一种MEMS谐振式传感器的制作方法

本发明涉及测量测试，具体涉及一种mems谐振式传感器。

背景技术：

1、微电子机械系统(mems)是集成微传感器、微执行器、信号处理和通信接口的微型器件或为系统，实现对力、热、声、光、磁等物理量的感知、变换、处理和控制，随着物联网、人工智能等高新技术的迅猛发展，已成为重要的科技领域之一。

2、基于mems的谐振式传感器多采用多晶硅、石英晶体、sic、磷酸镓等材料，利用mems加工工艺实现敏感结构制备，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠度高，易于批量生产，且与集成电路(ic)工艺兼容度高，重要的是，谐振式传感器基于敏感结构谐振式工作原理，以谐振频率的变化表征被测物理量的大小及方向，具有很高的测量精度和优良的长期稳定性，如mems谐振式压力传感器、mems谐振式加速度传感器、mems谐振式陀螺仪、mems谐振式温度传感器等典型传感器，在国防领域及民用领域均有广泛应用前景。

3、对于高精度mems谐振式传感器而言，性能指标的长期稳定性是决定传感器性能优劣的关键。而影响传感器长期稳定性的因素分为外界因素和内在因素。外界因素包括使用环境的温度、湿度、气压、振动等以及传感器的安装条件，内在因素包括内部器件制备过程中加工材料残余应力、器件与封装管壳之间因材料热膨胀系数失配导致的封装应力，其中封装应力是影响传感器测量精度与长期稳定性的关键，也是影响传感器可靠性的重要因素。当外界环境温度变化时，封装管壳与敏感器件因热膨胀系数不一致，在连接处产生热失配应力，该应力传递至器件结构内部，引起结构变形和应力集中，导致谐振频率发生变化，信号调理无法识别该谐振频率变化是由被测物理量变化引起还是由应力干扰引起，造成测量误差。因此，通过设计合理的隔离结构，实现谐振式传感器器件封装级应力的隔离，对于确保谐振式传感器测量精度和长期稳定性具有关键作用，同时对于保证小体积的封装、易于批量化生产也起到重要作用，对于其他mems传感器芯片的应力隔离及集成化也具有重要参考意义。

4、中国专利cn 115010082a公布了一种mems加速度传感器的隔离应力结构，包括隔离应力弹簧、隔离应力框架锚点、隔离应力框架等结构，隔离应力框架一端通过锚点与基板连接，另一端通过折叠梁与可动梳齿连接。整体结构为一体式，较为复杂。

5、中国专利cn 113371668a公布了一种mems加速度计低应力集成封装结构及方法，mems加速度计芯片直接粘接固定在管壳基底上，采用倒u型盖板作为应力隔离框架跨在mems加速度计芯片上，并与管壳基底相粘接，asic芯片粘接在应力隔离框架上表面，实现了mems加速度计芯片与asic芯片堆叠式封装。

6、中国专利cn 116332118a公布了一种应用于mems力敏传感器的封装级应力隔离结构，采用mems工艺深刻蚀一体加工成型，外框架、内框架与阵列支撑位于同一平面内，阵列支撑采用蜂窝状正六边形，对称分布在外框架与内框架之间。

7、但是现有技术都不能解决针对mems谐振式传感器敏感芯片封装时残余应力对测量精度和长期稳定性的影响、热膨胀系数失配导致测量误差等问题，因此，需要一种可降低封装管壳与敏感芯片之间的应力传递的mems谐振式传感器。

技术实现思路

1、本发明是为了解决mems谐振式传感器敏感芯片封装时残余应力影响测量精度和长期稳定性、热膨胀系数失配导致测量误差的问题，提供一种mems谐振式传感器，通过设计mems谐振式传感器敏感芯片的封装级应力隔离结构，大大降低了封装管壳与敏感芯片之间的应力传递，降低了谐振式传感器敏感芯片振动能量通过封装管壳的固支能量损耗，保持高品质因数，结构具有成本低、易于批量加工等特点。

2、本发明提供一种mems谐振式传感器，包括从下到上依次连接的封装管壳、第一贴片胶、封装级应力隔离结构、第二贴片胶和mems谐振式传感器敏感芯片；

3、封装级应力隔离结构包括应力隔离外层安装框架，设置在应力隔离外层安装框架内部的应力隔离内层安装底块，连接应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块的应力隔离弹性梁，设置在应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块、应力隔离弹性梁之间的应力衰减区，连接在应力隔离内层安装底块上部的敏感芯片贴片凸台和连接在应力隔离外层安装框架底部的安装凸台；

