本發明涉(she)及mems封裝及微(wei)(wei)機械制造，具(ju)體是一(yi)種用于(yu)mems器件的封裝應力隔離微(wei)(wei)結(jie)構及封裝結(jie)構。

背景技術：

1、隨著微電子機械系統（mems）技術的(de)不斷(duan)發展和(he)(he)深入應(ying)用，各(ge)種高精度、微型化的(de)傳感(gan)器(qi)不斷(duan)涌(yong)現，其中(zhong)微殼(ke)體(ti)諧振(zhen)(zhen)陀(tuo)螺(luo)作(zuo)為一(yi)種重要的(de)角速度傳感(gan)器(qi)，在(zai)慣性(xing)(xing)導航、姿態(tai)控制等領域具有廣泛的(de)應(ying)用前(qian)景。然而，在(zai)微殼(ke)體(ti)諧振(zhen)(zhen)陀(tuo)螺(luo)的(de)制造和(he)(he)封裝(zhuang)過程中(zhong)，由于材料性(xing)(xing)能(neng)的(de)不匹(pi)配和(he)(he)工藝(yi)步驟的(de)影響(xiang)，會產(chan)生(sheng)較大的(de)封裝(zhuang)應(ying)力，這(zhe)些應(ying)力會傳遞到陀(tuo)螺(luo)的(de)敏感(gan)結構(gou)上，引起結構(gou)變形和(he)(he)應(ying)力集(ji)中(zhong)，嚴重影響(xiang)陀(tuo)螺(luo)的(de)性(xing)(xing)能(neng)和(he)(he)穩定性(xing)(xing)。

2、為了(le)解決上(shang)述(shu)問題，研究人員(yuan)開(kai)始關注應力(li)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)在微殼體諧振陀螺中的(de)應用。應力(li)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)是一種(zhong)有(you)效的(de)封裝(zhuang)級應力(li)緩解方法，通(tong)過設(she)計合理的(de)應力(li)隔(ge)離(li)結(jie)構(gou)，能(neng)夠有(you)效地(di)隔(ge)離(li)制(zhi)造和封裝(zhuang)過程中產生的(de)應力(li)，保護(hu)陀螺的(de)敏感結(jie)構(gou)不受應力(li)的(de)影響。

3、在微(wei)殼體諧振陀(tuo)螺(luo)(luo)的(de)(de)應力(li)隔離結(jie)構(gou)設(she)(she)計(ji)(ji)中，需(xu)要(yao)(yao)考慮多種因(yin)素(su)的(de)(de)綜合(he)影響(xiang)。首(shou)先，需(xu)要(yao)(yao)選擇(ze)合(he)適的(de)(de)材料(liao)組合(he)和(he)結(jie)構(gou)設(she)(she)計(ji)(ji)，以降低材料(liao)之(zhi)間的(de)(de)熱膨脹系數失配(pei)和(he)機械性(xing)能不(bu)匹配(pei)產生(sheng)的(de)(de)應力(li)。其次，需(xu)要(yao)(yao)優(you)化封(feng)裝工(gong)藝步驟，減少高低溫轉換等(deng)工(gong)藝過程(cheng)對(dui)陀(tuo)螺(luo)(luo)結(jie)構(gou)的(de)(de)影響(xiang)。最后，需(xu)要(yao)(yao)通過仿真分析(xi)和(he)實驗驗證，不(bu)斷優(you)化應力(li)隔離結(jie)構(gou)的(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)參(can)數，以達(da)到最佳的(de)(de)應力(li)隔離效果(guo)。

4、隨著(zhu)研究的(de)(de)(de)不斷深入，微(wei)殼體諧(xie)振陀螺(luo)(luo)的(de)(de)(de)應力隔離(li)(li)結(jie)構(gou)(gou)已經取得了顯著(zhu)的(de)(de)(de)進展(zhan)。通(tong)過(guo)合理的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)設(she)計和(he)材料選(xuan)擇，以及優化的(de)(de)(de)封(feng)裝(zhuang)工(gong)藝步驟，已經能(neng)夠有效地隔離(li)(li)制造和(he)封(feng)裝(zhuang)過(guo)程(cheng)中產生的(de)(de)(de)應力，提高陀螺(luo)(luo)的(de)(de)(de)測(ce)量精度和(he)穩定性(xing)，目前設(she)計的(de)(de)(de)應力隔離(li)(li)結(jie)構(gou)(gou)只適用于單一(yi)場(chang)景，比較(jiao)難(nan)去(qu)調(diao)節結(jie)構(gou)(gou)參數(shu)以適應不同的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)要(yao)求和(he)工(gong)作環境。未來，隨著(zhu)技術的(de)(de)(de)不斷發展(zhan)和(he)創新(xin)，微(wei)殼體諧(xie)振陀螺(luo)(luo)的(de)(de)(de)應力隔離(li)(li)結(jie)構(gou)(gou)將(jiang)會更加完善和(he)優化，為(wei)慣性(xing)導(dao)航、姿態(tai)控(kong)制等領域的(de)(de)(de)應用提供更加可(ke)靠和(he)精確的(de)(de)(de)技術支持。

