Mems传感器结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种MEMS传感器结构，包括一封装管壳、一连接部及一MEMS传感器，MEMS传感器包括层叠设置的一基底及一敏感结构，基底包括一第一区域、一第二区域及一第三区域，第二区域设置在第一区域与第三区域之间，第二区域在基底的宽度方向上具有一最小长度，该最小长度小于第一区域及第三区域在基底的宽度方向上的长度使基底在宽度方向上具有至少一个凹槽，且第二区域将设置有敏感结构的第三区域和与连接部连接的第一区域隔离开来，使第一区域的热应力在通过第二区域传递到所述第三区域的过程中逐渐减弱，可以有效隔离封装带来的热应力减小热应力对敏感结构的影响，提高MEMS传感器结构的温度特性。
【专利说明】
MEMS传感器结构
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种MEMS传感器结构，尤其是有效隔离封装热应力的MEMS传感器 结构。
【背景技术】
[0002] 微机电系统(Micro Electromechanical Systems，简称MEMS)是集微传感器、微执 行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理与控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信 等于一体的微型器件或系统，被誉为21世纪带有革命性的高新技术。采用微机电系统技术 的传感器具有成本低、体积小、可批量化的特点，已经广泛使用日常生活的产品中，比如 MEMS压力传感器、MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS麦克风、微振子等。随着微机械加工技术 的不断成熟，以及人们对微传感器理论研究的逐渐深入，该类传感器在各测量领域发挥着 越来越重要的作用，逐步取代传统的高精度测量器件。比如美国Draper实验室研制的MEMS 谐振梁加速度计的零偏稳定性达到lyg的水平，这类加速度计在军事领域有着重要的应用 和发展潜力，有望成为摆式积分陀螺加速度计(PIGA)之后最有可能实现战略级精度的新型 微加速度计。
[0003] MEMS传感器常采用硅及其化合物、玻璃作为结构材料，进行微纳加工后，使用粘合 剂或者键合的方法固定在封装管壳内。而封装管壳的材料一般为陶瓷、金属或者塑料，其热 膨胀系数与结构材料不一致，在环境温度变化时，MEMS传感器敏感结构的热应力也会发生 改变，从而影响传感器输出。并且由于粘片采用的粘合剂多为粘弹性体，使得输出具有迟滞 现象，而采用键合的方法，会导致应力过大，且由于键合区域不均匀也会引起结构内部应力 分布不均匀。因此MEMS传感器的温度特性一般不太理想，温漂是制约其性能提高的一大因 素。
[0004] 现有技术中减小封装热应力的优化方法，一般是通过在封装管壳或者MEMS传感器 背面制作凸台来减少粘片面积从而降低热应力，或者在MEMS传感器背面制作凹台来避免热 应力对敏感结构的直接影响。但是这些方法仍然很难保证MEMS传感器热应力的一致性，并 且由于粘片面积具有的最小面积要求，粘片带来的热应力对MEMS传感器的影响仍然较为明 显。 【实用新型内容】
[0005] 有鉴于此，确有必要提供一种有效隔离封装热应力的MEMS传感器结构，从而提高 MEMS传感器的温度特性。
[0006] -种MEMS传感器结构，包括一封装管壳、一连接部及一 MEMS传感器，所述MEMS传感 器通过所述连接部固定在所述封装管壳的内部，包括层叠设置的一基底及一敏感结构，所 述基体包括一第一区域、一第二区域及一第三区域，所述第一区域与所述连接部层叠接触 设置，使所述第二区域及所述第三区域悬空设置在所述壳体的内部底面之上，所述第二区 域设置在所述第一区域与所述第三区域之间，连接所述第一区域及所述第三区域，所述第 三区域与所述敏感结构层叠设置，所述敏感结构仅设置在所述第三区域，所述第二区域在 所述基底的宽度方向上具有一最小长度，该最小长度小于所述第一区域及所述第三区域在 所述基底的宽度方向上的长度，使所述基底在宽度方向上具有至少一个凹槽。
[0007] -种MEMS传感器，层叠设置的一基底及一敏感结构，所述基体包括一第一区域、一 第二区域及一第三区域，所述第一区域与所述连接部层叠接触设置，使所述第二区域及所 述第三区域悬空设置在所述壳体的内部底面之上，所述第二区域设置在所述第一区域与所 述第三区域之间，连接所述第一区域及所述第三区域，所述第三区域与所述敏感结构层叠 设置，所述敏感结构仅设置在所述第三区域，所述第二区域在所述基底的宽度方向上具有 一最小长度，该最小长度小于所述第一区域及所述第三区域在所述基底的宽度方向上的长 度使所述基底在宽度方向上具有至少一个凹槽。
