一种MEMS器件的刚度调节方法与流程

本发明涉及一种基于材料热失配的mems器件刚度调节方法，属于微机电系统领域。

背景技术：

微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，简称mems)是指采用微加工技术制造微型机械电子系统，在国民经济、军事国防等领域有广泛的应用。mems器件种类繁多，结构多样。重力计、振动计等mems惯性器件是其中一类，其典型结构包括敏感质量和支撑结构两部分，敏感质量通过支撑结构悬浮，主要工作原理为：外界重力、振动等信号对敏感质量施加外力，引起敏感质量的位移发生变化，通过检测敏感质量的位移量即可获取外界的输入信号。重力计、振动计等对外界信号的敏感度正比于传感器的敏感质量m与固支梁刚度k的比值，因此提升敏感质量和降低刚度成为提升其性能的两个基本途径。由公知可知，梁、膜片等结构在轴向力作用下呈现刚度硬化现象：当结构受到轴向压力时，刚度降低；当受到拉力时，刚度增大。因此可以利用刚度硬化现象来调节mems器件的刚度。

2016年格拉斯哥大学在nature上发表题为“measurementoftheearthtideswithamemsgravimeter”的文章，首次借助重力装配的方法使重力计的支撑梁承受轴向压力，大幅降低重力计的刚度。2017年荷兰国家亚原子物理研究所在mems2017国际会议上发表题为“nano-gaccelerometerusinggeometricanti-springs”的文章，成功通过棘齿装配技术对支撑梁施加轴向压力，使支撑梁失稳处于负刚度状态。在上述两种方法中，器件加工完成后需要装配工序，流程繁琐；且由于装配压力恒定，器件的刚度无法动态调节。

技术实现要素：

本发明的解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于材料热失配的mems器件刚度调节方法，即利用不同材料热胀冷缩的差异，对支撑结构施加轴向压力，实现器件的刚度调节。该技术中无需装配工序且刚度可动态调节，为mems器件的刚度调节提供新的技术方案。

本发明提出的一种mems器件的刚度调节方法，依赖于不同热膨胀系数的异质材料，参见图2，其特征在于：所述mems器件包括结构层1和基底层2；结构层1为材料i，其在[ta，tb]温度范围的平均热膨胀系数为αi；基底层2为材料ii，其在[ta，tb]温度范围的平均热膨胀系数为αii，且满足αi＜αii；所述结构层1与基底层2在温度tb时键合，然后降温至工作温度ta，且满足tb＞ta；所述结构层1上设计有悬浮结构3，键合后结构层1固定在基底层2上，改变工作温度ta即可实现悬浮结构3的刚度调节，且依据本专利提出的设计准则可使mems器件的刚度达到负值。

参见图1，本发明提出的mems器件刚度调节方法的原理如下：首先，热膨胀系数不同的异质材料键合；而后，异质材料键合后降温，产生热胀冷缩；热胀冷缩变形量的差异使结构受力；结构受力刚度硬化，导致mems器件刚度变化。

参见图2，本发明提出的mems器件刚度调节方法的实现过程如下：

在温度tb环境下将结构层1和基底层2进行键合，形成键合体4；此时结构层1与基底层2形成刚性连接，两者之间无应力约束。然后将键合体4由键合温度tb降至工作温度ta。由公知可知，当温度由tb降低至ta时，长度为l的结构层1和基底层2的自由收缩量δli和δlii为分别为：

δli＝αi(tb-ta)l\*mergeformat(1)

δlii＝αii(tb-ta)l\*mergeformat(2)

由于结构层1和基底层2的热膨胀系数满足αi＜αii，在自由状态下，结构层1和基底层2收缩量满足关系：δli＜δlii。键合后的结构层1和基底层2刚性连接，迫使结构层1的最终长度l′i和基底层2的最终长度l′n保持一致，导致结构层1承受压力fi，基底层2承受拉力fii，满足关系：

l′i＝l′ii\*mergeformat(3)

fi＝-fii\*mergeformat(4)

由胡克定理可知，在力fi、fii作用下，结构层1的变形量δl′i和基底层2的变形量δl′ii分别为：

其中，ei、eii分别为材料i和材料ii的杨氏模量，ai、aii分别为结构层1和基底层2的有效横截面积。

在热胀冷缩效应和外力的作用下，结构层1的最终长度l′i和基底层2的最终长度l′ii长度变为：

l′i＝l-δli-δl′i\*mergeformat(7)

l′ii＝l-δlii-δl′ii\*mergeformat(8)

联立公式(1)-(8)可得：

由式(9)易知，当材料i和材料ii的杨氏模量(ei、eii)、热膨胀系数(αi、αii)，结构层1和基底层2的有效横截面积(ai、aii)及键合温度(tb)已知后，fi为工作温度ta的函数，在(0，tb)范围内单调递减，且fi＞0。由刚度硬化现象可知，在压力fi作用下悬浮结构3的刚度将降低，且其刚度变化与键合温度ta相关，因此改变键合体4的工作温度ta即可调节mems器件的刚度。当压力超过悬浮结构的屈曲压力时，其刚度变为负值。

特别地，当悬浮结构3为双端固支直梁时，在轴向压力fi作用下，梁的刚度k为：

其中，i为梁的惯性矩，l为梁长。

将(9)代入(10)可得双端固支直梁刚度k与工作温度ta的关系为：

且当时，其刚度为负值。

由以上证明可知，本专利所提出的一种mems器件刚度调节方法可通过改变mem器件的工作温度来动态调节其刚度，且可使刚度达到负值。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于材热失配的刚度调节方法可通过调节mems器件的工作温度来改变其刚度，与现有技术相比，无需装配步骤且可更精准地对刚度进行动态调节。

附图说明

图1为本发明提出的一种mems器件刚度调节方法的原理图。

图2为本发明提出的一种mems器件刚度调节方法的实现过程示意图。

图中，1-结构层，2-基底层，3-悬浮结构，4-键合体。

图3为具体实施例中悬浮结构为双端固支直梁形式的mems器件示意图。

图中，1-结构层，2-基底层，5-双端固支直梁，4-键合体。

具体实施方式

本实施例中给出一种悬浮结构为双端固支直梁形式的mems器件刚度与工作温度的函数关系。参见图3，实施例中结构层1为硅材料，杨氏模量ei为169gpa，平均热膨胀系数αi为3.3ppm/k；基底层2为肖特d263玻璃，杨氏模量eii为73gpa，平均热膨胀系数αii为7.2ppm/k；结构层1的有效横截面积ai等于双端固支直梁5宽度与高度的乘积20μm×50μm；基底层2的有效横截面积aii为其本身宽度与高度的乘积50μm×400μm；位于结构层1上的双端固支直梁5长度l为540μm，惯性矩i为(20μm)³×50μm/12；本实施例中硅和肖特d263在350℃温度下进行阳极键合，形成键合体4。由公式(11)可推出所述双端固支直梁5的刚度k与工作温度ta的关系为：

k≈1.33ta-36.2\*mergeformat(12)

由式(12)可知，双端固支直梁5的刚度k与工作温度ta成正比。当工作温度大于27℃时，双端固支直梁5的刚度为正值；当工作温度为27℃时，双端固支直梁5的刚度为零；当工作温度小于27℃时，双端固支直梁5的刚度为负值。以上证明本专利所提出的mems器件刚度调节方法可通过控制工作温度来动态调节mems器件的刚度。

本专利中的材料类型、结构层数、键合方法、悬浮结构等不局限于以上实施例中的形式，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。