[发明专利]一种MEMS应力隔离机构及其设计方法

说明书

本发明公开了一种MEMS应力隔离机构及其设计方法，属于MEMS机械设计领域，主要由环形或正多边形结构以及分布在波腹点和波节点的锚点构成。在MEMS器件加工或工作过程，由于多种材料膨胀系数失配和温度效应，MEMS器件会受到残余应力和热应力影响。基于环形或正多边形结构的驻波特性，将波腹点与基板锚点相连，将波节点与被保护MEMS器件的锚点相连，可以实现MEMS器件基板与内部被保护MEMS器件间的应力隔离。本发明结构简单，应力隔离效果好，可应用于各类MEMS器件的机械设计中。

技术领域

本发明属于MEMS机械设计领域，更具体地，涉及一种MEMS应力隔离机构及其设计方法。

背景技术

在MEMS器件加工或工作过程，由于多种材料膨胀系数失配或温度效应，MEMS器件通常会受到残余应力或热应力影响。目前常用应力隔离机构由刚性外框和外接弹性梁构成，被保护MEMS器件与刚性外框连接，而刚性外框通过弹性梁与基板锚点相连。基板上应力在传导过程中被弹性梁吸收，而刚性外框则保证被保护器件不受应力影响，这种应力隔离机构设计主要存在两个问题：1.弹性梁吸收几乎全部应力，因此弹性梁的刚度不能太大，从而限制被保护MEMS器件的机械带宽；2.刚性外框外对称分布的弹性梁在加工过程中很难保证一致性，而非对称性将导致整个外框的中心偏移，从而影响被保护MEMS器件的定位问题，会对一些多层MEMS器件(如三明治式器件)产生不利影响。另外，也有报道不通过弹性梁而直接将刚性外框悬臂起来实现应力释放和隔离的效果，该方法会引入交叉耦合效应并增加加工工艺流程。

环形或正多边形结构经常被用来作为MEMS谐振式陀螺仪的敏感元件广泛使用，由于科氏力耦合作用产生的简并模态间能量传递可以用作角速度检测原理。而环形或正多边形的自由振动模态具有Nθ驻波振型，包含波腹点和波节点，分别作为陀螺仪的驱动和检测模态。本发明利用环形或正多边形结构的驻波特性，将波腹点与基板锚点相连，将波节点与被保护MEMS器件锚点相连，从而形成一种简单的应力隔离机构。

发明内容

针对现有的MEMS应力隔离机构的缺点和不足，本发明提供了一种MEMS应力隔离机构及其设计方法，主要由环形或正多边形结构以及分布在波腹点和波节点的锚点构成。本发明基于环形或正多边形结构的驻波特性，将波腹点与基板锚点相连，将波节点与被保护MEMS器件的锚点相连，可以实现MEMS器件基板与内部被保护MEMS器件间的应力隔离，有效降低由MEMS加工过程和温度效应引起的应力影响，同时与被保护MEMS器件在加工工艺上兼容，制造成本可以得到有效的控制。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的其中一个目的是提供一种MEMS应力隔离机构，所述的MEMS包括基板和内部被保护的MEMS器件，所述应力隔离机构由配置有锚点的环形结构或正多边形结构构成，所述的锚点分布在波腹点和波节点，且分布在波腹点位置的锚点与基板锚点相连，分布在波节点位置的锚点与内部被保护的MEMS器件锚点相连。

作为本发明的优选，所述正多边形结构的边数不小于8。

作为本发明的优选，所述MEMS应力隔离机构与内部被保护的MEMS器件具有同步和兼容的加工工艺。

作为本发明的优选，所述环形结构或正多边形结构的自由振动模态包含Nθ驻波振型，N1；在每个驻波振型下都存在呈中心对称分布的波腹点和波节点。

作为本发明的优选，所述Nθ驻波振型对应的谐振频率是内部被保护的MEMS器件自身机械带宽的三至五倍以上。

作为本发明的优选，所述基板锚点对称分布在所述的波腹点上，所述被保护的MEMS器件锚点对称或非对称的分布在所有或部分所述的波节点上。

本发明的另一个目的在于提供一种上述的MEMS应力隔离机构的设计方法，包括以下步骤：

1)根据目标基板及内部被保护的MEMS器件的结构和形状，选择应力隔离机构为环形结构或正多边形结构；