一种MEMS应力隔离机构及其设计方法

技术领域

本发明属于MEMS机械设计领域，更具体地，涉及一种MEMS应力隔离机构及其设计方法。

背景技术

在MEMS器件加工或工作过程，由于多种材料膨胀系数失配或温度效应，MEMS器件通常会受到残余应力或热应力影响。目前常用应力隔离机构由刚性外框和外接弹性梁构成，被保护MEMS器件与刚性外框连接，而刚性外框通过弹性梁与基板锚点相连。基板上应力在传导过程中被弹性梁吸收，而刚性外框则保证被保护器件不受应力影响，这种应力隔离机构设计主要存在两个问题：1.弹性梁吸收几乎全部应力，因此弹性梁的刚度不能太大，从而限制被保护MEMS器件的机械带宽；2.刚性外框外对称分布的弹性梁在加工过程中很难保证一致性，而非对称性将导致整个外框的中心偏移，从而影响被保护MEMS器件的定位问题，会对一些多层MEMS器件(如三明治式器件)产生不利影响。另外，也有报道不通过弹性梁而直接将刚性外框悬臂起来实现应力释放和隔离的效果，该方法会引入交叉耦合效应并增加加工工艺流程。

环形或正多边形结构经常被用来作为MEMS谐振式陀螺仪的敏感元件广泛使用，由于科氏力耦合作用产生的简并模态间能量传递可以用作角速度检测原理。而环形或正多边形的自由振动模态具有Nθ驻波振型，包含波腹点和波节点，分别作为陀螺仪的驱动和检测模态。本发明利用环形或正多边形结构的驻波特性，将波腹点与基板锚点相连，将波节点与被保护MEMS器件锚点相连，从而形成一种简单的应力隔离机构。

发明内容

针对现有的MEMS应力隔离机构的缺点和不足，本发明提供了一种MEMS应力隔离机构及其设计方法，主要由环形或正多边形结构以及分布在波腹点和波节点的锚点构成。本发明基于环形或正多边形结构的驻波特性，将波腹点与基板锚点相连，将波节点与被保护MEMS器件的锚点相连，可以实现MEMS器件基板与内部被保护MEMS器件间的应力隔离，有效降低由MEMS加工过程和温度效应引起的应力影响，同时与被保护MEMS器件在加工工艺上兼容，制造成本可以得到有效的控制。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的其中一个目的是提供一种MEMS应力隔离机构，所述的MEMS包括基板和内部被保护的MEMS器件，所述应力隔离机构由配置有锚点的环形结构或正多边形结构构成，所述的锚点分布在波腹点和波节点，且分布在波腹点位置的锚点与基板锚点相连，分布在波节点位置的锚点与内部被保护的MEMS器件锚点相连。

作为本发明的优选，所述正多边形结构的边数不小于8。

作为本发明的优选，所述MEMS应力隔离机构与内部被保护的MEMS器件具有同步和兼容的加工工艺。

作为本发明的优选，所述环形结构或正多边形结构的自由振动模态包含Nθ驻波振型，N>1；在每个驻波振型下都存在呈中心对称分布的波腹点和波节点。

作为本发明的优选，所述Nθ驻波振型对应的谐振频率是内部被保护的MEMS器件自身机械带宽的三至五倍以上。

作为本发明的优选，所述基板锚点对称分布在所述的波腹点上，所述被保护的MEMS器件锚点对称或非对称的分布在所有或部分所述的波节点上。

本发明的另一个目的在于提供一种上述的MEMS应力隔离机构的设计方法，包括以下步骤：

1)根据目标基板及内部被保护的MEMS器件的结构和形状，选择应力隔离机构为环形结构或正多边形结构；

2)根据目标基板上需要固定的锚点数量m，确定Nθ驻波振型的阶数，即确定N的取值，使得N＝m；

3)根据确定好的驻波振型设计环形结构或正多边形结构上的锚点位置，所述锚点分布在波腹点和波节点，所述的波腹点和波节点间隔分布在环形结构或正多边形结构上；对于Nθ驻波振型，两个相邻的波腹点和波节点间隔90°/N；

4)将基板锚点与环形结构或正多边形结构上的一组波腹点相连，使得基板锚点对称分布在波腹点上；将内部被保护的MEMS器件锚点与环形结构或正多边形结构上的波节点相连，使得被保护的MEMS器件锚点对称或非对称的分布在所有或部分波节点上。

进一步的，步骤2)确定的Nθ驻波振型对应的谐振频率是内部被保护的MEMS器件自身机械带宽的三至五倍以上。

总体来说，通过上述本发明所构思的技术方案和现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明利用环形或正多边形结构的驻波特性，在应力作用下，结构的波腹点发生变形，而波节点的位置保持不变，使连接在波节点的被保护MEMS器件不受应力影响，整体结构简单，隔离效果明显；

(2)本发明的应力隔离机构包含多种结构设计，可以灵活适应多种MEMS器件，例如结构上可以是环形、正八边形、正十六边形等，基板锚点可以对称分布在Nθ振型的波腹点上，以及被保护器件的连接点可以灵活分布在波节点；

(3)本发明的应力隔离机构与被保护MEMS器件的加工工艺兼容，可以同步加工，同时通过调节结构尺寸可以使被保护MEMS器件的机械带宽不受影响，有效降低由应力隔离机构带来的耦合效应。

附图说明

图1是本发明实施例两种环形应力隔离机构示意图，其中(a)对应2θ振型，(b)对应4θ振型；

图2是本发明实施例两种正八边形应力隔离机构示意图，其中(a)对应2θ振型，(b)对应4θ振型；

图3是本发明实施例一种环形应力隔离机构的驻波振型图；

图4是本发明实施例中环形结构的驻波振型图；

图5是本发明实施例中正八边形结构的驻波振型图；

在所有附图中，锚区代表与基板锚点连接区域，被保护MEMS器件等效表示为一个质量和弹簧组成的系统。

具体实施方式

为了更加清楚的表达本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和公式推导进一步解释。应当理解，此处的原理用以解释本发明，但并不限定于本发明。

