，引起關鍵部分的變形和應力集中，會造成器件疲勞斷裂，影響使用壽命。

現有技術中，分別從以下幾個方面隔離封裝應力：1.結構設計，2015年清華大學公開了一種單錨定點四質量塊MEMS諧振式陀螺儀，單點支撐減小鍵合接觸面積，“田”字形支撐架進一步隔離錨點鍵合應力，而結構設計無法避免封裝應力通過基底傳遞到結構；2.在MEMS器件與封裝管殼之間插入襯板上制作應力緩沖結構，此方法因為效果最好而被廣泛應用，因此已經有較多的應力隔離方案。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，該發明通過應力隔離層將單點傳入的應力均勻傳遞到敏感結構，利用敏感結構的差分設計將應力的一致響應消除，而復雜的結構設計在加工過程中帶來更多應力源頭。專利US8614491中將應力緩沖結構鍵合在封裝襯板上，再將多個MEMS芯片粘貼在應力緩沖結構中；2018年北方芯動聯科微系統技術有限公司提出了一種具有應力緩沖結構的MEMS芯片，該發明選取SOI圓片作為MEMS器件的基底，通過半導體加工工藝將SOI的底層硅刻蝕成應力釋放結構，埋氧層作為形成連接層，具有工藝簡單和體積小的優點。上述技術方案均從應力緩沖的結構設計上進行應力緩沖，應力產生原因材料間在溫度變化時熱膨脹系數失配，應力緩沖結構無法從根源上抑制封裝應力。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于MEMS器件的封裝應力隔離微結構，該結構與MEMS器件基底采用相同材料，與封裝管殼連接一面采用熱膨脹系數與管殼相似的材料，從根源上隔離封裝應力；并且可以通過常規MEMS工藝實現圓片級加工，工藝簡單，芯片面積小，成本低。

本發明所涉及的MEMS器件可以是陀螺儀，加速度計或壓力計等常規力敏感器件。

本發明所提供的用于MEMS器件的封裝應力隔離微結構，包括上極板和下極板；

由下至上，所述MEMS器件包括基底層、走線層和結構層；

所述上極板采用與所述基底層相同的材料制成，其與所述MEMS器件的所述基底層接觸；

所述下極板采用與封裝所述MEMS器件的封裝管殼膨脹系數相近的材料制成，其與所述封裝管殼接觸；

所述上極板與所述下極板通過錨點柱相連接。