本发明属于微机电系统mems技术领域，具体涉及一种用于mems器件隔振的双层隔振结构及制备方法。
背景技术：
微机电系统mems是集微机械与微电子功能于一体的微型机电器件或系统，基于mems技术的器件(如mems传感器、驱动器)体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点而广泛应用，尤其是在汽车、航天航空及电子行业。很多mems器件往往需要在恶劣的振动环境下工作，例如普通汽车使用的mems传感器将长期承受0～400hz的随机振动载荷，航天器上使用的mems器件在发射过程中将承受20～2000hz的随机振动载荷。炮射时器件将承受0～50000hz的随机振动载荷。恶劣的振动环境严重影响了mems器件的性能，甚至造成mems器件的损坏。因此需要对mems器件进行振动隔离，保证其在恶劣的振动环境下能够正常的工作。
外部环境的振动会引起内部敏感结构的位移或形变,从而产生不可预测的输出误差。此种输出误差可分为：1)零位偏移。当没有任何感测量输入时，mems器件对于外部环境振动产生响应从而产生的输出为零位偏移。例如mems加速度计在随机振动为10.6g时其加速度计的零偏量值高达0.9g。一种商用mems陀螺仪(型号lpy510al)在14g的振动环境下其零位偏移变化(14％～19％)，且由于振动其输出信号十分饱和很难分离噪声。2)标度因子变化。刻度因子变化(“灵敏度变化”)发生在感测量输入的条件下，其输出信号为振动引起的输出加上由于感测量的输入所引起的输出，如在10g振动下薄膜压电式压力传感器发生了显著的灵敏度变化(10％～12％)。同样随着振动强度与振动时间的增加，mems陀螺仪的刻度因子显著降低。输出误差对高q值高谐振mems器件如陀螺仪，谐振式传感器的影响尤其大,因为其内部低阻尼会放大误差在谐振频率带宽处的影响，且由于误差的不可预测性从而很难进行电子补偿。3)mems器件结构损坏。长期的环境振动造成结构的往复运动导致疲劳失效的产生，在较大振动应力下，还会引发键合引线的脱落或者梁断裂造成mems器件失效。
目前国内外主要采用元件级(componentlevel)隔振器针对mems器件进行隔振，这种隔振器能与mems器件一起封装，两者作为一个元件安装到ic电路上。近年来，国内外报道了多个元件级mems隔振器，从其工作原理可分为被动和主动隔振器两种。在被动隔振器方面，美国在1998年首先采用mems加工技术在硅片上制造出了由四个弹性梁组成的mems隔振器，通过弹性梁将载有mems器件的平台与边框连接起来。在主动隔振器方面，2016年提出了一种sma的元件级mems器件主动隔振器，通过对sma梁通电加热，实现梁的变刚度调节，从而避免了mems器件在工作频带振动范围内发生共振。被动隔振器结构虽然简单，但也存在自身的局限性；其单层的隔振结构往往不适用于高频振动的隔离。主动隔振虽然具有很高的隔振精度；然而主动隔振往往结构复杂工艺上难以实现，且需要额外的供电增加了器件的功耗。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于mems器件隔振的双层隔振结构及制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于mems器件隔振的双层隔振结构，自上而下依次包括第一层隔振系统、第二层隔振系统、硅衬底；
