Mems傳感器結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種MEMS傳感器結構，包括一封裝管殼、一連接部及一MEMS傳感器，MEMS傳感器包括層疊設置的一基底及一敏感結構，基底包括一第一區(qū)域、一第二區(qū)域及一第三區(qū)域，第二區(qū)域設置在第一區(qū)域與第三區(qū)域之間，第二區(qū)域在基底的寬度方向上具有一最小長度，該最小長度小于第一區(qū)域及第三區(qū)域在基底的寬度方向上的長度使基底在寬度方向上具有至少一個凹槽，且第二區(qū)域將設置有敏感結構的第三區(qū)域和與連接部連接的第一區(qū)域隔離開來，使第一區(qū)域的熱應力在通過第二區(qū)域傳遞到所述第三區(qū)域的過程中逐漸減弱，可以有效隔離封裝帶來的熱應力減小熱應力對敏感結構的影響，提高MEMS傳感器結構的溫度特性。
【專利說明】
MEMS傳感器結構
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種MEMS傳感器結構，尤其是有效隔離封裝熱應力的MEMS傳感器 結構。
【背景技術】
[0002] 微機電系統(tǒng)(Micro Electromechanical Systems，簡稱MEMS)是集微傳感器、微執(zhí) 行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理與控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信 等于一體的微型器件或系統(tǒng)，被譽為21世紀帶有革命性的高新技術。采用微機電系統(tǒng)技術 的傳感器具有成本低、體積小、可批量化的特點，已經廣泛使用日常生活的產品中，比如 MEMS壓力傳感器、MEMS加速度計、MEMS陀螺儀、MEMS麥克風、微振子等。隨著微機械加工技術 的不斷成熟，以及人們對微傳感器理論研究的逐漸深入，該類傳感器在各測量領域發(fā)揮著 越來越重要的作用，逐步取代傳統(tǒng)的高精度測量器件。比如美國Draper實驗室研制的MEMS 諧振梁加速度計的零偏穩(wěn)定性達到lyg的水平，這類加速度計在軍事領域有著重要的應用 和發(fā)展?jié)摿Γ型蔀閿[式積分陀螺加速度計(PIGA)之后最有可能實現戰(zhàn)略級精度的新型 微加速度計。
[0003] MEMS傳感器常采用硅及其化合物、玻璃作為結構材料，進行微納加工后，使用粘合 劑或者鍵合的方法固定在封裝管殼內。而封裝管殼的材料一般為陶瓷、金屬或者塑料，其熱 膨脹系數與結構材料不一致，在環(huán)境溫度變化時，MEMS傳感器敏感結構的熱應力也會發(fā)生 改變，從而影響傳感器輸出。并且由于粘片采用的粘合劑多為粘彈性體，使得輸出具有遲滯 現象，而采用鍵合的方法，會導致應力過大，且由于鍵合區(qū)域不均勻也會引起結構內部應力 分布不均勻。因此MEMS傳感器的溫度特性一般不太理想，溫漂是制約其性能提高的一大因 素。
[0004] 現有技術中減小封裝熱應力的優(yōu)化方法，一般是通過在封裝管殼或者MEMS傳感器 背面制作凸臺來減少粘片面積從而降低熱應力，或者在MEMS傳感器背面制作凹臺來避免熱 應力對敏感結構的直接影響。但是這些方法仍然很難保證MEMS傳感器熱應力的一致性，并 且由于粘片面積具有的最小面積要求，粘片帶來的熱應力對MEMS傳感器的影響仍然較為明 顯。 【實用新型內容】
[0005] 有鑒于此，確有必要提供一種有效隔離封裝熱應力的MEMS傳感器結構，從而提高 MEMS傳感器的溫度特性。
