基于多层嵌套环驻波特性的MEMS应力隔离结构设计_董磊锘.pdf

书书书第 36 卷 第 2 期2023 年 2 月传 感 技 术 学 报CHINESE JOUNAL OF SENSOS AND ACTUATOSVol.36No.2Feb 2023项目来源:国家自然科学基金委员会青年科学基金项目(62104211)收稿日期:20220409修改日期:20220527Design of a MEMS Stress-Isolation Structure Based on the StandingWave Characteristics of Concentric ing*DONG Leinuo，MA Zhipeng*，CHEN Jinliang(School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310027，China)Abstract:The performance of MEMS sensors such as accelerometer is high dependent on the fabrication of the mechanical componentand the readout circuit，the packaging process and so on In particular，the thermal stress effect of the mechanical structure of MEMSsensors is dominant To reduce the thermal stress，a novel stress-isolation structure utilizing the standing wave characteristics of concen-tric rings is proposed The thermal stress resulted from the anchors can be absorbed by the concentric-ring structure and thus isolatedfrom the sensitive structure Based on finite element method(FEM)，the thermal deformation is evaluated for different concentric-ringstructures The effects of both the residual stress arising from the anodic bonding process and the thermal stress due to temperaturechange on the resonant frequency and normal/shear stress of the accelerometer are revealed The efficiency of stress isolation is esti-mated for different concentric-ring structural designs It shows that the efficiencies of the normal and shear stress isolation exceed9998%and 9953%respectively As a result，the concentric-ring structure with optimized structural dimension has superior stress-iso-lation performance over the conventional frame-type structureKey words:MEMS;stress isolation;finite element analysis;micro-accelerometer;thermal stressEEACC:2575;7120doi:103969/jissn10041699202302001基于多层嵌套环驻波特性的 MEMS 应力隔离结构设计*董磊锘，马志鹏*，陈瑾亮(浙江大学航空航天学院，浙江 杭州 310027)摘要:MEMS 加速度计等传感器检测精度受机械元件加工、电路制作、封装工艺等方面影响，其中机械热应力的影响尤为显著。为降低热应力，提出了一种基于多层嵌套环驻波特性的应力隔离结构设计，利用嵌套环的驻波振动特性，通过多层嵌套环逐级吸收传递至敏感结构的能量，从而达到隔离锚点处热应力的效果。通过有限元方法计算了不同嵌套环在热应力下变形情况，并研究了键合残余热应力与温度变化热应力对加速度计敏感结构频率、正应力和切应力的影响规律，得出在不同结构布局和尺寸参数下设计的应力隔离效率。对于正应力而言，应力隔离效率最优可以达到 9998%;对于切应力而言，应力隔离效率最优可以达到 9953%。结果表明，多层嵌套环应力隔离结构在特定布局和尺寸条件下的应力隔离效果优于现有的框架式应力隔离结构。关键词:MEMS;应力隔离;有限元分析;微加速度计;热应力中图分类号:TP206;TP2121文献标识码:A文章编号:10041699(2023)02016707基于 MEMS 技术的加速度计等传感器具有轻量小型、功耗低、可靠性高、价格低和易于集成等优点，已被广泛应用于航空航天、工业、惯性导航、消费电子、地质勘探等诸多军民领域15。