第一层隔振系统包括连接框架、隔振平台以及若干隔振梁；连接框架围在隔振平台外，若干隔振梁连接在连接框架与隔振平台之间；连接框架靠近每个隔振梁的位置均设有第一通孔，第一通孔内设有通孔引线；隔振梁上表面设有绝缘层，绝缘层上设有金属引线；隔振梁上表面的绝缘层上的金属引线与连接框架的第一通孔中的通孔引线相连；隔振平台上表面的外围设置绝缘层，隔振平台上表面外围的绝缘层上均匀设有八个金属焊点，八个金属焊点上均设有金属引线；隔振平台上表面的金属焊点上的金属引线与隔振梁上表面的绝缘层上的金属引线相连；位于第一层隔振系统的上方，mems器件与隔振平台上的金属焊点焊接连接；
第二层隔振系统包括若干隔振组件，每个隔振组件由依次连接的下焊盘、扭转梁与上焊盘构成；扭转梁、上焊盘、下焊盘的下表面均设置绝缘层，绝缘层表面均设有金属薄膜；上焊盘与第一层隔振系统的连接框架相键合，键合是将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术；上焊盘上设有第二通孔，第二通孔内设有通孔引线；上焊盘通过第二通孔中的通孔引线与连接框架的第一通孔中的通孔引线相连将第二层隔振系统与第一层隔振系统连接起来；
硅衬底的上表面设有绝缘层，硅衬底上设置若干凸台，每个凸台与第二层隔振系统的一个下焊盘对应连接；凸台的上表面延至硅衬底的外端在绝缘层上均覆盖有金属薄膜；硅衬底上表面的金属薄膜与外部电路连接。
作为优化方案，第一层隔振系统包括一个连接框架、八根隔振梁和一个隔振平台；其中：
连接框架与隔振平台均为矩形；隔振平台设置在连接框架的正中位置；八根隔振梁对称设置在连接框架的四个角，连接框架通过隔振梁与隔振平台固定连接。
作为优化方案，第二层隔振系统包括八个下焊盘、八个扭转梁和八个上焊盘；其中：
下焊盘通过扭转梁与上焊盘连接，组成八个结构体，八个结构体对称设置；
硅衬底为矩形，硅衬底上对称设置八个凸台，八个凸台与第二层隔振系统的八个下焊盘一一对应连接。
作为优化方案，第一层隔振系统中连接框架上的第一通孔与第二层隔振系中上焊盘上的第二通孔在结构上下对齐。
作为优化方案，第二层隔振系统中的扭转梁为两个半矩形支梁和一个直线型梁组合而成的变形的h型梁，扭转梁的一端与下焊盘连接，扭转梁的另一端与上焊盘连接。
作为优化方案，绝缘层均由氧化硅或氮化硅制成，金属焊点、金属薄膜、通孔与金属引线均由钛或金制成；第一层隔振系统中的连接框架、隔振梁、隔振平台均为玻璃材料；第二层隔振系统中的下焊盘、扭转梁与上焊盘均由硅制成。
一种用于mems器件隔振的双层隔振结构的制备方法按如下步骤进行：
(1)备片：准备一块475μm厚的双面抛光的硅基片，一块500μm厚的玻璃片，一块500μm厚的硅衬底；
(2)第一次光刻：将双面抛光的硅基片用去离子水清洗，将清洗好的双面抛光硅基片旋涂一层光刻胶，用掩模版进行电感耦合等离子体(icp)刻蚀，刻蚀出高度为3～4μm的浅台阶；
(3)硅玻键合：利用键合技术将步骤2刻蚀后的硅基片带有浅台阶的一面与步骤1中的玻璃片进行键合；
(4)第二次光刻：利用深反应离子刻蚀技术将步骤3得到的键合后的硅－玻璃结构中硅基片的背面刻蚀出上焊盘、第二通孔、扭转梁、下焊盘；
(5)第三次光刻：将步骤4得到的结构对玻璃片采用湿法刻蚀技术刻蚀出连接框架、第一通孔、隔振梁、隔振平台；
(6)金属溅射：利用电子束蒸发技术在隔振平台上表面溅射金属焊点及金属引线，在隔振梁上表面和连接框架上表面溅射金属引线；采用化学气相工艺在上焊盘下表面、扭转梁下表面、下焊盘下表面，溅射一层绝缘层；利用电子束蒸发技术在上焊盘下表面、扭转梁下表面、下焊盘下表面，蒸发一层金属层；
(7)通孔引线：采用化学气相沉积工艺在连接框架中的第一通孔与上焊盘中的第二通孔中进行金属填充，完成通孔引线的制作；
(8)第四次光刻：取步骤1的硅衬底采用深反应离子刻蚀技术在硅衬底上刻蚀出高度为7～8μm的凸台；
