一种应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构

本发明属于力敏感器件，特别是mems系统中微惯性传感器，尤其涉及一种应用于mems力敏感器件的封装级应力隔离结构。

背景技术：

1、微电子机械系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)，是由机械、电子、光学及其他一些功能元件，集成在单片或多个芯片上，构成对声、光、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型智能系统。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。

2、它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。其中，mems压力传感器、mems加速度计、mems陀螺仪等都是典型的力敏感传感器，它们多用作压力、位移(加速度)及姿态(角速度)的高精度测量，具有尺寸小、成本低、功耗小、可靠度高、易于批量生产、与ic制作工艺兼容性好等优点。这些器件都是由mems工艺制成，材料包括多晶硅、石英、sic、soi(silicon oninsulator)、sos(蓝宝石上硅)等。

3、在mems工艺及封装过程中，mems芯片衬底材料、粘接材料和封装基板之间的材料性能不匹配，特别是mems器件衬底硅与封装基板之间材料cte失配从而产生较大的封装应力，以及沉积、键合、贴片等工艺步骤高低温的转换会造成不可忽视的残余应力，从而传递到力敏感传感器的敏感结构上，引起结构变形和应力集中。由于力敏感器件的敏感原理就是将外界输入的待检测量转化为力，继而通过检测其受力作用下电信号的变化解算，应力引起的结构变形和应力集中一方面会干扰传感器对力的检测，无法区分输出电信号的变化主要受应力影响还是外界输入影响，另一方面会造成器件使用过程的疲劳或断裂。因此，应力的存在不仅会影响力敏感器件的测量精度和稳定性，而且会在一定程度上影响其使用寿命。封装级应力隔离能够有效隔离贴片工艺与封装过程中产生的应力，封装级应力隔离结构对mems力敏感传感器非常重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构。本发明能够有效隔离贴片应力或焊接应力影响，并且具有可兼容集成电路加工工艺、降低mems器件贴片应力、体积小、加工成本点、可批量加工等特点，可广泛应用于mems陀螺仪和加速度计等惯性力敏感传感器芯片集成封装。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，整体结构基于mems工艺刻蚀成形，包括隔离结构外围框架简称外框架，以及位于外框架内的隔离结构内部框架简称内框架，所述外框架和内框架之间通过正六边形蜂窝状的阵列支撑梁连接，外框架、内框架以及阵列支撑梁呈二维轴对称分布且两者的对称轴重合。

3、进一步地，所述外框架、内框架和阵列支撑梁位于同一平面内。

4、进一步地，所述外框架和内框架为具有二维轴对称特点的几何结构。

5、进一步地，所述外框架为矩形框架结构，其内设有方孔，在该方孔内设置方形的内框架，内框架的四边与外框架的四边对应，且内框架四边与对应的外框架四边之间的间距由每一侧阵列支撑梁的数量决定。

6、进一步地，所述外框架和内框架上有n个用于与mems力敏感传感器芯片或封装基座相连的贴片凸台，n≥1。

7、进一步地，所述贴片凸台的数量n为1，该贴片凸台位于内框架的中心。

8、进一步地，所述贴片凸台的数量n为4，且贴片凸台为四分之一圆形结构，4个贴片凸台分别布置在外框架背面的四角位置。

9、进一步地，所述mems力敏感传感器芯片、封装级应力隔离结构以及封装基座三者自上而下贴装成为一个整体；所述mems力敏感传感器芯片通过封装级应力隔离结构与封装基座相连。

10、进一步地，所述阵列支撑梁呈二维阵列形式分布，且相邻支撑梁之间形成等大的正六边形或正六边形的一部分，总体呈蜂窝状，对称分布在外框架和内框架之间。

11、进一步地，所述封装级应力隔离结构均为微米级尺度，采用mems工艺深刻蚀一体成形，所采用的材料与mems力敏感传感器芯片的衬底材料保持一致，以保证相同的热膨胀系数，保持统一的热特性。

12、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

13、1)本发明能够有效隔离贴片应力或焊接应力影响。具体地，本发明设计的应力隔离结构，通过蜂窝状阵列分布的梁作为内外连接的支撑。其中每一个梁都能通过自身变形有效释放管壳传递到mems传感器芯片的应力；另一方面，蜂窝状阵列分布能够大幅提升整体隔离结构的稳定性和刚度，抵抗环境振动与冲击，维持传感器芯片的鲁棒性。同时，微米级尺度的应力隔离结构能与mems芯片一起封装在管壳内，且因其材料与mems芯片的衬底相同，能够有效避免材料热失配引入的封装应力。

14、2)整体结构具有尺寸小、成本低、易于批量生产、与ic制作工艺兼容性好等优点，可广泛应用于mems压力传感器、陀螺仪和加速度计等惯性力敏感传感器芯片集成封装。

15、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

技术特征：

1.一种应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，整体结构基于mems工艺刻蚀成形，包括隔离结构外围框架简称外框架，以及位于外框架内的隔离结构内部框架简称内框架，所述外框架和内框架之间通过正六边形蜂窝状的阵列支撑梁连接，外框架、内框架以及阵列支撑梁呈二维轴对称分布且两者的对称轴重合。

2.根据权利要求1所述的应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述封装级应力隔离结构为微米级尺度，外框架、内框架和阵列支撑梁位于同一平面内。

3.根据权利要求1所述的应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述外框架和内框架为具有二维轴对称特点的几何结构。

4.根据权利要求3所述的应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述外框架为矩形框架结构，其内设有方孔，在该方孔内设置方形的内框架，内框架的四边与外框架的四边对应，且内框架四边与对应的外框架四边之间的间距由每一侧阵列支撑梁的数量决定。

5.根据权利要求1所述的应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述外框架和内框架上有n个用于与mems力敏感传感器芯片或封装基座相连的贴片凸台，n≥1。

6.根据权利要求5所述的应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述贴片凸台的数量n为1，该贴片凸台位于内框架的中心。

7.根据权利要求5所述的应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述贴片凸台的数量n为4，且贴片凸台为四分之一圆形结构，4个贴片凸台分别布置在外框架背面的四角位置。

8.根据权利要求5所述的应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述mems力敏感传感器芯片、封装级应力隔离结构以及封装基座三者自上而下贴装成为一个整体；所述mems力敏感传感器芯片通过封装级应力隔离结构与封装基座相连。

9.根据权利要求1中所述的应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述阵列支撑梁呈二维阵列形式分布，且相邻支撑梁之间形成等大的正六边形或正六边形的一部分，总体呈蜂窝状，对称分布在外框架和内框架之间。

10.根据权利要求1所述的应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述封装级应力隔离结构采用与mems力敏感传感器芯片衬底层相同的材料制成。

技术总结本发明公开了一种应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，基于MEMS工艺一体加工成形，包括隔离结构外围框架及位于外围框架内的隔离结构内部框架。外围框架和内部框架之间通过等厚正六边形蜂窝状的阵列支撑悬臂梁连接，外围框架和内部框架上具有不同数量的凸台分别与陶瓷底座和芯片基底相连。本发明能有效减小芯片贴片与封装过程中产生的应力对MEMS力敏感传感器的影响，同时能大幅提升整体隔离结构的稳定性和刚度，抵抗环境振动与冲击，维持传感器芯片的鲁棒性。该结构具有尺寸小、成本低、易于批量生产、与IC制作工艺兼容性好等优点，可广泛应用于MEMS力敏感传感器集成封装，可广泛应用于MEMS力敏感传感器集成封装。技术研发人员：张晶,古旻,苏岩受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/1/13