一种质量离散化的MEMS器件抗冲击结构及设计方法与流程

本发明涉及电子领域，具体涉及一种mems器件的抗冲击结构及设计方法。

背景技术：

mems传感器通过测量微小敏感结构的某种变化来实现相应待测量的测量。mems(microelectromechanicalsystem)传感器具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点。mems传感器按其感知量可以分为mems力学传感器、mems化学传感器、mems生物传感器、mems流量传感器等。

mems惯性传感器是一种应用极为广泛的mems力学传感器。mems惯性传感器包括检测加速度的mems加速度传感器和检测角速度的mems陀螺仪，其可广泛的应用于军事和民用领域。在工业自动化领域，其主要应用于先进的自动安全系统、高性能的导航系统、航行稳定性、翻滚的检测和预防、以及安全气囊和制动系统。在消费电子产品领域，主要应用于手机、平板电脑等数码产品、摄影器材中的图像稳定、虚拟现实产品以及计算机游戏。在军事应用方面，主要运用于弹药的惯性制导、飞行器的导航和姿态控制、平台稳定、便携式单兵导航等。

在一些大冲击和强振动应用场合，mems传感器需具备相应的抗冲击能力才能保证器件不发生失效或性能退化，实现恶劣环境下对被测量的测量感知。

现有技术及存在的不足：

为解决大冲击和强振动环境下，mems器件易发生失效或性能退化的问题，国内外相关研究人员提出了多种解决途径：

发明专利申请《一种带声学腔的电容式加速度传感器》提出在加速度传感器敏感结构的背面设计加工出带有阻尼孔和限位凸点的背极板。通过综合运用背极板上的阻尼孔调节系统阻尼，同时利用限位凸点防止过载时的粘附，提高了电容式加速度传感器抗强冲击的能力。

发明专利申请《一种抗高过载的mems陀螺》提出在陀螺质量块的四周对称分布带有防撞凸点的固定块，同时在质量块中心掏空区域设置带有防撞凸点的中心固定块，质量块采用网格空腔设计，提高陀螺抗过载能力。

发明专利申请《防止mems组件过渡移动的装置》提出一种防止mems器件损坏的止动装置，该止动装置设置在mems器件的上方，实现限制mems麦克风背板的超幅值移动。

发明专利申请《微机电系统器件、减速挡块、减轻冲击的方法及陀螺仪》、欧洲专利申请ep2146182a1《multistageproof-massmovementdecelerationwithinmemsstructure》提出从质量块上延伸出至少一个减速梁。减速梁与减速凹槽构造成减速结构，使得陀螺梳齿结构在冲击条件下发生碰撞之前得以减速或停止。

美国专利uspatent8596123b2《memsdevicewithimpactingstructureforenhancedresistancestiction》提出了一种“t”型的垂直止挡结构，以实现限制质量块垂直方向运动位移的目的。

美国专利uspatent5111693《motionrestraintsformicromechanicaldevices》提出了在运动结构与止挡结构之间加工一层特殊材料，例如金，防止运动结构与止挡结构在碰撞接触后发生粘连。止挡结构为由衬底沉积生长出的悬臂梁结构或柱帽型结构。

美国专利us2009/0194397a1《planarmicroelectromechanicaldevicehavingastopperstructureforout-of-planemovements》提出一种耦合固定于质量块下方的止挡结构。当结构检测到错误的转动时，止挡结构实现阻止质量块沿垂直方向的运动。

美国专利us2010/0223997a1《accelerometerwithover-travelstopstructure》提出一种防止质量块超过设定运动范围的止挡结构。该止挡结构特别设计固定连接在结构衬底质量块锚点与敏感轴连接线上。

