一种具有隔振板的MEMS器件的制作方法

一种具有隔振板的mems器件技术领域[0001]本发明涉及微机电系统领域，也涉及微电子、微机电、微机械和微系统领域，特别涉及一种具有隔振板的mems器件，特别涉及一种包括至少一个谐振元件和隔振板的mems器件。背景技术：[0002]微机电系统(mems)具有体积小、制造成本低、功耗低等优点，引起了科学界和工业界越来越多的关注。因此，优化其功能和提高其性能是至关重要的。[0003]陀螺仪、加速度计、微镜、微泵和时钟等多种mems设备的工作原理依赖于以其自身固有频率驱动的谐振组件。某些频率下的外部振动会使其产生虚假信号，甚至会影响mems谐振设备的正常功能。例如，在谐振mems加速度计和音叉陀螺仪中，由于外界振动而引起的灵敏度和相位噪声增大被广泛报道。[0004]外界振动会降低谐振mems器件的短期(噪声)和长期(稳定性)性能。因此，降低外界振动对mems谐振器的影响对于提高其性能至关重要。[0005]现已报道几种方法可以用来隔离mems谐振器件与外界振动：[0006]一种方法是在mems器件中引入差分结构来补偿由振动引起的位移，例如音叉陀螺仪(tfgs)，其反相工作模态可以抵消外界振动的影响。然而，由于不可避免的机电非理想性，部分信号会转化为无用的输出变化。[0007]另一种方法是增加mems器件的谐振频率，使其远高于环境激励的频谱。然而，刚度增强的mems结构需要超窄的电极间隙来驱动，而且可能会降低器件的灵敏度。[0008]美国专利us 9,634,227(b1)涉及抑制谐振器寄生振动模态相关的设备和方法。设备包括mems谐振结构、基底以及设置在mems谐振结构和基底之间的锚点结构。锚点结构被配置为抑制至少一种寄生振动模态的响应。[0009]美国专利us 2019/0267965(a1)涉及一种隔离mems谐振器振动的微机械振动隔离器，并且包括插入声子带隙镜之间的微机械谐振器。[0010]美国专利us 2018/0269847(a1)涉及一种声学超材料，其至少围绕部分谐振器的有源区域，该谐振器包括具有第一和第二电极的压电材料。[0011]由上可知，已知的解决方案具有限制mems谐振器性能的缺点，这是由于外界振动的残留影响。此外，已知的解决方案的缺点是几乎不能有效抑制mems器件中干扰振动。与此同时，已知的用于抑制mems器件中的干扰振动的解决方案具有限制性，其需要针对每个谐振器进行调谐设计，从而失去了对工艺变化和环境条件的鲁棒性。技术实现要素：[0012]本发明的目的在于解决现有技术的缺陷，提供一种能够隔离mems器件与外界干扰振动，提高mems谐振器的性能，且能广泛应用的mems器件，其与标准mems制造技术相兼容，特别是在硅工业中。[0013]实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有隔振板的mems器件，所述mems器件包括隔振板，以及设置于隔振板中心处的至少一个谐振元件；[0014]所述隔振板包括围绕所述至少一个谐振元件的平面周期结构；[0015]所述平面周期结构包括多个相邻单元，每个单元均包括悬挂的质量元件。[0016]进一步地，所述质量元件通过弹簧元件连接于所述单元的外框架，所述外框架与所述隔振板集成为一体。[0017]进一步地，所述弹簧元件包括折叠梁弹簧。[0018]进一步地，所述折叠梁弹簧包括平面弹簧线，该平面弹簧线包括多个角度段；优选地，所述角度段的弯折角度为180°。[0019]进一步地，所述平面周期结构包括由相邻单元形成的至少一个完整围绕模式；优选地，所述平面周期结构包括由相邻单元形成的两个及以上完整同心围绕模式。[0020]进一步地，所述每个单元中的质量元件可沿各个空间方向运动。[0021]进一步地，所述每个单元包括扁平质量元件，以及围绕所述扁平质量元件的多个径向布置的弹簧元件；优选地，所述扁平质量元件为多边形形状；优选地，所述多边形的每一边设置一个弹簧元件。[0022]进一步地，所述隔振板位于所述至少一个谐振元件与所述mems器件的另一硅基底之间。[0023]进一步地，所述至少一个谐振元件包括mems陀螺仪、mems加速度计、mems微镜、mems微泵、mems时钟中的一个或多个。[0024]进一步地，所述至少一个谐振元件设置于隔振板中心处，该中心部分的尺寸大小为一个或多个所述单元形成的尺寸。