[0006] -種MEMS傳感器結構，包括一封裝管殼、一連接部及一 MEMS傳感器，所述MEMS傳感 器通過所述連接部固定在所述封裝管殼的內部，包括層疊設置的一基底及一敏感結構，所 述基體包括一第一區(qū)域、一第二區(qū)域及一第三區(qū)域，所述第一區(qū)域與所述連接部層疊接觸 設置，使所述第二區(qū)域及所述第三區(qū)域懸空設置在所述殼體的內部底面之上，所述第二區(qū) 域設置在所述第一區(qū)域與所述第三區(qū)域之間，連接所述第一區(qū)域及所述第三區(qū)域，所述第 三區(qū)域與所述敏感結構層疊設置，所述敏感結構僅設置在所述第三區(qū)域，所述第二區(qū)域在 所述基底的寬度方向上具有一最小長度，該最小長度小于所述第一區(qū)域及所述第三區(qū)域在 所述基底的寬度方向上的長度，使所述基底在寬度方向上具有至少一個凹槽。
[0007] -種MEMS傳感器，層疊設置的一基底及一敏感結構，所述基體包括一第一區(qū)域、一 第二區(qū)域及一第三區(qū)域，所述第一區(qū)域與所述連接部層疊接觸設置，使所述第二區(qū)域及所 述第三區(qū)域懸空設置在所述殼體的內部底面之上，所述第二區(qū)域設置在所述第一區(qū)域與所 述第三區(qū)域之間，連接所述第一區(qū)域及所述第三區(qū)域，所述第三區(qū)域與所述敏感結構層疊 設置，所述敏感結構僅設置在所述第三區(qū)域，所述第二區(qū)域在所述基底的寬度方向上具有 一最小長度，該最小長度小于所述第一區(qū)域及所述第三區(qū)域在所述基底的寬度方向上的長 度使所述基底在寬度方向上具有至少一個凹槽。
[0008] 本實用新型的MEMS傳感器結構中，MEMS傳感器的基底包括第一區(qū)域、第二區(qū)域及 第三區(qū)域，第二區(qū)域在基底的寬度方向上具有一最小長度，該最小長度小于所述第一區(qū)域 及所述第三區(qū)域在所述基底的寬度方向上的長度使基底具有至少一個凹槽，且第二區(qū)域將 設置有敏感結構的第三區(qū)域和與連接部連接的第一區(qū)域隔離開來，使第一區(qū)域的熱應力在 通過第二區(qū)域傳遞到所述第三區(qū)域的過程中逐漸減弱，可以有效隔離封裝帶來的熱應力減 小熱應力對敏感結構的影響，提高MEMSS傳感器結構的溫度特性。
【附圖說明】

[0009] 圖1是本實用新型實施例的MEMS傳感器結構的結構示意圖。
[0010] 圖2是本實用新型實施例的MEMS傳感器結構的局部立體示意圖。
[0011 ]圖3是圖2的MEMS傳感器結構局部的剖視圖。
[0012] 圖4至7是本實用新型不同實施例的MEMS傳感器的基底俯視圖。
[0013] 圖8是本實用新型實施例的MEMS傳感器的立體示意圖。
[0014] 主要元件符號說明
[0016] 如下【具體實施方式】將結合上述附圖進一步說明本實用新型。
【具體實施方式】
[0017] 下面將結合附圖及具體實施例對本實用新型提供的MEMS傳感器結構作進一步的 詳細說明。
[0018] 請參閱圖1至2，本實用新型提供一種MEMS傳感器結構，包括一封裝管殼10、一連接 部20及一 MEMS傳感器30。所述MEMS傳感器30通過所述連接部20固定在所述封裝管殼10的內 部。所述MEMS傳感器30包括層疊設置的一基底31及一敏感結構33。所述基底31包括一第一 區(qū)域311、一第二區(qū)域312及一第三區(qū)域313。所述第一區(qū)域311與所述連接部20層疊接觸設 置，使所述第二區(qū)域312及所述第三區(qū)域313懸空設置在所述封裝管殼10的內部底面之上。 所述第二區(qū)域312連接所述第一區(qū)域311及所述第三區(qū)域313。所述第二區(qū)域312在所述基底 31的寬度方向上具有一最小長度，該最小長度小于所述第一區(qū)域311及所述第三區(qū)域313在 所述基底31的寬度方向上的長度使所述基底31具有至少一個凹槽3121。所述第三區(qū)域313 與所述敏感結構33層疊設置，所述敏感結構33僅設置在所述第三區(qū)域313上。