美国专利uspatent5721377《angularvelocitysensorwithbuilt-inlimitstops》、美国专利uspatent6065341《semiconductorphysicalquantitysensorwithstopperportion》、美国专利uspatent4882933《accelerometerwithintegralbidirectionalshockprotectionandcontrollableviscousdamping》、美国专利uspatent4882933《accelerometerwithintegralbidirectionalshockprotectionandcontrollableviscousdamping》、美国专利uspatent6865944b2《methodsandsystemsfordeceleratingproofmassmovementswithinmemsstructures》、美国专利uspatent2002/0046602a1《micromachineddeviceswithstopmembers》、美国专利uspatent2013/0019678a1《limitingtravelofproofmasswithinframeofmemsdevice》等均从不同设计和制造工艺角度设计了不同结构形式和不同加工工艺的各种类型止挡结构，提升了mems器件的抗过载能力。

现有国内外专利几乎都是在mems传感器活动质量块的外围布置止挡结构，限制质量块的运动位移，进而实现在大冲击和强振动环境下对mems敏感结构的保护。

止挡结构需要根据不同应用场景中mems传感器的不同可靠性要求进行设计。止挡结构与质量块的间距既要大于传感器正常工作时质量块的最大运动位移，又要保证大冲击和强振动环境下质量块在与止挡结构接触后限制质量块的运动，避免质量块超设计范围的大幅偏移造成的梁断裂或梳齿结构碰撞断裂等结构失效。

止挡结构的电位通常也需要进行特殊设计。一般mems传感器的活动质量电位为非零值，布置在活动质量块周围的止挡结构需要设计为绝缘或者与质量块等电位。因为若外围止挡结构与质量块之间形成电场，则该电场将会在质量块与止挡结构之间产生相互吸引的静电力。该静电吸引力不利于质量块在与止挡碰撞接触后分离并恢复初始位置。因此止挡结构一般需要与质量块进行等电位连接设计。

极强的冲击环境下，固定止挡结构由于刚度很大，不易发生变形，不利于缓冲吸收冲击产生的惯性力，导致可动结构与固定止挡接触部位应力很大，容易发生破碎、断裂等失效。因此极强的冲击环境下，需要设计弹性止挡结构，这进一步的增加了mems传感器的设计难度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种质量离散化的mems器件抗冲击结构及设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种质量离散化的mems器件抗冲击结构，将mems器件敏感结构中的质量块离散为多个子质量块，各子质量块分别由独立的梁支撑在衬底上；

各子质量块分别对应设置检测其运动信号的子检测电极；位于各子质量块同一偏转方向侧的各子检测电极串联连接。

进一步地，各子质量块在水平方向或/和在垂直方向上排列。

进一步地，多个子质量块采用晶圆堆叠的方式进行垂直方向的排列。

进一步地，采用tsv的方式将堆叠的相对应的同一侧的子检测电极串联连接。

进一步地，每一子质量块、对应检测该子质量块运动信号的子检测电极和对应支撑该子质量块的梁构成一子结构；

位于水平方向上的各子结构呈轴对称排列、反对称排列、阵列式排列或错位阵列排列。

进一步地，离散后的多个子质量块的总质量不小于原整体质量块的质量。

一种质量离散化的mems器件抗冲击设计方法，其特征是，将mems器件敏感结构中的原整体质量块离散为n个子质量块，每个子质量块的质量为其中m0为原整体质量块的质量，m为整体质量块与单个子质量块的质量之比；各子质量块分别由独立的梁支撑在衬底上；每个子质量块的梁的弹性系数为其中k0为支撑原整体质量块的弹性梁的弹性系数，k为支撑原整体质量块的弹性梁与支撑单个子质量块的梁的弹性系数之比；每个子质量块的检测电容面积为其中a0为原整体质量块的检测电容面积，a为原整体质量块与单个子质量块的检测电容面积之比；冲击产生的每个子质量块绕梁的偏转角与原整体质量块绕弹性梁的偏转角之比为通过设计系数k和m的数值，使实现偏转角减小和抗过载能力提升。