[0025]本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的mems器件能够提高其mems谐振器的性能；2)本发明的技术方案可更有效地隔离mems器件与外界干扰振动；3)本发明中隔振板通过利用声子晶体带隙的概念实现对外界干扰振动的隔离，对工艺变化和环境条件具有鲁棒性，能够广泛应用；4)本发明的技术方案是一种纯机械的解决方案，结构形式与加工工艺相对简单，且与标准mems制造技术相兼容，优选的是提供共同制造的硅衬底，隔振板可以和mems器件通过标准mems制造工艺一同加工制造；5)本发明结构为二维平面结构，结构简单，所占空间小，适用的应用场合更加广泛；6)本发明的结构可以由单一材料构成，与目前已有的局域共振超材料相比，无需复杂的装备工艺，因此工艺简单，加工成本低，耗时短；7)本发明与相同质量的传统材料相比，具有更好的隔振效果，可以同时满足实现三个方向隔振的设计需求。[0026]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。附图说明[0027]图1为本发明mems器件的第一实施例示意图。[0028]图2为本发明mems器件的第二实施例截面图。[0029]图3为本发明第一实施例mems器件的单元示意图。[0030]图4为图3所示单元的第一实施例示意图。[0031]图5a和图5b分别为图3所示单元的第二实施例的俯视图和透视图。[0032]图6a和图6b分别为图3所示单元的第三实施例的俯视图和透视图。[0033]图7a和图7b分别为图3所示单元的第四实施例的俯视图和透视图。[0034]图8a和图8b分别为图3所示单元的第五实施例的俯视图和透视图。[0035]图9a和图9b分别为图3所示单元的第六实施例的俯视图和透视图。[0036]图10为本发明mems器件的第三实施例示意图。[0037]图11为本发明mems器件的第四实施例示意图。[0038]图12为本发明mems器件的第五实施例示意图。[0039]图13为本发明验证的mems器件的隔振性能图。具体实施方式[0040]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。[0041]本发明涉及mems器件中机械振动的隔振、阻尼或抑制。通常，本发明可应用于mems器件，特别是由在公共基底内或在公共基底上形成的多个固态组件组成的mems器件。[0042]在一个实施例中，结合图1，本发明提供了一种mems器件100，包括隔振板102，以及设置于隔振板102中心处的至少一个谐振元件101；所述隔振板102包括围绕所述至少一个谐振元件101的平面周期结构103；所述平面周期结构103包括多个相邻单元104，它们可以被定义为声子晶体，每个单元104包括悬挂的质量元件301。[0043]这里，所有单元104可以为同类型，也可以为不同类型，优选为前者。[0044]这里，通过设计周期性结构或声子晶体，可以衰减作用在mems器件100上的干扰频率范围。[0045]由上可知，本发明的基本思想是在谐振元件和mems器件的基底之间插入隔振板，该隔振板是基于在谐振元件周围设置二维声子晶体的平面周期结构设计。声子晶体对应于与标准mems制造技术完全兼容的平面周期结构，其显示了在目标频率范围内的3d带隙，比如mems器件的谐振元件的固有频率，以隔离外界振动。本发明是一种用于mems器件振动隔离的纯机械解决方案，可以通过结合声子晶体/超材料和mems完全集成在制造过程中。[0046]mems器件是一种显微器件技术，特别是具有运动部件的器件。一般而言，单个mems器件通常由尺寸在1微米和100微米之间的组件构成(即0.001到0.1毫米)，且单个mems器件的总尺寸通常在20微米到1毫米之间(即0.02到1毫米)。[0047]本发明中的每个“单元”也是包括具有微尺度特征的组件，而每个“单元”的总体尺寸约为1毫米及以上。因此，本发明mems器件的总体尺寸为几毫米。[0048]mems器件可以在纳米尺度上合并入纳米机电系统(nems)和纳米技术中。因此，可以理解，在目前的背景下，mems或nems被视为在技术上是等效的，因为如果需要或者如果有技术提供的话，本发明可以适用于更小的纳米尺度。[0049]进一步地，在其中一个实施例中，所述至少一个谐振元件101包括mems陀螺仪、mems加速度计、mems微镜、mems微泵、mems时钟中的一个或多个。[0050]这里，特别地，本发明对于谐振频率在约20khz的元件(例如加速度计和陀螺仪)特别有效。[0051]进一步地，在其中一个实施例中，所述至少一个谐振元件101的尺寸大小可被设置为与单元104大小相同。[0052]进一步地，在其中一个实施例中，所述平面周期结构103包括由相邻单元104形成的至少一个完整围绕模式。