[0008] 本实用新型的MEMS传感器结构中，MEMS传感器的基底包括第一区域、第二区域及 第三区域，第二区域在基底的宽度方向上具有一最小长度，该最小长度小于所述第一区域 及所述第三区域在所述基底的宽度方向上的长度使基底具有至少一个凹槽，且第二区域将 设置有敏感结构的第三区域和与连接部连接的第一区域隔离开来，使第一区域的热应力在 通过第二区域传递到所述第三区域的过程中逐渐减弱，可以有效隔离封装带来的热应力减 小热应力对敏感结构的影响，提高MEMSS传感器结构的温度特性。
【附图说明】
[0009] 图1是本实用新型实施例的MEMS传感器结构的结构示意图。
[0010] 图2是本实用新型实施例的MEMS传感器结构的局部立体示意图。
[0011 ]图3是图2的MEMS传感器结构局部的剖视图。
[0012] 图4至7是本实用新型不同实施例的MEMS传感器的基底俯视图。
[0013] 图8是本实用新型实施例的MEMS传感器的立体示意图。
[0014] 主要元件符号说明
[0016] 如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本实用新型。
【具体实施方式】
[0017] 下面将结合附图及具体实施例对本实用新型提供的MEMS传感器结构作进一步的 详细说明。
[0018] 请参阅图1至2，本实用新型提供一种MEMS传感器结构，包括一封装管壳10、一连接 部20及一 MEMS传感器30。所述MEMS传感器30通过所述连接部20固定在所述封装管壳10的内 部。所述MEMS传感器30包括层叠设置的一基底31及一敏感结构33。所述基底31包括一第一 区域311、一第二区域312及一第三区域313。所述第一区域311与所述连接部20层叠接触设 置，使所述第二区域312及所述第三区域313悬空设置在所述封装管壳10的内部底面之上。 所述第二区域312连接所述第一区域311及所述第三区域313。所述第二区域312在所述基底 31的宽度方向上具有一最小长度，该最小长度小于所述第一区域311及所述第三区域313在 所述基底31的宽度方向上的长度使所述基底31具有至少一个凹槽3121。所述第三区域313 与所述敏感结构33层叠设置，所述敏感结构33仅设置在所述第三区域313上。
[0019] 所述封装管壳10用于封装所述MEMS传感器30。所述封装管壳10包括一壳体11及一 盖板12。具体地，所述壳体11具有一内部腔体用于容纳所述MEMS传感器30,所述壳体11的内 部底面用于承载所述MEMS传感器30,所述盖板12与所述壳体11相互配合将MEMS传感器30封 装在所述封装管壳10内部。所述盖板12可通过粘胶或者焊接的方式固定在所述壳体11侧壁 的上表面。所述封装管壳10的材料可为陶瓷、金属或者塑料。本实施例中，所述封装管壳10 的材料为陶瓷。
[0020] 所述连接部20为一片状结构体，设置在所述封装管壳10的壳体11的内部底面及所 述MEMS传感器30之间。所述连接部20用于连接所述封装管壳10及所述MEMS传感器30，该连 接部20使所述MEMS传感器30固定在封装管壳10的内部。具体地，所述基底31的第一区域311 与所述连接部20接触设置，使所述基底31固定在封装管壳10的内部，并使所述基底31的第 二区域312及第三区域313悬空。所述连接部20的材料可为粘合剂或合金焊料。当所述连接 部20的材料为粘合剂时，所述MEMS传感器30可通过所述粘合剂直接粘贴在所述壳体11的内 部底面。当所述连接部20的材料为合金焊料时，可通过烧结并冷却所述合金的方法，使所述 MEMS传感器30固定在所述壳体11的内部底面。所述粘合剂可为导电银浆、环氧类胶等。所述 合金焊料可为金锡(Au-Sn)、金娃(Au-Si)、金锗(Au-Ge)等。所述连接部20与所述第一区域 311的接触面积小于或等于所述第一区域311的面积。优选地，所述连接部20与所述第一区 域311的接触面积等于所述第一区域311的面积并保证连接均匀。本实施例中，所述连接部 20的材料为导电银浆。
[0021] 请参阅图2及图3,所述基底31为一平板结构体，用于承载所述金属导电层32及所 述敏感结构33。所述基底31的材料可为硅、玻璃等MEMS工艺中的常用材料。所述基底31的厚 度及形状可以根据实际需要进行选择。。本实施例中，所述基底31的材料为玻璃。