技術實現思路

1、針對(dui)上述現(xian)有技(ji)術中的不足，本發明供一種用(yong)于mems器件(jian)的封(feng)裝(zhuang)(zhuang)應(ying)(ying)力隔離微(wei)結(jie)構(gou)及封(feng)裝(zhuang)(zhuang)結(jie)構(gou)，能夠有效隔離貼片應(ying)(ying)力影(ying)(ying)響，并且(qie)減(jian)小(xiao)封(feng)裝(zhuang)(zhuang)殼(ke)體(ti)(ti)隨(sui)溫度變(bian)化(hua)對(dui)微(wei)殼(ke)體(ti)(ti)振動陀(tuo)螺(luo)電極基板(ban)的影(ying)(ying)響，同時該封(feng)裝(zhuang)(zhuang)應(ying)(ying)力隔離微(wei)結(jie)構(gou)具(ju)有尺(chi)寸小(xiao)、成本低、易于批量生產和易安裝(zhuang)(zhuang)的特(te)點，模(mo)(mo)態頻率(lv)遠離微(wei)殼(ke)體(ti)(ti)振動陀(tuo)螺(luo)的工(gong)作頻率(lv)，且(qie)具(ju)有一定(ding)的抗沖擊性(xing)能，可(ke)以根據工(gong)作環境需求，優(you)化(hua)結(jie)構(gou)參(can)數來改(gai)變(bian)熱(re)應(ying)(ying)力縮(suo)小(xiao)效果、模(mo)(mo)態頻率(lv)、抗沖擊性(xing)能等參(can)數，可(ke)以提高傳(chuan)感(gan)器性(xing)能，并且(qie)可(ke)以廣泛(fan)應(ying)(ying)用(yong)在微(wei)殼(ke)體(ti)(ti)振動陀(tuo)螺(luo)封(feng)裝(zhuang)(zhuang)中。

2、為實現上述目的，本發明提(ti)供一種用于mems器件的封(feng)裝應(ying)力隔離(li)微結構，包(bao)括應(ying)力縮小(xiao)單(dan)元(yuan)與凹槽(cao)支(zhi)撐(cheng)單(dan)元(yuan)；

3、所述(shu)凹槽(cao)(cao)支撐單元的(de)底部具有沉槽(cao)(cao)，所述(shu)應力(li)縮小單元為(wei)環形結構且(qie)固(gu)定設在所述(shu)凹槽(cao)(cao)支撐單元底部，所述(shu)沉槽(cao)(cao)與所述(shu)應力(li)縮小單元的(de)環腔共同組成凹槽(cao)(cao)；

4、所(suo)述凹槽支撐單(dan)元(yuan)(yuan)頂部位于中心的位置設(she)有凸(tu)臺，且所(suo)述凸(tu)臺周圍(wei)設(she)有至少(shao)一層應力隔(ge)離通(tong)孔單(dan)元(yuan)(yuan)。

5、在其中一個實(shi)施(shi)例，一層所(suo)述(shu)應(ying)力隔離通孔單元包(bao)括若干與所(suo)述(shu)凹槽連通的圓弧槽通孔；

6、位于(yu)同一層的各所(suo)述圓弧槽通孔(kong)沿(yan)環向同心間隔分布在所(suo)述凸臺的周圍。

7、在(zai)(zai)其(qi)中一個實施(shi)例，當所(suo)(suo)述(shu)(shu)(shu)(shu)應(ying)力(li)隔(ge)離通(tong)孔(kong)單元(yuan)的數(shu)量(liang)在(zai)(zai)兩(liang)個以上時(shi)，各所(suo)(suo)述(shu)(shu)(shu)(shu)應(ying)力(li)隔(ge)離通(tong)孔(kong)單元(yuan)逐層(ceng)(ceng)套(tao)設(she)在(zai)(zai)所(suo)(suo)述(shu)(shu)(shu)(shu)凸臺周圍，且相鄰兩(liang)層(ceng)(ceng)所(suo)(suo)述(shu)(shu)(shu)(shu)應(ying)力(li)隔(ge)離通(tong)孔(kong)單元(yuan)中的所(suo)(suo)述(shu)(shu)(shu)(shu)圓(yuan)弧槽通(tong)孔(kong)相互錯(cuo)開。