[0019] 所述封裝管殼10用于封裝所述MEMS傳感器30。所述封裝管殼10包括一殼體11及一 蓋板12。具體地，所述殼體11具有一內部腔體用于容納所述MEMS傳感器30,所述殼體11的內 部底面用于承載所述MEMS傳感器30,所述蓋板12與所述殼體11相互配合將MEMS傳感器30封 裝在所述封裝管殼10內部。所述蓋板12可通過粘膠或者焊接的方式固定在所述殼體11側壁 的上表面。所述封裝管殼10的材料可為陶瓷、金屬或者塑料。本實施例中，所述封裝管殼10 的材料為陶瓷。
[0020] 所述連接部20為一片狀結構體，設置在所述封裝管殼10的殼體11的內部底面及所 述MEMS傳感器30之間。所述連接部20用于連接所述封裝管殼10及所述MEMS傳感器30，該連 接部20使所述MEMS傳感器30固定在封裝管殼10的內部。具體地，所述基底31的第一區(qū)域311 與所述連接部20接觸設置，使所述基底31固定在封裝管殼10的內部，并使所述基底31的第 二區(qū)域312及第三區(qū)域313懸空。所述連接部20的材料可為粘合劑或合金焊料。當所述連接 部20的材料為粘合劑時，所述MEMS傳感器30可通過所述粘合劑直接粘貼在所述殼體11的內 部底面。當所述連接部20的材料為合金焊料時，可通過燒結并冷卻所述合金的方法，使所述 MEMS傳感器30固定在所述殼體11的內部底面。所述粘合劑可為導電銀漿、環(huán)氧類膠等。所述 合金焊料可為金錫(Au-Sn)、金娃(Au-Si)、金鍺(Au-Ge)等。所述連接部20與所述第一區(qū)域 311的接觸面積小于或等于所述第一區(qū)域311的面積。優(yōu)選地，所述連接部20與所述第一區(qū) 域311的接觸面積等于所述第一區(qū)域311的面積并保證連接均勻。本實施例中，所述連接部 20的材料為導電銀漿。
[0021] 請參閱圖2及圖3,所述基底31為一平板結構體，用于承載所述金屬導電層32及所 述敏感結構33。所述基底31的材料可為硅、玻璃等MEMS工藝中的常用材料。所述基底31的厚 度及形狀可以根據實際需要進行選擇。。本實施例中，所述基底31的材料為玻璃。
[0022] 所述基底31具有一寬度方向X及一長度方向Y。所述寬度方向X與所述長度方向Y相 互垂直。在所述長度方向上，所述第一區(qū)域311、所述第二區(qū)域312及所述第三區(qū)域313依次 連接形成連續(xù)的所述基底31。所述第一區(qū)域311及所述第三區(qū)域313位于所述基底31在所述 長度方向上相對的兩個端部，所述第二區(qū)域312位于所述第一區(qū)域311及所述第三區(qū)域313 之間，用于連接所述第一區(qū)域311及所述第三區(qū)域313。
[0023] 所述第二區(qū)域312在所述寬度方向X上的最小長度小于所述第一區(qū)域311及所述第 三區(qū)域313在所述寬度方向X上的長度，進而在所述基底31上形成至少一個凹槽3121。只要 保證所述第二區(qū)域312在所述寬度方向X上的最小長度小于所述第一區(qū)域311及所述第三區(qū) 域313在所述寬度方向X上的長度，所述凹槽的形狀、大小及數量不限。優(yōu)選地，所述第二區(qū) 域312在所述寬度方向X上的最小長度值為基底31最大寬度的1/10~1/3。所述第二區(qū)域312 在所述長度方向Y上的長度為基底31最大長度的1/5~1/2。當所述基底31具有一個所述凹 槽3121時，所述凹槽3121的形狀不限，可設置在所述第二區(qū)域312的在所述寬度方向X上的 相對兩側中的任意一側。當所述基底31具有多個凹槽3121時，所述多個凹槽3121的形狀可 以相同也可不同，所述多個凹槽3121可均設置在所述第二區(qū)域312在所述寬度方向X上的同 一側，也可分別設置在所述第二區(qū)域312在所述寬度方向X上的相對兩側。優(yōu)選地，所述基底 31具有形狀相同的成對的所述凹槽3121，分別對稱設置在所述第二區(qū)域312在所述寬度方 向X上的相對兩側。