[0022] 所述基底31具有一宽度方向X及一长度方向Y。所述宽度方向X与所述长度方向Y相 互垂直。在所述长度方向上，所述第一区域311、所述第二区域312及所述第三区域313依次 连接形成连续的所述基底31。所述第一区域311及所述第三区域313位于所述基底31在所述 长度方向上相对的两个端部，所述第二区域312位于所述第一区域311及所述第三区域313 之间，用于连接所述第一区域311及所述第三区域313。
[0023] 所述第二区域312在所述宽度方向X上的最小长度小于所述第一区域311及所述第 三区域313在所述宽度方向X上的长度，进而在所述基底31上形成至少一个凹槽3121。只要 保证所述第二区域312在所述宽度方向X上的最小长度小于所述第一区域311及所述第三区 域313在所述宽度方向X上的长度，所述凹槽的形状、大小及数量不限。优选地，所述第二区 域312在所述宽度方向X上的最小长度值为基底31最大宽度的1/10~1/3。所述第二区域312 在所述长度方向Y上的长度为基底31最大长度的1/5~1/2。当所述基底31具有一个所述凹 槽3121时，所述凹槽3121的形状不限，可设置在所述第二区域312的在所述宽度方向X上的 相对两侧中的任意一侧。当所述基底31具有多个凹槽3121时，所述多个凹槽3121的形状可 以相同也可不同，所述多个凹槽3121可均设置在所述第二区域312在所述宽度方向X上的同 一侧，也可分别设置在所述第二区域312在所述宽度方向X上的相对两侧。优选地，所述基底 31具有形状相同的成对的所述凹槽3121，分别对称设置在所述第二区域312在所述宽度方 向X上的相对两侧。
[0024]请参阅图4，一实施例中，所述基底31具有一个半圆形的所述凹槽3121，该半圆形 的凹槽3121设置在所述第二区域312在所述宽度方向X上的一个侧边。请参阅图5，另一实施 例中，所述基底31具有两个所述凹槽3121，该两个凹槽3121的形状分别为半圆形和三角形。 该两个凹槽3121均设置在所述第二区域在所述宽度方向X上的同一侧边。请参阅图6,又一 实施例中，所述基底31具有三个所述凹槽3121，该三个凹槽3121的形状分别为半圆形、三角 形及方形。其中，半圆形的凹槽3121及三角形的凹槽3121设置在所述第二区域312在所述宽 度方向X上的同一侧边，方形的凹槽3121设置在所述第二区域312在所述宽度方向X上的另 一侧边。请参阅图7，一实施例中，所述基底31具有四个所述凹槽3121。该四个凹槽3121中， 两两形状相同且相同形状的所述凹槽3121分别对称设置在所述第二区域312在所述宽度方 向X上的相对两侧。该四个凹槽3121的形状分别为半圆形和三角形。请参阅图8,本实施例 中，所述基底31具有两个凹槽。具体地，所述两个凹槽3121的形状为方形，所述两个凹槽 3121分别设置在所述第二区域312在所述宽度方向X上的相对两侧，且该两个方形凹槽对称 设置。此时，所述第二区域312呈Η形。
[0025]所述敏感结构33设置在所述基底31远离所述连接部20的表面。具体地，所述敏感 结构33仅设置在所述基底31的第三区域313。所述敏感结构33可以是单一的硅结构，也可以 是完整的MEMS传感器裸芯片。
[0026] 进一步地，所述MEMS传感器30包括一金属导电层32。所述基底31、所述金属导电层 32及所述敏感结构33层叠设置。所述金属导电层设置在所述基底31和所述敏感结构33之 间。具体地，所述金属导电层32设置在所述基底31远离所述连接部20的表面，且所述金属导 电层32仅设置在所述基底31的第三区域313,与所述基底31的第三区域313层叠设置。所述 金属导电层32用于将所述敏感结构33与对应的外部电路连接，输出所述敏感结构33的敏感 信号。所述金属导电层32包括多根导线以及多个键合焊盘。所述金属导电层32可采用溅射 金属的方法在所述基底31上形成。导线的走向及布局可根据实际需要进行设置。
[0027] 当环境温度变化时，封装管壳10产生的热应力将集中在所述基底31的第一区域 311中，由于所述第二区域312在所述基底31的宽度方向X上的的最小长度小于所述第一区 域311及所述第三区域313在所述基底31的宽度方向X上的长度，热应力在通过第二区域312 传递到所述第三区域313的过程中，将逐渐减弱，从而起到了隔离封装热应力的效果。
[0028] 实施例