8、在(zai)其中一(yi)個實施例，所述應(ying)力縮小單元包括環(huan)形的第一(yi)平(ping)臺與第二(er)平(ping)臺；

9、所(suo)述第二平(ping)(ping)臺設在所(suo)述第一(yi)平(ping)(ping)臺的(de)頂部，所(suo)述凹槽支撐單元設在所(suo)述第二平(ping)(ping)臺的(de)頂部；

10、所述(shu)第(di)一(yi)平(ping)臺的(de)外輪(lun)廓(kuo)形(xing)狀與所述(shu)凹槽支撐單元、電極基板一(yi)致，所述(shu)第(di)二平(ping)臺的(de)外輪(lun)廓(kuo)位于所述(shu)第(di)一(yi)平(ping)臺的(de)外輪(lun)廓(kuo)內；

11、所(suo)(suo)(suo)述(shu)第一(yi)平臺(tai)的內輪廓(kuo)、所(suo)(suo)(suo)述(shu)第二平臺(tai)的內輪廓(kuo)與(yu)所(suo)(suo)(suo)述(shu)沉(chen)槽的側壁平齊。

12、在(zai)其中一個(ge)實施例，所述第一平臺的(de)底部開設有至少一層環形槽。

13、在其中一個(ge)實施(shi)例，所述(shu)第二平臺(tai)的(de)外輪廓不(bu)超過最外側(ce)所述(shu)環形槽的(de)外側(ce)壁(bi)。

14、在(zai)其中一(yi)個實施例，所述(shu)凸臺上開(kai)設有與所述(shu)凹槽(cao)連通的通孔。

15、在其中一個實施例，所(suo)述(shu)應力縮小單元(yuan)與所(suo)述(shu)凹槽支(zhi)撐單元(yuan)一體成(cheng)型，且所(suo)述(shu)應力縮小單元(yuan)、所(suo)述(shu)凹槽支(zhi)撐單元(yuan)的材(cai)質(zhi)與微殼(ke)體振(zhen)動陀螺電極(ji)基板相同。

16、為實現上(shang)述目的(de)(de)，本發明還提供(gong)一種mems器件的(de)(de)封(feng)裝(zhuang)結(jie)構(gou)，包括微殼(ke)體振(zhen)動(dong)陀螺、封(feng)裝(zhuang)殼(ke)體以及上(shang)述的(de)(de)封(feng)裝(zhuang)應(ying)力(li)隔(ge)離微結(jie)構(gou)；

17、所述(shu)(shu)微(wei)(wei)殼體(ti)(ti)(ti)振動陀螺、所述(shu)(shu)封裝(zhuang)應力隔離微(wei)(wei)結構(gou)均設在所述(shu)(shu)封裝(zhuang)殼體(ti)(ti)(ti)內(nei)，且所述(shu)(shu)微(wei)(wei)殼體(ti)(ti)(ti)振動陀螺通過所述(shu)(shu)封裝(zhuang)應力隔離微(wei)(wei)結構(gou)與(yu)所述(shu)(shu)封裝(zhuang)殼體(ti)(ti)(ti)相(xiang)連(lian)。

18、與現(xian)有技術(shu)相比，本(ben)發明具有如下有益技術(shu)效果：

19、1.本發明(ming)能夠有效(xiao)隔離由(you)于封裝殼體(ti)和微殼體(ti)振動陀(tuo)螺材(cai)料(liao)熱膨脹系(xi)數(shu)不(bu)同引起的熱應(ying)力(li)影響(xiang)，具體(ti)地(di)：