(9)制作衬底绝缘层与金属薄膜：将步骤8刻蚀完的衬底采用化学气相工艺沉积一层1.5μm厚的绝缘层，采用电子蒸发技术在凸台上表面延至硅衬底的外端的绝缘层上蒸发一层2μm厚的金属薄膜；
(10)瞬时液相扩散连接：mems器件采用瞬时液相连接技术与隔振平台上的金属焊点进行电学连接，步骤6中下焊盘与硅衬底上的凸台采用瞬时液相连接技术进行电学连接。
作为优化方案，步骤1中的玻璃片的型号为pyrex玻璃7740玻璃片；步骤5中湿法刻蚀工艺中采用的腐蚀液为49％氢氟酸；步骤9中的绝缘层材料为二氧化硅。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
1.本发明通过设置双层隔振系统，提高隔振效果，弥补了被动补隔振中在高频振动中隔振性能不足的问题。
2.本发明由第一层隔振系统、第二层隔振系统、硅衬底组成，mems器件焊接于第一层隔振系统的上方；第一层隔振系统包括连接框架、隔振平台以及若干隔振梁；连接框架围在隔振平台外，若干所述隔振梁连接在连接框架与隔振平台之间；第二层隔振系统包括若干隔振组件，每个隔振组件由依次连接的下焊盘、扭转梁与上焊盘；且第一层隔振系统与第二层隔振系统隔振所包含的组件上均设有绝缘层，绝缘层上设有金属引线,金属引线相连,该结构简单无需附加电源，整个结构只有硅衬底上的金属薄膜与外部电路相连,大大降低了器件的功耗。
3.本发明中第一层隔振系统中的连接框架、隔振梁、隔振平台均为玻璃材料；第二层隔振系统中的下焊盘、扭转梁与上焊盘均由硅制成；主体结构为硅与玻璃材料，可采用mems工艺加工，适合大规模制备，有利于提高规模效益。
附图说明
图1是本发明用于mems器件隔振的双层隔振结构的爆炸示意图。
图2是本发明用于mems器件隔振的双层隔振结构的剖视图。
图3是第二层隔振系统俯视图。
图4是未键合mems器件双层隔振结构的示意图。
图5是完成步骤2后的剖视图。
图6是完成步骤3后的剖视图。
图7是完成步骤4后的剖视图。
图8是完成步骤5后的剖视图。
图9是完成步骤7后的剖视图。
图10是完成步骤8所示结构的剖视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，包括：
硅衬底101、凸台102、下焊盘201、扭转梁202、上焊盘203、第二通孔204、连接框架301、第一通孔302、隔振梁303、隔振平台304、硅基片305、玻璃片306、mems器件400。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种用于mems器件双层隔振结构自上而下依次包括第一层隔振系统、第二层隔振系统、硅衬底101；
如图1结合图2、图4所示，第一层隔振系统包括连接框架301、隔振平台304以及若干隔振梁303；连接框架301围在隔振平台304外，若干隔振梁303连接在连接框架301与隔振平台304之间；连接框架301靠近每个隔振梁303的位置均设有第一通孔302，第一通孔302内设有通孔引线；隔振梁303上表面设有绝缘层，绝缘层上设有金属引线；隔振梁303上表面的绝缘层上的金属引线与连接框架301的第一通孔302中的通孔引线相连；隔振平台304上表面的外围设置绝缘层，隔振平台304上表面外围的绝缘层上设有八个金属焊点，八个金属焊点上均设有金属引线；隔振平台304上表面的金属焊点上的金属引线与隔振梁303上表面绝缘层上的金属引线相连；mems器件400位于第一层隔振系统的上方，mems器件400与隔振平台304上的金属焊点焊接连接；