[0024]請參閱圖4，一實施例中，所述基底31具有一個半圓形的所述凹槽3121，該半圓形 的凹槽3121設置在所述第二區(qū)域312在所述寬度方向X上的一個側邊。請參閱圖5，另一實施 例中，所述基底31具有兩個所述凹槽3121，該兩個凹槽3121的形狀分別為半圓形和三角形。 該兩個凹槽3121均設置在所述第二區(qū)域在所述寬度方向X上的同一側邊。請參閱圖6,又一 實施例中，所述基底31具有三個所述凹槽3121，該三個凹槽3121的形狀分別為半圓形、三角 形及方形。其中，半圓形的凹槽3121及三角形的凹槽3121設置在所述第二區(qū)域312在所述寬 度方向X上的同一側邊，方形的凹槽3121設置在所述第二區(qū)域312在所述寬度方向X上的另 一側邊。請參閱圖7，一實施例中，所述基底31具有四個所述凹槽3121。該四個凹槽3121中， 兩兩形狀相同且相同形狀的所述凹槽3121分別對稱設置在所述第二區(qū)域312在所述寬度方 向X上的相對兩側。該四個凹槽3121的形狀分別為半圓形和三角形。請參閱圖8,本實施例 中，所述基底31具有兩個凹槽。具體地，所述兩個凹槽3121的形狀為方形，所述兩個凹槽 3121分別設置在所述第二區(qū)域312在所述寬度方向X上的相對兩側，且該兩個方形凹槽對稱 設置。此時，所述第二區(qū)域312呈Η形。
[0025]所述敏感結構33設置在所述基底31遠離所述連接部20的表面。具體地，所述敏感 結構33僅設置在所述基底31的第三區(qū)域313。所述敏感結構33可以是單一的硅結構，也可以 是完整的MEMS傳感器裸芯片。
[0026] 進一步地，所述MEMS傳感器30包括一金屬導電層32。所述基底31、所述金屬導電層 32及所述敏感結構33層疊設置。所述金屬導電層設置在所述基底31和所述敏感結構33之 間。具體地，所述金屬導電層32設置在所述基底31遠離所述連接部20的表面，且所述金屬導 電層32僅設置在所述基底31的第三區(qū)域313,與所述基底31的第三區(qū)域313層疊設置。所述 金屬導電層32用于將所述敏感結構33與對應的外部電路連接，輸出所述敏感結構33的敏感 信號。所述金屬導電層32包括多根導線以及多個鍵合焊盤。所述金屬導電層32可采用濺射 金屬的方法在所述基底31上形成。導線的走向及布局可根據實際需要進行設置。
[0027] 當環(huán)境溫度變化時，封裝管殼10產生的熱應力將集中在所述基底31的第一區(qū)域 311中，由于所述第二區(qū)域312在所述基底31的寬度方向X上的的最小長度小于所述第一區(qū) 域311及所述第三區(qū)域313在所述基底31的寬度方向X上的長度，熱應力在通過第二區(qū)域312 傳遞到所述第三區(qū)域313的過程中，將逐漸減弱，從而起到了隔離封裝熱應力的效果。
[0028] 實施例
[0029]本實施例中，所述第二區(qū)域312在所述基底31的寬度方向上具有一最小長度，該最 小長度小于所述第一區(qū)域311及所述第三區(qū)域313在所述基底31的寬度方向上的長度使所 述基底31具有至少一個凹槽3121。所述第二區(qū)域312在所述寬度方向X上的最小長度值為 2mm，所述第二區(qū)域312在所述長度方向Y上的長度為2mm。選取所述敏感結構33在所述寬度 方向X上距其中軸線左右各1mm處的兩點作為熱應力參考點進行熱應力檢測。所述兩點的熱 應力分別為4038Pa、4039Pa，差分后熱應力差僅為IPa。
[0030] 對比例
[0031] 對比例1中，所述基底不具有凹槽。選取所述敏感結構在所述寬度方向X上距其中 軸線左右各1mm處的兩點作為熱應力參考點進行熱應力檢測。所述兩點的熱應力分別為 506702Pa、506532Pa，差分后熱應力差為170Pa。