20、本(ben)發明中的(de)封(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)隔離(li)微結(jie)(jie)構，需要將微殼體(ti)(ti)振動陀螺(luo)安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)在(zai)凸(tu)臺(tai)上，將應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)縮小(xiao)單(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)底(di)部(bu)安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)在(zai)封(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)殼體(ti)(ti)中，封(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)殼體(ti)(ti)和應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)隔離(li)結(jie)(jie)構的(de)材料熱(re)(re)膨脹系數不(bu)(bu)匹配(pei)產生的(de)熱(re)(re)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)作用(yong)在(zai)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)縮小(xiao)單(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)底(di)層上，由于應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)縮小(xiao)單(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)底(di)部(bu)開有環(huan)形槽(cao)(cao)，通(tong)(tong)過(guo)環(huan)形槽(cao)(cao)熱(re)(re)變形釋(shi)放出部(bu)分熱(re)(re)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)縮小(xiao)單(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)頂(ding)部(bu)的(de)第(di)二平(ping)(ping)臺(tai)的(de)外輪廓不(bu)(bu)超過(guo)最(zui)外側(ce)環(huan)形槽(cao)(cao)的(de)外側(ce)壁，第(di)一平(ping)(ping)臺(tai)只有部(bu)分熱(re)(re)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)傳遞(di)到第(di)二平(ping)(ping)臺(tai)，通(tong)(tong)過(guo)第(di)一平(ping)(ping)臺(tai)與第(di)一平(ping)(ping)臺(tai)對(dui)應(ying)(ying)(ying)位置減小(xiao)傳遞(di)到凹(ao)槽(cao)(cao)支撐單(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)的(de)熱(re)(re)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)，同時凹(ao)槽(cao)(cao)支撐單(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)上的(de)圓弧槽(cao)(cao)通(tong)(tong)孔處(chu)(chu)無法傳播熱(re)(re)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)，可(ke)以起(qi)到隔離(li)熱(re)(re)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)的(de)作用(yong)，通(tong)(tong)過(guo)多次隔離(li)使得凸(tu)臺(tai)處(chu)(chu)幾乎不(bu)(bu)受封(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)殼體(ti)(ti)和微殼體(ti)(ti)材料熱(re)(re)膨脹系數不(bu)(bu)匹配(pei)帶(dai)來的(de)熱(re)(re)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)影響；

21、2.本(ben)發明可通過圓弧(hu)槽通孔的(de)槽寬、弧(hu)度、層數和層間距(ju)還有凹槽深度來設計所需的(de)工作(zuo)需求的(de)應力(li)隔離微結構，實現應力(li)隔離微結構的(de)優化(hua)，具體地(di)：

22、當(dang)應(ying)力隔(ge)離(li)微結構(gou)需要(yao)更優的熱應(ying)力隔(ge)離(li)效果時，可通過(guo)增大圓(yuan)弧(hu)槽(cao)(cao)通孔的弧(hu)度(du)、減小圓(yuan)弧(hu)槽(cao)(cao)通孔的層間距和/或(huo)增加圓(yuan)弧(hu)槽(cao)(cao)通孔槽(cao)(cao)層數來實現；

23、當應力隔(ge)離(li)微結構需要(yao)更大的模(mo)態頻率時，可通過減(jian)小(xiao)凹槽的深度來實(shi)現；

24、當應力隔離(li)微結構需要(yao)更大(da)抗沖擊性能時，可通過(guo)增大(da)圓弧槽(cao)通孔的槽(cao)寬和/或(huo)圓弧槽(cao)通孔的圓角半(ban)徑來實現(xian)；

25、其中，應力(li)隔離微結構(gou)的熱(re)應力(li)隔離效果(guo)、模態頻率和抗沖擊(ji)性(xing)能相互(hu)耦合，當(dang)增(zeng)大熱(re)應力(li)隔離效果(guo)時，模態頻率和抗沖擊(ji)性(xing)能會非線(xian)性(xing)減小，因此需(xu)要根據使(shi)用(yong)要求來優化(hua)參數以(yi)滿足實際工況；

26、3.本發明中(zhong)的(de)封裝結構通(tong)過將應力隔離微結構和mems器(qi)件一(yi)起封裝在管殼(ke)內(nei)，因(yin)為其(qi)材(cai)料與mems器(qi)件的(de)襯底相同，從(cong)而(er)能夠有效(xiao)避(bi)免材(cai)料熱膨脹系數(shu)不匹(pi)配帶來(lai)的(de)熱應力；

27、4.本發明中的應(ying)力隔離(li)微(wei)結(jie)構(gou)(gou)具(ju)有尺寸(cun)小、成本低、易(yi)(yi)于批量生產(chan)和(he)易(yi)(yi)安裝的特點，結(jie)構(gou)(gou)模(mo)態頻率遠離(li)微(wei)殼(ke)(ke)體(ti)振動陀螺的工作頻率，且具(ju)有一定的抗沖擊性能(neng)，可(ke)以提高傳(chuan)感器性能(neng)，并(bing)且可(ke)以廣泛應(ying)用在微(wei)殼(ke)(ke)體(ti)振動陀螺封裝中。

技術特征：

1.一種用(yong)于mems器件的封裝應力隔離微結構，其特征在于，包(bao)括(kuo)應力縮小單元與凹槽支撐(cheng)單元；

2.根據權利要求1所述(shu)的用于(yu)mems器件的封裝應(ying)力隔離微結構(gou)，其特征在(zai)于(yu)，一層(ceng)所述(shu)應(ying)力隔離通孔(kong)單元包括若干與所述(shu)凹(ao)槽連通的圓弧槽通孔(kong)；