特别地，可以为同心围绕模式。如图1所示，相邻单元104形成两个完整的同心围绕模式。这里，还可以为图1之外的其他同心围绕模式，以便调整器件的性能。[0053]进一步地，在其中一个实施例中，所述隔振板102作为超材料或二维声子晶体，适合于在3d带隙中衰减外界振动，用于隔离mems谐振传感器所需的频率范围，例如对于mems陀螺仪频率范围为10khz至30khz。[0054]在一个实施例中，结合图1和图2，提供了一种mems器件200，该器件在上述mems器件100的基础上还包括硅基底201，所述隔振板102位于谐振元件101所在的主硅层和硅基底201之间。[0055]这里，所述谐振元件101直接连接至隔振板102的上层中心，并优选通过隔振板102下层四个角连接到硅基底201。[0056]这里，所述谐振元件101、隔振板102、硅基底201可以通过一体加工形成。[0057]这里，所述谐振元件101、隔振板102、硅基底201封装于封装壳体202中。优选地，封装壳体202为陶瓷封装壳体。外界干扰振动作用在mems封装202上时，通过锚点(例如四个角)直接传播到隔振板102，但是由于隔振板102的隔振特性而不能到达mems谐振元件101。[0058]进一步地，在其中一个实施例中，图3所示为mems器件100中的特定单元300，该单元的多种具体结构示例如图4至图9所示，包括活动连接于所述单元104的质量元件301，可沿各个空间方向移动，保证了隔振板102的完全3d带隙。[0059]这里，优选地，质量元件301通过弹性元件302连接于所述单元104的外框架303，弹性元件302在(动态)变形后趋于恢复到原来的形状。[0060]这里，优选地，所述弹性元件302采用弹簧元件。进一步优选地，弹簧元件包括折叠梁弹簧，该折叠梁弹簧包括各自的平面弹簧线，每个平面弹簧线包括多个角度段(可以为曲线段，也可以为直线段)。优选地，对于直线段，所述角度段为完全的180°转弯，且180°转弯的长度可以不同(如图8所示)。[0061]这里，优选地，所述外框架303与所述隔振板102集成为一体。[0062]这里，所述质量元件301可以为扁平结构。进一步地，质量元件301可以为多边形结构(如图5、图7所示的方形，图8所示的矩形)，还可以为圆形(如图6、图9所示)。[0063]这里，优选地，多个弹性元件302沿质量元件301的径向设置并环绕于质量元件301。进一步优选地，多个弹性元件302可以分别设置在所述多边形结构的每一边(对于圆形结构的质量元件301，可以为圆外接多边形(如八边形)的每一边)。[0064]由此，单元300可以被定义为声子晶体的一个单元。声子晶体是用于控制弹性波/声波传播的装置，它们是由周期性排列的散射体嵌入均匀介质中构成的人工周期性结构。声子晶体的一个最重要的特性是声子带隙的存在，即禁止弹性波/声波传播的频率范围。单元300可以被图解为“框架-弹簧-质量”系统。[0065]在一个实施例中，结合图10，提供了一种mems器件400，与上述mems器件示例的区别在于：平面周期结构403中的单元404为矩形，整体呈正交形式拓展为隔振板402。[0066]在一个实施例中，结合图11，提供了一种mems器件500，与上述mems器件示例的区别在于：平面周期结构503中的单元504为六边形，整体呈六边形形式拓展为隔振板502。[0067]在一个实施例中，结合图12，提供了一种mems器件600，与上述mems器件示例的区别在于：隔振板602不仅包括平面周期结构603、至少一个谐振元件601，还包括四个锚点605；平面周期结构603只包括由部分单元604形成的一个完整围绕模式，其余单元604均不形成闭合结构，且并置在隔振板602的侧边；位于中心部分的至少一个谐振元件601为由多个单元604(多个4×4单元)构成的块状结构。[0068]在一个实施例中，对本发明的mems器件隔振性能进行验证，验证结果如图13所示，图中比较了使用超材料板(虚线701)和不使用超材料板(实线702)的振动试验后测量的透射图。由图13可以看出，不使用mems超材料板102的情况下测量的信号702明显高于使用超材料板102情况下测量的信号701，由此说明本发明隔振特性很好。这里，超材料板一般在17.4～22.4khz的频率范围内表现出显著的隔振特性，但并不局限于此。通过本发明的解决方案，可以在很宽的频率范围内实现衰减约-30db的外界振动。[0069]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。