进一步地，相同加速度a0输入情况下，离散设计后检测电容变化量δca1与原整体设计检测电容变化量δca0的比为

为保证mems器件的灵敏度在离散化设计后不降低，即δca1≥δca0，则需

结合设计要求则需因此，设计n＞a。

本发明通过将质量块离散成各子质量块，使各子质量块的质量、面积进行了减小，对应的冲击加速度在子质量块上产生的惯性力也相应的减小。通过合理设计，单个子质量块的抗冲击能力较原有整体质量块大幅提升。该方法不仅可以提高mems器件的抗冲击能力，也可用于抑制mems器件敏感结构受加速度影响而产生的g灵敏度。

本发明所达到的有益效果：

本发明的质量离散化的mems器件抗冲击结构及设计方法，通过将质量块离散成各子质量块，使各子质量块的质量、面积进行了减小，对应的冲击加速度在子质量块上产生的惯性力也相应的减小。通过合理设计系数k和m的数值，使单个质量块的抗冲击能力可以较原有整体质量块大幅提升。质量块离散后，对应的检测电极的面积也相应的减小，通过合理设计系数n和a的数值，使n＞a，可以实现检测灵敏度在质量块离散优化设计后不降反升。

对于mems陀螺仪，该方法不仅可以提高mems陀螺仪的抗冲击能力，也可以抑制mems陀螺仪受重力加速度的影响。

本专利提出的方法不仅适用于z轴扭摆式mems电容加速度计，也适用于三明治式mems加速度计、梳齿式mems加速度计、mems陀螺仪、mems压力传感器、mems麦克风等各类mems传感器。

附图说明

图1为z轴扭摆式mems电容加速度计敏感结构示意图。

图2为z轴扭摆式mems电容加速度计敏感结构俯视示意图。

图3为质量离散设计的z轴扭摆式mems加速度计敏感结构俯视示意图。

图4为质量离散设计的z轴扭摆式mems加速度计敏感结构构成示意图。

图5为质量离散设计的z轴扭摆式mems加速度计电极引线示意图。

图6为质量离散设计的z轴扭摆式加速度计各子模块分布示意图。

图7为质量离散设计的z轴扭摆式加速度计各子模块交叉分布示意图。

图8为梳齿式mems电容加速度计敏感结构俯视示意图。

图9为质量离散设计的梳齿式加速度计敏感结构俯视示意图。

图10为质量离散设计的晶圆堆叠的mems加速度计引线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本专利提出了一种质量离散化的mems器件抗冲击设计方法。

下面以z轴扭摆式mems电容加速度计为例阐述质量离散化的mems器件抗冲击方法，但本方法不局限于z轴扭摆式mems加速度计的抗冲击设计，本方法可以广泛的适用于其他结构形式的mems加速度计，也适用于mems陀螺仪、mems压力传感器等mems传感器的抗冲击设计。

传统mems电容加速度计由质量块、弹性梁、锚点、检测电极和硅衬底等组成。其中弹性梁一端与质量块连接，另一端与锚点连接。锚点固定连接在硅衬底上。质量块通过弹性梁和锚点悬浮于硅衬底上。传统z轴扭摆式mems电容加速度计的质量块由一个较大的完整质量块构成。

mems加速度计的白噪声公式为

其中kb为玻尔兹曼常数，t为温度，ω为角频率，bw为带宽，m为质量，q为品质因数。由式(1)可知，增大mems加速度计的质量是降低mems加速度计噪声的一种有效手段。这也是mems传感器需要较大质量块的原因。

假设mems加速度计的活动质量块绕梁的转动惯量为i0，mems加速度计质量块连接梁的总弹性系数为k0，f0为mems加速度计质量块的工作模态固有频率，则质量块的工作模态角频率为

mems加速度计正常工作时，检测轴向输入加速度a0时，z轴扭摆式mems电容加速度计的质量块绕弹性梁的偏转角可表示为

其中m0为输入加速度在质量块上产生的扭矩，q为品质因数，ω0为加速度计质量块的工作模态角频率，ωin为输入加速度的角频率，其中m0与转动惯量i0成正比。通常设计ω0＞＞ωin，因此