4、应力衰减区为通孔结构，封装管壳与安装凸台之间通过第一贴片胶相连，mems谐振式传感器敏感芯片通过第二贴片胶与敏感芯片贴片凸台相连；

5、封装管壳与应力隔离外层安装框架通过第一贴片胶相连，mems谐振式传感器敏感芯片与应力隔离内层安装底块通过第二贴片胶相连；

6、应力隔离弹性梁隔离应力隔离内层安装底块与应力隔离外层安装框架之间的应力传递。

7、本发明所述的一种mems谐振式传感器，作为优选方式，封装级应力隔离结构为平面内具有二维轴对称特性的几何结构，对称轴包括横轴、纵轴及对角线所在轴线；

8、应力隔离弹性梁包括与应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块均垂直且对称分布的平行方向弹性梁和连接在应力隔离外层安装框架内夹角与应力隔离内层安装底块对应夹角之间的对角方向弹性梁；

9、平行方向弹性梁的顶面、对角方向弹性梁的顶面、应力隔离外层安装框架的顶面和应力隔离内层安装底块的顶面位于同一平面上；

10、应力衰减区为设置在应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块、平行方向弹性梁和对角方向弹性梁之间的通孔。

11、本发明所述的一种mems谐振式传感器，作为优选方式，封装级应力隔离结构为使用mems加工的一体式结构，封装级应力隔离结构的材质与mems谐振式传感器敏感芯片相同。

12、本发明所述的一种mems谐振式传感器，作为优选方式，封装级应力隔离结构的材质为石英；

13、封装管壳的膨胀系数接近石英，封装管壳可为可伐合金。

14、本发明所述的一种mems谐振式传感器，作为优选方式，应力隔离内层安装底块的顶面与应力隔离外层安装框架平齐，应力隔离内层安装底块的厚度小于应力隔离外层安装框架的厚度。

15、本发明所述的一种mems谐振式传感器，作为优选方式，应力隔离外层安装框架为正方形结构；

16、应力隔离内层安装底块的厚度为应力隔离外层安装框架厚度的1/2。

17、本发明所述的一种mems谐振式传感器，作为优选方式，应力隔离弹性梁的截面为矩形或h形或u形，应力隔离弹性梁对称分布、轴向与平行方向弹性梁轴向夹角为45°、厚度与应力隔离内层安装底块厚度相同、截面横向宽度为厚度的1～3倍，应力隔离弹性梁通过mems刻蚀工艺刻蚀制备。

18、本发明所述的一种mems谐振式传感器，作为优选方式，安装凸台和敏感芯片贴片凸台均呈轴对称式分布；

19、安装凸台的数量为4个且位于应力隔离弹性梁与应力隔离外层安装框架连接处中间位置，安装凸台的高度小于应力隔离外层安装框架厚度的1/3；

20、敏感芯片贴片凸台的数量为2～4个、且对称分布。

21、本发明所述的一种mems谐振式传感器，作为优选方式，mems谐振式传感器使用时，当封装管壳受环境因素引起热应力，封装管壳经过安装凸台传递至应力隔离外层安装框架，进而经过应力隔离外层安装框架传递至应力隔离弹性梁，应力隔离弹性梁和应力衰减区将应力进行衰减或阻断后传递至应力隔离内层安装底块再经过敏感芯片贴片凸台传递至mems谐振式传感器敏感芯片。

22、本发明所述的一种mems谐振式传感器，作为优选方式，封装级应力隔离结构和mems谐振式传感器敏感芯片之间也可通过键合方式连接；

23、第一贴片胶为软胶，第二贴片胶为硬胶；

24、mems谐振式传感器的加工方法包括以下步骤：

25、s1、通过mems方法加工得到封装级应力隔离结构；

26、s2、第一贴片胶通过点胶方式置于安装凸台上，再将第一贴片胶与封装管壳固定，固定封装管壳基底时应使封装级应力隔离结构与封装管壳基底平行；

27、s3、在封装级应力隔离结构顶面的敏感芯片贴片凸台上点第二贴片胶，将mems谐振式传感器敏感芯片通过第二贴片胶固定在敏感芯片贴片凸台上；mems谐振式传感器敏感芯片固定时外轮廓棱边与封装级应力隔离结构边缘平行，且mems谐振式传感器敏感芯片的底面与封装级应力隔离结构顶面平行，mems谐振式传感器加工完成。