本发明利用环形或正多边形结构的驻波特性，将波腹点与基板锚点相连，将波节点与被保护MEMS器件锚点相连，提出了一种结构简单、应力隔离效果好的MEMS应力隔离机构及其设计方法，可应用于各类MEMS器件的机械设计中。

所述的MEMS包括基板和内部被保护的MEMS器件，应力隔离机构为配置有锚点的环形结构或正多边形结构构成，所述的锚点分布在波腹点和波节点；

环形结构或正多边形结构在加工或工作过程中受应力的作用发生形变，形变主要发生在波腹点，而波节点保持位置不变，因此将所述应力隔离机构中环形或正多边形的波腹点位置与基板锚点相连，环形或正多边形的波节点位置与内部被保护的MEMS器件锚点相连，因此应力无法传导至被保护MEMS器件，起到应力隔离效果。

如图1和图2所示，本发明提供的MEMS应力隔离机构包括环形或正多边形，一般情况下，所述正多边形结构的边数不小于8。其中图1和图2分别示出了环形和正八边形结构。所述环形或正八边形的一组波腹点与基板锚点相连，形成锚区，锚区数量和位置决定了驻波振型，波节点与被保护的MEMS器件锚点相连，图中采用弹簧-质量系统表示被保护MEMS器件。

在本发明的一项具体实施中，所述环型结构和正多边形结构的厚度一致，其轴向环宽根据硅片晶向不同可以是均匀的或非均匀的。

所述应力隔离机构中环形或正多边形的自由振动模态包含Nθ驻波振型(N>1)，在每个振型下都存在波腹点和波节点，而且波腹点和波节点对称分布，从而保证波腹点可以在加工或工作过程中自由变形，而波节点处的位置始终保持不变。图1和图2中环形结构有两种锚定方式对应不同的驻波振型：图1(a)和图2(a)对应2θ振型，波节点与波腹点相隔45°；图1(b)和图2(b)对应4θ振型，波节点与波腹点相隔22.5°。

在本发明的一项具体实施中，应力隔离机构为环形结构(振型为2θ驻波振型)。图3是本发明提供的具有2θ驻波振型的应力隔离机构，可以看出，在基板拉应力或压应力的作用下，与被保护MEMS器件锚点相连的波节点不受影响。

在本发明的一项具体实施中，应力隔离机构中环形结构的锚点分布可以是多种设计，设计范围覆盖环形结构的所有驻波振型。图4是本发明提供的环形结构2θ～8θ驻波振型仿真结果，Nθ驻波振型对应由加工残余应力或热应力产生变形情况。结果图中，白色的圆环表示没有施加应力的环形结构，深色的振型图表示不同驻波振型的仿真情况，可见，所有的驻波振型下，波节点的位置始终不发生变化。将对应每种驻波振型下的波腹点与基板锚点相连，用于实现应力释放，保证自由变形，并且使基板上锚点对称分布在波腹点上，保证环形受力均匀，其变形不会影响波节点；而被保护MEMS器件的锚点可以选择性与波节点相连，无需全部相连，保证了被保护的MEMS器件不受应力变形的影响。

在本发明的一项具体实施中，应力隔离机构中正多边形可以是任意正多边形，如正八边形、正十六边形等，锚点设计也覆盖所有的驻波振型。图5是正八边形结构的比较典型的几种驻波振型(2θ、4θ和8θ)仿真结果，结果图中，白色的正多边形表示没有施加应力的正多边形结构，深色的振型图表示不同驻波振型的仿真情况，同样，所有的驻波振型下，波节点的位置始终不发生变化。与上述内容相同，其中对应每种驻波振型下的波腹点与基板锚点相连，且使基板上锚点对称分布在波腹点上；而被保护MEMS器件的锚点可以选择性与波节点相连，无需全部相连。

所述环型结构或正多边形结构与内部被保护的MEMS器件具有同步和兼容的加工工艺，可以同步加工，同时通过调节结构尺寸可以使被保护MEMS器件的机械带宽不受影响，有效降低由应力隔离机构带来的耦合效应。

上述应力隔离机构的设计方法包括以下步骤：

1)根据目标基板及内部被保护的MEMS器件的结构和形状，选择应力隔离机构为环形结构或正多边形结构；

2)根据目标基板需固定的锚区数量m，确定Nθ驻波振型的阶数，即确定N的取值，使得N＝m；

3)根据确定好的驻波振型设计环形结构或正多边形结构上的锚点位置，所述锚点分布在波腹点和波节点，所述的波腹点和波节点间隔分布在环形结构或正多边形结构上；对于Nθ驻波振型，两个相邻的波腹点和波节点间隔90°/N；

4)将基板锚区与环形结构或正多边形结构上的一组波腹点相连，使得基板锚区对称分布在波腹点上，从而保证环形或正多边形的受力均匀，其变形不会影响波节点；将内部被保护的MEMS器件锚区与环形结构或正多边形结构上的波节点相连，使得被保护的MEMS器件的锚区对称或非对称的分布在所有或部分波节点上，具体布局取决于被保护MEMS器件的机械设计要求。

在本发明的一项具体实施中，所述Nθ驻波振型对应的谐振频率取决于环形或正多边形结构尺寸参数大小，为了不影响内部被保护MEMS器件的机械带宽，步骤2)确定的Nθ驻波振型对应的谐振频率是内部被保护的MEMS器件自身机械带宽的三至五倍以上。

本领域的技术人员应理解，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。