第二层隔振系统包括若干隔振组件，每个隔振组件由依次连接的下焊盘201、扭转梁202与上焊盘203构成；扭转梁202、上焊盘203、下焊盘201的下表面均设置绝缘层，绝缘层表面均设有金属薄膜；上焊盘203与第一层隔振系统的连接框架301相键合；上焊盘203上设有第二通孔204，第二通孔204内设有通孔引线；上焊盘203通过第二通孔204中的通孔引线与连接框架301的第一通孔302中的通孔引线相连从而将第二层隔振系统与第一层隔振系统连接起来；
硅衬底101的上表面设有绝缘层，硅衬底101上设置若干凸台102，每个凸台102与第二层隔振系统的一个下焊盘201对应连接；凸台102的上表面延至硅衬底101的外端在所述绝缘层上均覆盖有金属薄膜；硅衬底101上表面的金属薄膜与外部电路连接。
第一层隔振系统包括一个连接框架301、八根隔振梁303和一个隔振平台304；其中：
连接框架301与隔振平台304均为矩形；
隔振平台304设置在连接框架301的正中位置；
八根隔振梁303对称设置在所述连接框架301的四个角，连接框架301通过隔振梁303与隔振平台304固定连接；
第二层隔振系统包括八个下焊盘201、八个扭转梁202和八个上焊盘203；其中：
下焊盘201通过扭转梁202与所述上焊盘203连接，组成八个结构体，八个结构体对称设置；
硅衬底101为矩形，，硅衬底101上对称设置八个凸台102，八个凸台102与第二层隔振系统的八个下焊盘201一一对应连接。
作为最佳实施方式，第一层隔振系统中连接框架301上的第一通孔302与第二层隔振系中上焊盘203上的第二通孔204在结构上下对齐。
作为最佳实施方式，第一层隔振系统中的隔振梁303为l型梁，u型梁或矩形简支梁中的一种，厚度与隔振平台304相同，与隔振平台304之间的间隔通常在微米到毫米量级。
如图3所示，第二层隔振系统中的扭转梁202为两个半矩形支梁和一个直线型梁组合而成的变形的h型梁，扭转梁202的一端与下焊盘201连接，扭转梁202的另一端与上焊盘203连接；
绝缘层均由氧化硅或氮化硅制成，金属焊点、金属薄膜、通孔与金属引线均由钛或金制成；第一层隔振系统中的连接框架301、隔振梁303、隔振平台304均为玻璃材料；第二层隔振系统中的下焊盘201、扭转梁202与上焊盘203均由硅制成。
本实施例所述的mems器件隔振的双层隔振结构，由第一层隔振系统、第二层隔振系统、硅衬底101组成；mems器件400焊接于第一层隔振系统上方；第一层隔振系统包括连接框架301、隔振平台304以及若干隔振梁303；连接框架301围在隔振平台304外，若干所述隔振梁303连接在连接框架301与隔振平台304之间；第二层隔振系统包括若干隔振组件，每个隔振组件由依次连接的下焊盘201、扭转梁202与上焊盘203；且第一层隔振系统与第二层隔振系统隔振所包含的组件上均设有绝缘层；本发明通过设置双层隔振系统，提高隔振效果，弥补了被动补隔振中在高频振动中隔振性能不足的问题；同时该隔振结构简单且无需附加电源，大大降低了器件的功耗，既节能又降低了运作成本。
本发明的工作原理说明如下：
集成mems器件的双层隔振结构其原理可视为采用级联的“质量-弹簧-阻尼”结构隔振原理。在双层隔振结构中，第一层隔振系统中隔振梁303与隔振平台304组成双层隔振结构中的第一级“质量-弹簧-阻尼”结构；第二层隔振系统与连接框架301组成双层隔振结构中的第二级“质量-弹簧-阻尼”结构。隔振平台304与连接框架301、隔振梁303与第二层隔振系统分别为第一级与第二级“质量-弹簧-阻尼”结构中的“质量”与“弹簧”，其中第一级与第二级“质量-弹簧-阻尼”结构中的阻尼均为空气阻尼。