布置在质量块下方的检测电极用于测量质量块绕扭转梁的运动偏转角。由电容的计算公式可知，电容值与电容极板的面积a0成正比。假设偏转角与电容变化量的转换系数为kθ2c，则当输入加速度a0时，z轴扭摆式mems电容加速度计的质量块偏转角θ0产生的电容变化量近似可表示为

δca0≈kθ2ca0θ0(4)

借助于电容/电压转换电路，可以实现电容变化量的检测，进而可以反推计算出输入加速度a0。

上述为mems加速度计正常工作时的情况。假设当外界发生z轴冲击时，冲击加速度为ashock＝kaa0，其中ka为冲击加速度与正常工作加速度之比。则冲击加速度造成的质量块绕弹性梁的偏转角为

其中m0_shock为外界输入冲击加速度ashock时整体质量块产生的扭矩。

一般情况下ka约为100～10000不等。因此冲击造成的质量块绕弹性梁的偏转角θ0_shock远远大于加速度计正常工作时的偏转角度θ0。为避免质量块绕弹性梁偏转角过大而造成质量块与电极发生碰撞，产生结构失效，可以提高弹性梁的刚度来减小冲击造成的质量块绕弹性梁的偏转角，但提高结构的弹性梁刚度将造成加速度计敏感结构灵敏度下降，加速度计将损失部分性能。故通常设计采用止挡结构限制质量块偏转角度，避免质量块与电极发生碰撞，进而实现提高加速度计抗冲击能力。当冲击量级较低时，该方法能够有效的实现原有mems器件结构的抗冲击能力提升，但冲击量级较高时，当止挡结构与质量块接触限制质量块进一步运动时，止挡结构与质量块接触面可能会发生破碎、断裂等失效现象。

本方法提出了一种mems器件抗冲击设计的新思路：将mems器件敏感结构中的质量块设计成离散的多个小质量块。每个离散后的小质量块由独立的弹性梁结构支撑。由于质量块离散后，质量成倍降低，每个离散后的小质量块在相同冲击作用下产生的扭矩m0_shock也成倍降低了，冲击在每个离散后的小质量块上产生的偏转角度也成倍的降低了。虽然伴随着质量块的离散化，每个离散后的小质量块上的检测电容也成倍降低，但是通过将这些离散后的小质量块上的检测电容相应的串联起来，可以实现离散后总检测电容灵敏度与原有设计保持基本相同。甚至可以设计增加小质量块的数量，使得所有离散质量块的总质量大于原有整体质量块的质量，在实现提高mems器件抗冲击能力的同时，还增加敏感结构的总质量，提高器件的机械灵敏度。具体设计分析如下：

设计mems器件的质量块离散成n(n为正整数)个独立的子质量块，每个子质量块的质量为其中m0为原整体质量块的质量，m为整体质量块与单个子质量块的质量比。每个子质量块的单独的梁支撑，每个子质量块的连接梁的弹性系数为其中k0为原整体质量块结构的弹性梁的弹性系数，k为原整体结构弹性梁与单个子质量块的弹性梁的弹性系数之比。由于质量块绕梁旋转的转动惯量正比于质量，因此每个子质量块绕其梁结构旋转的转动惯量其中i0为原整体质量块结构的转动惯量。每个子质量块的工作模态角频率为每个子质量块的检测电容面积也随离散化相应减小为其中a0为原整体质量块结构的检测电容面积，a为原整体结构与单个子质量块结构的检测电容面积之比。

mems加速度计正常工作时，检测轴向输入加速度a0时，离散设计的z轴扭摆式mems电容加速度计的每个子质量块绕弹性梁的偏转角可表示为

其中m1为输入加速度a0在每个子质量块上产生的扭矩，q为工作模态品质因数，ω1为每个子质量块的工作模态角频率，ωin为输入加速度的角频率，其中m1与转动惯量为i1成正比。设计使得ω1＞＞ωin，因此

每个子质量块产生的电容变化量近似可表示为

δca1≈kθ2ca1θ1(7)