28、本发明提供了一种mems谐振式传感器敏感芯片，其中包括封装级应力隔离结构。该封装级应力隔离结构包括应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块和应力隔离弹性梁。其中应力隔离外层安装框架底面设置安装凸台，通过贴片胶固定在封装管壳基底上；应力隔离内层安装底块设置有贴片凸台，用于粘接固定mems谐振式传感器敏感芯片；应力隔离弹性梁用于连接内层安装底块与外层安装框架，起到机械滤波器作用，隔离应力传递。本发明公开的用于mems谐振式传感器敏感芯片的封装级应力隔离结构，可有效降低残余应力及热应力的传递，降低谐振器固支能量损耗，保持高品质因数，提升测量精度和长期稳定性。该结构采用mems工艺、一体式加工制备，具有加工方便、体积小、成本低、适宜批量制备等优势，可广泛用于mems谐振式传感器敏感芯片及其他芯片的集成封装。

29、本发明的技术方案是：

30、一种mems谐振式传感器用封装级应力隔离结构，包括应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块、应力隔离弹性梁；其中应力隔离外层安装框架与应力隔离内层安装底块通过应力隔离弹性梁连接；整体应力隔离结构为一体式结构，通过mems工艺制备而成；整体应力隔离结构在平面内呈轴对称分布。

31、应力隔离结构为一体式结构，采用mems工艺刻蚀而成，材料选用与谐振式传感器敏感芯片材质相同的材料，保证热膨胀系数的一致性，降低热失配引起的应力传递。

32、应力隔离结构为平面内具有二维轴对称特性的几何结构，对称轴包括横轴、纵轴及对角线所在轴线。

33、所述应力隔离外层安装框架为方形结构，中间开孔，形成框式结构；所述应力隔离外层安装框架底面设置安装凸台，凸台数量为4，分别布置在框架两侧，且在两处应力隔离弹性梁与应力隔离外层安装框架连接处中间位置，凸台高度一般不超过安装框架厚度的1/3。

34、应力隔离内层安装底块一般为方形结构，安装底块顶面设置有贴片凸台用于粘接安装mems谐振式传感器敏感芯片，凸台数量一般为2～4个，呈轴对称式分布，且安装底块顶面与应力隔离外层安装框架顶面平齐，在同一平面内；安装底块底面利用mems刻蚀工艺刻蚀一定深度的深腔，刻蚀深度一般为外层安装框架厚度的1/2。

35、应力隔离弹性梁用于连接应力隔离外层安装框架和应力隔离内层安装底块，平面内呈轴对称式分布，包括平行弹性梁和对角弹性梁；所述应力隔离弹性梁与应力隔离内层安装底块厚度相等，利用mems刻蚀工艺刻蚀制备；所述应力隔离弹性梁截面可以为矩形，或者h形、u形等，截面横向宽度尺寸为厚度的1～3倍。

36、对角弹性梁用于连接应力隔离外层安装框架内角和应力隔离内层安装底块的相对应的顶角；所述对角弹性梁数量为4，呈对称式分布，梁的轴向与平面对称轴呈45°，且弹性梁截面呈矩形，或者h形、u形等，其厚度与应力隔离内层安装底块厚度相同，截面横向宽度尺寸为厚度的1～3倍。所述对角弹性梁顶面与应力隔离内层安装底块顶面、应力隔离外层安装框架顶面处于同一平面。

37、mems谐振式传感器用封装级应力隔离结构与mems谐振式传感器敏感芯片、封装管壳通过粘接固定形成叠层式整体结构，其中mems谐振式传感器敏感芯片通过粘接固定在应力隔离内层安装底块顶面凸台上，应力隔离外层安装框架通过底面安装凸台粘接在封装管壳上，形成封装后的敏感结构。

38、本发明具有以下优点：

39、(1)本发明中提出的封装级应力隔离结构，设计包括应力隔离外层安装框架、应力隔离内层安装底块和应力隔离弹性梁。其中应力隔离内层安装底块用于粘接固定mems谐振式传感器敏感芯片，应力隔离弹性梁用于隔离内层安装底块与外层安装框架之间的应力传递，起到机械滤波器效果；同时，平行方向弹性梁与对角方向弹性梁的设计能够提高隔离结构的刚度和强度，提高抗振动和冲击环境的能力，避免谐振放大。

40、(2)本发明中封装级应力隔离结构采用mems工艺一体式加工制备，避免了复杂的装配工艺；材料选用与mems谐振式传感器敏感芯片相同材质，保证了热性能的一致性，有效避免了热失配引起的封装应力。

41、(3)本发明中提出的一种mems谐振式传感器具有体积小、重量轻、成本低、适于批量制备，用于谐振式传感器敏感芯片集成封装，提高测量精度和长期稳定性，其他mems传感器也可参考使用。