当集成mems器件双层隔振结构受到外界环境振动激励时,硅衬底101受到与外界环境同等激励的振动强度。当外界振动激励由硅衬底101传递到下焊盘201时，由于扭转梁202存在将衬底101与连接框架301之间的近刚性连接转变成了弹性连接，从而大大减少了传递到连接框架301上的振动强度；且同时由于硅衬底101与连接框架301之间空气阻尼的存在,进一步消耗了传递到连接框架301振动强度。同理传递到连接框架301的振动强度，由于隔振梁303的存在将连接框架301与隔振平台304之间的近刚性连接转变成了弹性连接，从而进一步减弱传递到隔振平台304的振动强度，同时由于隔振平台304与硅衬底101之间空气阻尼的存在进一步消耗了传递到隔振平台304的振动强度。
实施例2：
制备用于mems器件隔振的双层隔振结构的步骤如下：
(1)备片：准备一块475μm厚双面抛光的硅基片305，一块500μm厚的玻璃片306，一块500μm厚的硅衬底101；
(2)第一次光刻：如图5所示，将双面抛光的硅基片305用去离子水清洗，将清洗好的双面抛光硅基片305旋涂一层光刻胶，用掩模版进行电感耦合等离子体(icp)刻蚀，刻蚀出高度为3～4μm的浅台阶；
(3)硅玻键合：如图6所示，利用键合技术将步骤2刻蚀后的硅基片305带有浅台阶的一面与步骤1中的玻璃片306进行键合；
(4)第二次光刻：如图7所示，利用深反应离子刻蚀技术将步骤3得到的键合后的硅－玻璃结构中硅基片305的背面刻蚀出上焊盘203、第二通孔204、扭转梁202、下焊盘201；
(5)第三次光刻：如图8所示，将步骤4得到的结构对玻璃片306采用湿法刻蚀技术刻蚀出连接框架301、第一通孔302、隔振梁303、隔振平台304；
(6)金属溅射：如图9所示，利用电子束蒸发技术在隔振平台304上表面溅射金属焊点及金属引线，在隔振梁303上表面和连接框架301上表面溅射金属引线；采用化学气相工艺在上焊盘203下表面、扭转梁202下表面、下焊盘201下表面，溅射一层绝缘层；利用电子束蒸发技术在上焊盘203下表面、扭转梁202下表面、下焊盘201下表面，蒸发一层金属层；
(7)通孔引线：采用化学气相沉积工艺在连接框架301中的第一通孔302与上焊盘203中的第二通孔204中进行金属填充，完成通孔引线的制作；
(8)第四次光刻：取步骤1的硅衬底101采用深反应离子刻蚀技术在硅衬底101上刻蚀出高度为7～8μm的凸台102；
(9)制作衬底绝缘层与金属薄膜：如图10所示，将步骤8刻蚀完的硅衬底101采用化学气相工艺沉积一层1.5μm厚的绝缘层，采用电子蒸发技术在凸台102上表面延至硅衬底101的外端的绝缘层上蒸发一层2μm厚的金属薄膜；
(10)瞬时液相扩散连接：mems器件400采用瞬时液相连接技术与隔振平台304上的金属焊点进行电学连接，步骤6中下焊盘201与硅衬底101上的凸台102采用瞬时液相连接技术进行电学连接。
作为最佳实施方式，步骤1中的玻璃片306的型号为pyrex玻璃7740玻璃片；所述金属薄膜、金属焊点、金属引线、通孔引线均由金制成；所述步骤5中湿法刻蚀工艺中采用的腐蚀液为49％氢氟酸；所述步骤9中的绝缘层材料为二氧化硅。
本实施例中，第一层隔振系统中的连接框架301、隔振梁303、隔振平台304均为玻璃材料；第二层隔振系统中的下焊盘201、扭转梁202与上焊203盘均由硅制成；主体结构为硅与玻璃材料，可采用mems工艺加工，适合大规模制备，有利于提高规模效益。
以上内容并非对本发明的结构、形状作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。