一种用于微机电器件的片上应力隔离结构及其设计方法与流程

本发明属于微机电传感器与执行器、微机电系统
技术领域：
，特别涉及一种用于微机电器件的片上应力隔离结构及其设计方法。
背景技术：
：微机电器件结构中的应力往往严重地影响器件的性能。例如，有些微机电传感器靠应力效应来敏感物理量，而结构中的应力会直接造成微机电传感器的输出误差；有些传感器和执行器中结构应力的变化会改变微机电器件结构的几何参数，例如结构位置的偏移、角度的偏转，从而改变结构的物理参数模型，间接造成传感器的输出误差。微机电器件结构中应力的可能来源一是来自于器件外部，通过封装结构传递到器件内部，二是由于微机电器件内部多层结构材料之间热膨胀性能的不匹配而产生应力。目前，常用的削弱微机电器件结构中应力的方法包括：1)在微机电器件结构与其封装壳体之间采用弹性金属结构连接，或采用低弹性模量的胶粘接，以削弱通过封装壳体引入的形变和应力；2)在微机电结构的设计上采用单锚点支承结构，或缩小各锚点之间的距离，以减小内部应力的产生。然而，采用弹性结构连接微机电器件结构与封装壳体的方法会增大微机电器件的体积；采用单锚点支承或缩小各锚点之间的距离的方法则受微机电结构本身功能和性能设计的限制，难以用于复杂的微机电结构。技术实现要素：针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于微机电器件的片上应力隔离结构及其设计方法，采用环形结构实现微机电器件的应力隔离。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：本发明的第一个方面，是提供一种用于微机电器件的片上应力隔离结构，其包括设置在微机电器件结构和外部支承结构之间的至少一个环形隔离子；每一所述环形隔离子均包括一环形结构和对称设置在所述环形结构两侧的对内、对外两个连接端，所述对外连接端用于与所述外部支承结构相连，所述对内连接端用于与所述微机电器件相连。进一步的，所述环形隔离子的制作材料与所述微机电器件的制作材料相同。进一步的，所述环形隔离子上还设置有多个其他连接端，各所述其他连接端均匀分布在所述环形结构外侧。进一步的，所述环形结构包括圆形环结构和矩形环结构。进一步的，所述矩形环结构的对内、对外连接端分别设置在所述矩形环的两长边上。本发明的另一个方面，是提供一种用于微机电器件的片上应力隔离结构的设计方法，其包括以下步骤：1)分别对不同类型的环形隔离子进行刚度特性分析，得到不同类型环形隔离子的在平面内两个垂直方向上的刚度值分析结果；2)根据得到的不同类型环形隔离子的刚度值分析结果以及其与需要削弱应力的微机电器件的连接关系，对环形隔离子的结构参数进行设计。进一步的，所述步骤1)中，分别对不同类型的环形隔离子进行刚度特性分析，得到不同类型环形隔离子的刚度值分析结果的方法为：首先，将不同类型的环形隔离子的对外连接端固定，然后在环形隔离子的对内连接端施加平均分布的力载荷；然后，以环形隔离子的对内连接端的形心在x和y两个方向上的位移作为变形量；最后，采用有限元仿真法，根据施加的力载荷和实际的变形量，得到不同类型环形隔离子在平面内两个垂直方向上的刚度值分析结果。进一步的，所述步骤2)中，根据得到的不同类型环形隔离子的刚度值分析结果以及其与需要削弱应力的微机电器件的连接关系，对环形隔离子的结构参数进行设计的方法为：首先，根据微机电器件与外部支承结构的位置关系，确定所需的环形隔离子的数量以及环形隔离子与微机电器件与外部支承结构的连接方式；然后，根据环形隔离子对对平面内两个垂直方向上支承刚度的要求，确定各环形隔离子需要实现应力隔离方向的刚度方向及刚度值；最后，根据步骤1)得到的不同类型的环形隔离子在平面内两个垂直方向上的刚度值分析结果，确定各环形隔离子的结构参数。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明由于环形隔离子的对内、对外连接端能够直接与微机电器件和外部支承结构相连，相对于常规的在微机电器件安装结构或封装壳体内设置弹性连接器，本发明的环形隔离子具有更小的尺寸；2)本发明由于圆形环应力隔离子在平面内两个垂直方向上的刚度差别大，有利于简化隔离子参数设计，而矩形环应力隔离子具有更小的尺寸，适用范围更广；3)本发明由于应力隔离子的制作材料与需要消除应力的微机电器件材料相同，只要参数设置合理，对需要进行应力隔离的微机电结构的特性影响非常小，避免了应力隔离子的引入对微机电器件本身性能的影响；4)本发明由于环形隔离子尺寸较小，不仅适用于支承点在外围的微机电结构，同时适用于不能采用单锚点支承或短间距多锚点支承的结构，应用范围更广。因此，本发明可以广泛应用于微机电器件的应力隔离领域。附图说明图1是本发明用于微机电器件的片上应力隔离结构的使用方法示意图；图2是本发明用于微机电器件的片上应力隔离结构的示意图；图3是本发明另一用于微机电器件的片上应力隔离结构的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1～3所示，本发明提供的一种用于微机电器件的片上应力隔离结构，其包括设置在已有微机电器件结构1和外部支承结构2之间的至少一个环形隔离子3。