当外界输入冲击加速度ashock时，每个子质量块产生的扭矩为m1_shock。由于每个子质量块的质量减小了m倍，因此每个子质量块绕弹性梁的偏转角为

冲击产生的每个子质量块绕弹性梁的偏转角与整体设计的质量块绕弹性梁的偏转角之比为

由上式可知，当时，也就是说子质量块的弹性梁弹性系数大于原整体质量块设计的弹性梁弹性系数1/m倍，即可实现相同大小冲击作用情况下离散化的新结构比原有整体结构产生的偏转角减小k/m倍，也就是抗过载能力提升了m/k倍。这可以通过合理的设计系数k和m的数值来实现。

离散质量块设计造成了子质量块的机械灵敏度降低。质量离散后造成的检测电极也相应的被离散。因此通过引线的方式可以将离散的电极串联，使得检测的电信号相加，以补偿离散设计造成的信号减小的问题。

离散设计前后，相同加速度a0输入情况下，离散设计后检测电容变化量δca1与原整体设计检测电容变化量δca0的比为

由上式可知，为保证mems加速度计的灵敏度在离散化设计后不降低，即δca1≥δga0，则需而为了提高结构抗冲击能力，设计要求故而需要即n＞a。

通常mems器件的敏感结构层的厚度受制造工艺限制固定，因此质量块离散后，子质量块的质量减小m倍，其质量块的面积也减小m倍，对应的检测电极的面积也会相应的减小m倍。因此通常情况下m＝a。故而通过增加离散后的子质量块的总数n，即n＞m，可以实现检测灵敏度在质量块离散优化设计后不降反升，同时还可以提高mems器件的抗冲击能力。

本专利提出的mems器件抗冲击结构和设计方法不仅局限于z轴扭摆式mems电容加速度计，也可适用于三明治式mems加速度计、梳齿式mems加速度计、mems陀螺仪、mems压力传感器、mems麦克风等各类mems传感器。

由于mems陀螺仪的g灵敏度指标表征的是mems陀螺对线加速度计的敏感程度，因此该方法不仅可以提高mems陀螺仪的抗冲击能力，也可以抑制mems陀螺仪的g灵敏度。

质量块的离散不仅可以平面内离散，也可以采用晶圆堆叠的方式进行垂直方向的离散。垂直方向离散后，可以采用tsv的方式将堆叠结构中相对应的电极串联，实现信号的相加。

以z轴扭摆式mems电容加速度计为例，传统z轴扭摆式mems电容加速度计由质量块101、弹性梁103a和103b、锚点102a和102b、检测电极104a和104b，硅衬底等组成，如图1和图2所示。其中弹性梁103a一端与质量块101连接，另一端与锚点102a连接。弹性梁103b一端与质量块101连接，另一端与锚点102b连接。锚点102a和102b固定连接在硅衬底上。质量块101通过弹性梁103a、103b和锚点102a、102b悬浮于硅衬底上。布置在质量块101下方两端的检测电极104a和104b与质量块101构成一组差分电容对。传统z轴扭摆式mems电容加速度计的质量块由一个较大的完整质量块101构成。

设计将弹性梁103偏移质量块101的中心对称轴布置，使得质量块101在沿弹性梁103所在轴线两侧的质量不同。当外界输入z轴加速度时，两侧不等的质量产生绕梁103所在轴的扭转力矩，质量块101在z轴加速度作用下绕梁103发生偏转，布置在质量块下方两端的检测电极104a和104b检测到一对方向相反的输出信号，经过后续检测电路的差分放大，输出偏转角度信号，最终根据输出的偏转角度信号可以推算出z轴输入加速度。

当存在z轴强冲击或强振动时，质量块101在冲击或振动作用下可能会与检测电极104发生强烈碰撞。强烈碰撞可能会造成碰撞接触部位发生破碎或断裂。为避免该情况的发生，常用的设计方法为在质量块下方设计加工出高于检测电极104的止挡凸点结构。但由于止挡凸点结构和与其接触的质量块101均为刚性结构，不易发生变形，因此强冲击条件下的止挡结构与质量块下底面碰撞后，易造成结构破损或断裂。