[0032] 由對比實施例和對比例的測得的兩點熱應力值和差分后熱應力差可見，本案提供 的MEMS傳感器結構中所述基底具有凹槽能夠降低熱應力值，而且差分后可以消除大部分應 力，進而可以有效隔離封裝帶來的熱應力減小熱應力對敏感結構的影響，提高MEMS傳感器 結構的溫度特性本實用新型的MEMS傳感器結構中，MEMS傳感器的基底包括第一區(qū)域、第二 區(qū)域及第三區(qū)域，第二區(qū)域在基底的寬度方向上具有一最小長度，該最小長度小于所述第 一區(qū)域及所述第三區(qū)域在所述基底的寬度方向上的長度使基底具有至少一個凹槽，且第二 區(qū)域將設置有敏感結構的第三區(qū)域和與連接部連接的第一區(qū)域隔離開來，使第一區(qū)域的熱 應力在通過第二區(qū)域傳遞到所述第三區(qū)域的過程中逐漸減弱，可以有效隔離封裝帶來的熱 應力減小熱應力對敏感結構的影響，提高MEMS傳感器結構的溫度特性。
[0033] 另外，本領域技術人員還可在本實用新型精神內做其它變化，當然，這些依據本實 用新型精神所做的變化，都應包含在本實用新型所要求保護的范圍之內。
【主權項】
1. 一種MEMS傳感器結構，包括一封裝管殼、一連接部及一MEMS傳感器，所述MEMS傳感器 通過所述連接部固定在所述封裝管殼的內部，所述MEMS傳感器包括層疊設置的一基底及一 敏感結構，所述基底包括一第一區(qū)域、一第二區(qū)域及一第三區(qū)域，所述第一區(qū)域與所述連接 部層疊接觸設置使所述第二區(qū)域及所述第三區(qū)域懸空設置，所述第二區(qū)域設置在所述第一 區(qū)域與所述第三區(qū)域之間，連接所述第一區(qū)域及所述第三區(qū)域，所述第三區(qū)域與所述敏感 結構層疊設置，所述敏感結構僅設置在所述第三區(qū)域，其特征在于，所述第二區(qū)域在所述基 底的寬度方向上具有一最小長度，該最小長度小于所述第一區(qū)域及所述第三區(qū)域在所述基 底的寬度方向上的長度，使所述基底在寬度方向上具有至少一個凹槽。2. 如權利要求1所述的MEMS傳感器結構，其特征在于，所述第二區(qū)域的最小長度值為所 述基底寬度的1/10~1/3。3. 如權利要求2所述的MEMS傳感器結構，其特征在于，所述基底具有多個凹槽，所述多 個凹槽均設置在所述第二區(qū)域在所述寬度方向上的同一側，或所述多個凹槽分別設置在所 述第二區(qū)域在所述寬度方向上的相對兩側。4. 如權利要求2所述的MEMS傳感器結構，其特征在于，所述第二區(qū)域包括兩個凹槽，所 述兩個凹槽的形狀為方形，在所述寬度方向上所述兩個凹槽對稱設置使所述第二區(qū)域呈現 Η形狀。5. 如權利要求1所述的MEMS傳感器結構，其特征在于，所述連接部的材料為粘合劑或合 金焊料。6. 如權利要求1所述的MEMS傳感器結構，其特征在于，所述敏感結構為是單一的娃結構 或完整的MEMS傳感器裸芯片。7. 如權利要求1所述的MEMS傳感器結構，其特征在于，所述MEMS傳感器進一步包括一金 屬導電層，所述基底、所述金屬導電層及所述敏感結構層疊設置，所述金屬導電層設置在所 述基底和所述敏感結構之間，所述金屬導電層僅設置在所述基底的第三區(qū)域。8. -種MEMS傳感器，包括層疊設置的一基底及一敏感結構，所述基底包括一第一區(qū)域、 一第二區(qū)域及一第三區(qū)域，所述第一區(qū)域與連接部層疊接觸設置，使所述第二區(qū)域及所述 第三區(qū)域懸空設置在殼體的內部底面之上，所述第二區(qū)域設置在所述第一區(qū)域與所述第三 區(qū)域之間，連接所述第一區(qū)域及所述第三區(qū)域，所述第三區(qū)與所述敏感結構層疊設置，所 述敏感結構僅設置在所述第三區(qū)域，其特征在于，所述第二區(qū)域在所述基底的寬度方向上 具有一最小長度，該最小長度小于所述第一區(qū)域及所述第三區(qū)域在所述基底的寬度方向上 的長度，使所述基底在寬度方向上具有至少一個凹槽。9. 如權利要求8所述的MEMS傳感器，其特征在于，所述第二區(qū)域的最小長度值為所述基 底寬度的1/10~1/3。
【文檔編號】B81B7/00GK205709848SQ201620479517
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】劉云峰, 嚴斌, 尹永剛, 董景新
【申請人】清華大學