其中，每一环形隔离子3均包括一环形结构31和对称设置在环形结构两侧的对内、对外两个连接端32、33，对内连接端32用于与内部需要隔离应力的微机电器件结构1相连，对外连接端33用于与外部支承结构2(例如锚点)相连。该微机电器件1包括设置在基片11上由微机电核心结构12和框架13构成的结构层，其中，结构层以硅为制作材料，基片11以玻璃为制作材料。环形隔离子3把该微机电器件结构1与外部支承结构2锚点隔离，且环形隔离子3采用材料类型与微机电器件结构1相同，其本身容易发生变形，则通过外部支承结构2传递而来的热变形和热应力可以被隔离在微机电核心结构12之外，削弱热应力对微机电器件性能的影响，微机电器件结构的精度得到提高。上述实施例中，环形隔离子3的环形结构31包括圆形环结构(如图2所示)、矩形环结构(如图3所示)、椭圆形结构或其他适宜的环形结构。当采用矩形环结构时，对内、对外两连接端分别设置在矩形环的两长边上，以提高应力隔离效果。上述实施例中，环形隔离子3采用与需要隔离应力的微机电器件同种材料制作。上述实施例中，环形隔离子3上还可以设置多个其他连接端(图中未显示)，各其他连接端均匀分布在环形结构外侧，用于减少多个被连接部分相互间的应力传递。基于上述用于微机电器件的片上应力隔离结构，本发明还提供一种用于微机电器件的片上应力隔离结构的设计方法，包括以下步骤：1)分别对不同类型的环形隔离子3进行刚度特性分析，得到不同类型环形隔离子3的在平面内两个垂直方向上的刚度值分析结果。本发明中以圆形环和矩形环为例进行介绍，由于圆形环和矩形环隔离子具有不同的刚度特性，因此其结构参数与刚度的关系也需要确定。但是对于各项异性材料的环形结构而言，其刚度并无理论解，需要用有限元仿真的方法来计算。如图1和图2所示，首先固定环形隔离子3的左端面(对外连接端)，而在对右端面施加平均分布的力载荷，使得环形结构发生变形；然后，取右端面形心在x和y两个方向上的位移作为变形量；最后，采用有限元仿真法，以施加的力分别除以各方向的变形量，便可以得到不同类型环形隔离子在平面内两个垂直方向上的刚度值，本发明将环形隔离子在x方向的刚度称谓主刚度，在y方向的刚度称为次刚度。表1给出了一些具体尺寸参数下环形隔离子在x方向和y方向的刚度值kx和ky。表1一些尺寸参数及对应的刚度值隔离环形状d(μm)t(μm)kx(n/m)ky(n/m)圆形环100107.324×1046.547×103圆形环200108.435×1039.031×102圆形环200206.018×1044.137×103矩形环100101.092×1058.131×104矩形环200101.489×1044.454×104矩形环200208.764×1045.543×104由表1中数据可见，在给出的结构参数下，对于相等的尺度d和t值(其中，d是圆形环隔离子的圆形中心线的直径或矩形环的长度，t是圆形环或矩形环隔离子的壁厚)，圆形环隔离子在x方向的刚度(以下称“主刚度”)略低于矩形环，在y方向的刚度(以下称“次刚度”)则比矩形环低1个数量级。矩形环的主刚度和次刚度是在同一个数量级上。也即，矩形环隔离子相比圆形环隔离子的优势是，为了得到一定的刚度，矩形环隔离子占据的面积更小。采用圆环形隔离子的优势是，由于其次刚度远低于主刚度，设计时可以忽略次刚度对整体结构的影响。2)根据得到的不同类型环形隔离子的刚度值分析结果以及其与需要削弱应力的微机电器件的连接关系，对环形隔离子的结构参数进行设计。对环形隔离子的结构参数进行设计时，首先根据微机电器件与外部支承结构的位置关系，确定所需的环形隔离子的数量以及环形隔离子与微机电器件与外部支承结构的连接方式；然后根据环形隔离子对平面内两个垂直方向上支承刚度的要求，确定各环形隔离子需要实现应力隔离方向的刚度方向及刚度值；最后，根据步骤1)得到的不同类型的环形隔离子在平面内两个垂直方向上的刚度值分析结果，确定各环形隔离子的结构参数，即确定环形隔离子的d和t值。图1中，采用四个环形隔离子对以硅为结构层，以玻璃为基片的微机电器件结构，意图隔离硅和玻璃在x方向上热变形的不匹配。微机电器件的核心结构支承在刚度很大的框架上，框架与锚点用环形隔离子连接。由于环形隔离子在x方向上与框架相比具有较低的刚度，所以不同温度下结构的变形将主要发生在环形隔离子上。由于框架和微机电器件的核心结构都是硅材料，所以在温度变化时它们之间不会产生应力。当然仍然会有较小的应力通过环形隔离子传递到微机电器件的核心结构上，微机电核心器件结构中应力的大小，或者说应力隔离的效果取决于环形隔离子和框架的参数设计。图1中采用了圆形环隔离子，由于圆环形隔离子的次刚度比主刚度低一个数量级，因此整体支承结构在y方向的支承刚度主要取决于b1和b2的主刚度，而受a1和a2的影响很小。在设计隔离结构参数时，只需要设计好希望实现应力隔离的方向的刚度，而无须担心隔离子在y方向的刚度对y方向隔离子隔离效果的影响。在x方向，则反过来。因此a1和a2主要在x方向起到支承作用并决定应力隔离效果，b1和b2主要在y方向起到支承作用并决定应力隔离效果。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。当前第1页12