为提高器件抗强冲击或振动的能力，本专利提出了一种质量离散的mems器件抗冲击设计方法。将原设计的结构分割离散为若干子结构，实现将质量块的离散化。本实施例中，以离散化为4个子结构为例，如图3所示。原设计的结构分割为4个相同的子结构201a、201b、201c和201d，如图4所示。图3中子结构201a、与201b为轴对称，201c与201d为轴对称，子结构201a、201b与201c、201d为轴对称。

子结构201a由新的质量块301a、弹性梁303a和303b、锚点302a和302b、检测电极304a和304b组成；子结构201b由新的质量块301c、弹性梁303c和303d、锚点302c和302d、检测电极304c和304d组成；子结构201c由新的质量块301e、弹性梁303e和303f、锚点302e和302f、检测电极304e和304f组成；子结构201d由新的质量块301g、弹性梁303g和303h、锚点302g和302h、检测电极304g和304h组成，如图4所示。每个子结构内的连接关系与传统z轴扭摆式mems电容加速度计相同。以子结构201a为例，弹性梁303a一端与质量块301a连接，另一端与锚点302a连接；弹性梁303b一端与质量块301a连接，另一端与锚点302b连接。锚点302a和302b固定连接在硅衬底上。质量块301a通过弹性梁303a、303b和锚点302a、302b悬浮于硅衬底上。布置在质量块301a下方两端的检测电极304a和304b与质量块301a构成一组差分电容对。其余子结构201b、201c、201d同理。

当输入z轴正向加速度时，质量块301a朝靠近检测电极304a的方向发生偏转，质量块301c朝靠近检测电极304d的方向发生偏转，质量块301e朝靠近检测电极304e的方向发生偏转，质量块301g朝靠近检测电极304h的方向发生偏转。此时检测电极304a、304d、304e和304h检测到的信号方向是同向，检测电极304b、304c、304f、304g检测到的信号方向是反向的。如图5所示，通过设计引线402可以将相同信号的检测电极304a、304d、304e和304h串联，即将检测电极304a、304d、304e和304h检测到的信号相加后连接到键合点401a和401c。通过引线403可以将相同信号的检测电极304b、304c、304f和304g串联，即将检测电极304b、304c、304f和304g检测到的信号相加后连接到键合点401b。键合点401a、401b、401c与检测电路连接后将电信号输出至检测电路，检测电路实现对信号的差分放大，最终输出质量块偏转角度信号。

在其他实施例中，离散后的若干子结构可以为重复阵列式、也可以关于某个轴对称或反对称设计，亦可以错位阵列设计，如图6和图7所示。

该方法同样适用于梳齿式加速度计的抗过载设计。图8为原始梳齿式加速度计的设计，其中质量块为一整块结构。图9为采用质量块离散方法设计的抗过载梳齿式加速度计结构示意图，图中质量块被分割离散成四个单独的子质量块。

质量块的离散不仅可以平面内离散，在其他实施方式中，也可以采用晶圆堆叠的方式进行垂直方向的离散。垂直方向离散后，可以采用tsv的方式将堆叠结构中相对应的电极串联，实现信号的相加，如图10所示。tsv电极501a和501b实现上下两层结构信号的串联。引线504a、504b实现相同极性电极502a和502b与tsv电极501a的互连。引线505a、505b实现相同极性电极503a和503b与tsv电极501b的互连。

离散质量块的抗冲击设计中质量块可根据抗冲击要求，设计离散为任意多个子质量块。由于每个子质量块的质量相比于原有质量块的质量减小了，因此单个子质量块的抗冲击能力较原有整体质量块大幅提升。该离散质量块的抗冲击设计方法，甚至可以增加子质量块的数量，使得所有子质量块的总质量大于原有整体质量块的质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。