[0029]本实施例中，所述第二区域312在所述基底31的宽度方向上具有一最小长度，该最 小长度小于所述第一区域311及所述第三区域313在所述基底31的宽度方向上的长度使所 述基底31具有至少一个凹槽3121。所述第二区域312在所述宽度方向X上的最小长度值为 2mm，所述第二区域312在所述长度方向Y上的长度为2mm。选取所述敏感结构33在所述宽度 方向X上距其中轴线左右各1mm处的两点作为热应力参考点进行热应力检测。所述两点的热 应力分别为4038Pa、4039Pa，差分后热应力差仅为IPa。
[0030] 对比例
[0031] 对比例1中，所述基底不具有凹槽。选取所述敏感结构在所述宽度方向X上距其中 轴线左右各1mm处的两点作为热应力参考点进行热应力检测。所述两点的热应力分别为 506702Pa、506532Pa，差分后热应力差为170Pa。
[0032] 由对比实施例和对比例的测得的两点热应力值和差分后热应力差可见，本案提供 的MEMS传感器结构中所述基底具有凹槽能够降低热应力值，而且差分后可以消除大部分应 力，进而可以有效隔离封装带来的热应力减小热应力对敏感结构的影响，提高MEMS传感器 结构的温度特性本实用新型的MEMS传感器结构中，MEMS传感器的基底包括第一区域、第二 区域及第三区域，第二区域在基底的宽度方向上具有一最小长度，该最小长度小于所述第 一区域及所述第三区域在所述基底的宽度方向上的长度使基底具有至少一个凹槽，且第二 区域将设置有敏感结构的第三区域和与连接部连接的第一区域隔离开来，使第一区域的热 应力在通过第二区域传递到所述第三区域的过程中逐渐减弱，可以有效隔离封装带来的热 应力减小热应力对敏感结构的影响，提高MEMS传感器结构的温度特性。
[0033] 另外，本领域技术人员还可在本实用新型精神内做其它变化，当然，这些依据本实 用新型精神所做的变化，都应包含在本实用新型所要求保护的范围之内。
【主权项】
1. 一种MEMS传感器结构，包括一封装管壳、一连接部及一MEMS传感器，所述MEMS传感器 通过所述连接部固定在所述封装管壳的内部，所述MEMS传感器包括层叠设置的一基底及一 敏感结构，所述基底包括一第一区域、一第二区域及一第三区域，所述第一区域与所述连接 部层叠接触设置使所述第二区域及所述第三区域悬空设置，所述第二区域设置在所述第一 区域与所述第三区域之间，连接所述第一区域及所述第三区域，所述第三区域与所述敏感 结构层叠设置，所述敏感结构仅设置在所述第三区域，其特征在于，所述第二区域在所述基 底的宽度方向上具有一最小长度，该最小长度小于所述第一区域及所述第三区域在所述基 底的宽度方向上的长度，使所述基底在宽度方向上具有至少一个凹槽。2. 如权利要求1所述的MEMS传感器结构，其特征在于，所述第二区域的最小长度值为所 述基底宽度的1/10~1/3。3. 如权利要求2所述的MEMS传感器结构，其特征在于，所述基底具有多个凹槽，所述多 个凹槽均设置在所述第二区域在所述宽度方向上的同一侧，或所述多个凹槽分别设置在所 述第二区域在所述宽度方向上的相对两侧。4. 如权利要求2所述的MEMS传感器结构，其特征在于，所述第二区域包括两个凹槽，所 述两个凹槽的形状为方形，在所述宽度方向上所述两个凹槽对称设置使所述第二区域呈现 Η形状。5. 如权利要求1所述的MEMS传感器结构，其特征在于，所述连接部的材料为粘合剂或合 金焊料。6. 如权利要求1所述的MEMS传感器结构，其特征在于，所述敏感结构为是单一的娃结构 或完整的MEMS传感器裸芯片。7. 如权利要求1所述的MEMS传感器结构，其特征在于，所述MEMS传感器进一步包括一金 属导电层，所述基底、所述金属导电层及所述敏感结构层叠设置，所述金属导电层设置在所 述基底和所述敏感结构之间，所述金属导电层仅设置在所述基底的第三区域。8. -种MEMS传感器，包括层叠设置的一基底及一敏感结构，所述基底包括一第一区域、 一第二区域及一第三区域，所述第一区域与连接部层叠接触设置，使所述第二区域及所述 第三区域悬空设置在壳体的内部底面之上，所述第二区域设置在所述第一区域与所述第三 区域之间，连接所述第一区域及所述第三区域，所述第三区与所述敏感结构层叠设置，所 述敏感结构仅设置在所述第三区域，其特征在于，所述第二区域在所述基底的宽度方向上 具有一最小长度，该最小长度小于所述第一区域及所述第三区域在所述基底的宽度方向上 的长度，使所述基底在宽度方向上具有至少一个凹槽。9. 如权利要求8所述的MEMS传感器，其特征在于，所述第二区域的最小长度值为所述基 底宽度的1/10~1/3。
【文档编号】B81B7/00GK205709848SQ201620479517
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】刘云峰, 严斌, 尹永刚, 董景新
【申请人】清华大学