3.根(gen)據權利要求2所述(shu)(shu)的用(yong)于mems器件的封裝應(ying)力隔(ge)離微(wei)結構，其特征在于，當所述(shu)(shu)應(ying)力隔(ge)離通孔(kong)(kong)單元的數量(liang)在兩(liang)個以上時，各所述(shu)(shu)應(ying)力隔(ge)離通孔(kong)(kong)單元逐層套設(she)在所述(shu)(shu)凸(tu)臺周(zhou)圍，且相(xiang)(xiang)鄰(lin)兩(liang)層所述(shu)(shu)應(ying)力隔(ge)離通孔(kong)(kong)單元中的所述(shu)(shu)圓弧槽通孔(kong)(kong)相(xiang)(xiang)互(hu)錯開。

4.根據(ju)權(quan)利要求1或2或3所(suo)(suo)述(shu)的用(yong)于mems器件的封裝(zhuang)應(ying)力隔離微結構，其特征在于，所(suo)(suo)述(shu)應(ying)力縮小單(dan)元包(bao)括環(huan)形的第一平(ping)臺(tai)與第二平(ping)臺(tai)；

5.根據權利要(yao)求4所述的用(yong)于mems器件的封裝應力(li)隔離微結(jie)構，其(qi)特征在于，所述第(di)一平(ping)臺的底部(bu)開設有至少(shao)一層環形槽。

6.根據權利(li)要求(qiu)5所(suo)述(shu)的(de)用于mems器(qi)件(jian)的(de)封裝應力隔離(li)微結構(gou)，其特征在于，所(suo)述(shu)第二平臺的(de)外(wai)輪廓不超過(guo)最(zui)外(wai)側(ce)(ce)所(suo)述(shu)環形槽的(de)外(wai)側(ce)(ce)壁。

7.根據(ju)權利要求(qiu)1或(huo)2或(huo)3所(suo)述(shu)的用(yong)于mems器件的封裝(zhuang)應(ying)力隔離微結(jie)構，其特征在于，所(suo)述(shu)凸臺上(shang)開設有與(yu)所(suo)述(shu)凹槽連通(tong)的通(tong)孔。

8.根據權(quan)利要求1或(huo)2或(huo)3所述(shu)(shu)的用于mems器件的封裝應力隔離微結構(gou)，其特征在于，所述(shu)(shu)應力縮(suo)(suo)小單(dan)(dan)元(yuan)與(yu)所述(shu)(shu)凹槽(cao)支撐單(dan)(dan)元(yuan)一體(ti)成型，且所述(shu)(shu)應力縮(suo)(suo)小單(dan)(dan)元(yuan)、所述(shu)(shu)凹槽(cao)支撐單(dan)(dan)元(yuan)的材質與(yu)微殼(ke)體(ti)振動陀螺電(dian)極基(ji)板(ban)相(xiang)同。

9.一種(zhong)mems器件的(de)封(feng)(feng)裝(zhuang)結構(gou)，其(qi)特征在(zai)于，包括微殼(ke)體振(zhen)動陀螺、封(feng)(feng)裝(zhuang)殼(ke)體以及(ji)權(quan)利要求(qiu)1至8任一項(xiang)所述(shu)的(de)封(feng)(feng)裝(zhuang)應力(li)隔離微結構(gou)；

技術總結
本發明公開了一種用于MEMS器件的封裝應力隔離微結構及封裝結構，包括應力縮小單元與凹槽支撐單元；凹槽支撐單元的底部具有沉槽，應力縮小單元為環形結構且固定設在凹槽支撐單元底部，沉槽與應力縮小單元的環腔共同組成凹槽；凹槽支撐單元頂部設有凸臺，凸臺周圍設有至少一層應力隔離通孔單元。本發明應用于MEMS封裝領域，能夠隔離貼片應力影響，減小封裝殼體溫度變化對陀螺的影響，同時具有尺寸小、成本低、易于批量生產和易安裝的特點，模態頻率遠離陀螺工作頻率，具有一定的抗沖擊性能，可根據工作環境需求優化結構參數來改變熱應力縮小效果、模態頻率、抗沖擊性能等參數，提高傳感器性能，可廣泛應用在微殼體振動陀螺封裝中。

技術研發人員：盧坤,肖定邦,吳學忠,席翔,劉奧成,張勇猛,石巖,孫江坤,李青松
受保護的技術使用者：中國人民解放軍國防科技大學
技術研發日：
技術公布日：2024/9/17