然而，MEMS 加速度计等传感器的测量精度与稳定性极易受到温度变化等外界因素的影响。温度变化对加速度计中敏感结构的影响主要体现在键合残余应力、封装残余应力及热应力等方面67，导致敏感结构中弹性梁刚度和质量块位移发生变化，产生温度漂移。因此，如何消除温度变化引入的应力对传感器敏感结构的影响成为了 MEMS 加速度计等研究的重点之一811。针对 MEMS 传感器的温度应力抑制方法包括主动式和被动式;主动式应力抑制方法主要是通过优化机械结构和加工工艺来降低以及隔离应力，包含锚点布局优化、粘接布局优化、材料选择、优化加工工艺等具体方案;被动式应力抑制方法则是设计应力隔离结构从而抑制应力传导至敏感结构;主动式和被动式应力抑制方法相结合可以有效降低由热应力引起的传感器温度漂移。传感技术学报chinatransducersseueducn第 36 卷目前广泛采用的框架式应力隔离结构是由刚性外框和弹性支梁构成，传感器敏感结构与刚性外框刚性连接，刚性外框通过弹性梁与器件基板锚点相连。器件基板上应力在传导过程中被弹性梁吸收，刚性外框可保证被保护器件不受应力影响。张晶5 提出了一种包含 U 型梁和短连接梁的框架式应力隔离结构，实验结果表明该框架结构可以隔离超过 97%的锚点应力。Chen 等3 提出一种 0 型连接梁构成的框架式应力隔离结构，实验结果表明双端音叉结构在50 85 温度变化下的应力降低至82 kPa。框架式应力隔离结构虽然能够比较好地实现应力隔离，但是框架式应力隔离结构中弹性支梁不仅会限制 MEMS 传感器机械带宽，而且弹性支梁的加工误差会造成传感器多层异质结构之间的错位。本文基于环形结构的驻波振动特性，提出一种新型简易的传感器应力隔离结构，将环形结构波腹点与器件基板锚点相连，将环形结构波节点与MEMS 传感器锚点相连，通过多层嵌套环逐级削弱温度变化引入的应力。除此之外，新型应力隔离结构可有效降低应力隔离结构对传感器本身机械带宽限制和结构耦合效应。本文通过温度应力建模以及有限元热分析，考察了嵌套环结构参数含层数、锚区布局、环间连接梁布局、环间连接梁宽度等对其应力隔离效率的影响特性，通过与框架式应力隔离结构比较，验证了环形应力隔离结构的有效性和先进性。1力学建模11环形结构的驻波振动特性环形结构的驻波振动模型是本文提出多层嵌套环应力隔离机构的核心与基础，环形结构在工作过程中受温度应力的作用发生形变，形变主要发生在波腹点，而波节点位置保持不变，因此若将应力隔离机构波腹点位置与基板锚点相连，波节点与内部被保护的 MEMS 传感器锚点相连，则应力将无法传导至被保护的 MEMS 器件，从而起到应力隔离效果。图 1 即是一种环形结构作为应力隔离结构的布局示意图。环形结构的波腹点与基板锚区相连，锚区数量和位置决定了驻波振型，波节点与被保护的MEMS 器件锚点相连。根据目标基板需固定锚区数量 m，确定 N 驻波振型的阶数，使得 N=m。再根据驻波振型设计环形结构上的锚点位置，所述锚点分布在波腹点和波节点，所述的波腹点和波节点间隔分布在环形结构上。对于 N 驻波振型，两个相邻的波腹点和波节点间隔 90/N;图 1(a)和图 1(b)分别对应的是 2 和 4 的振型12。以如图 2 所示2 振型为例，给出环形结构的径向位移 ur和切向位移 ut及笛卡尔坐标系下的位移 ux和 uy13:urut()=cos(220)sin(220)05sin(220)05cos(220)()q1q2()(1)uxuy()=cossinsincos()urut()(2)式中:0是 2 模态的一个振动模态主轴，另一个简并模态主轴距 0的角度为 45，q1是一阶模态振幅，q2是二阶模态振幅。图 1环形应力隔离结构示意图图 22 模态示意图由此可知，将驻波振型波腹点与基板锚点对称布局连接，保证了环形结构在基板温度应力作用下变形，其径向变形不会影响波节点处固定的传感器敏感结构;然而，环形结构虽然隔离了径向应力，但是其扭转将引入较大的切向应力。为了消除切向应力，本文采用了多层嵌套环结构，利用多层嵌套环能够逐级削弱传递至敏感结构的能量的特性来达到较好的应力隔离效果。12传感器温度应力模型加速度计等器件在阳极键合、管壳封装以及工作过程中由于温度变化会在敏感结构上产生内应力，导致传感器输出漂移。本文针对硅玻璃材质的加速度计在阳极键合和工作过程产生的材料温度膨861第 2 期董磊锘，马志鹏等:基于多层嵌套环驻波特性的 MEMS 应力隔离结构设计胀系数不匹配造成的输出漂移进行了建模研究。键合残余应力，即 MEMS 器件制备工艺流程中由阳 极 键 合 工 艺 引 入 的 残 余 应 力。单 晶 硅 与Pyrex7740 玻璃在 300 高温和 1 000 V 高压下发生键合，键合完成后由于硅和玻璃的热膨胀系数(CTE)不匹配引起降温后结构中残留应力7。而传感器工作过程中，由于外界温度变化，硅和玻璃的CTE 不匹配也会产生热应力。假设硅玻璃初始温度为 C0，硅弹性梁轴向锚点间距为 La0，硅和玻璃的 CTE 分别为 Si和 G，均为温度的函数;硅弹性梁横截面积为 ASi，远小于衬底的横截面积;硅梁和衬底的弹性模量分别为 ESi和EG。在键合温度 C1，锚点间距变为 La1，在降温至 C0过程中由于硅与衬底的热膨胀系数失配，产生键合残余应力，此时降温后锚点间距为 La2。如图 3(a)所示，弹性梁中轴向力以及弹性梁内键合残余应力分别为:N=ESiASiC1C0(GSi)dT+C1C0SidTC1C0GdT(3)=ESiC1C0(GSi)dT+C1C0SidTC1C0GdT(4)通过对敏感结构弹性梁的解析模型进行如图 3(b)所示的简化，采用解挠曲线微分方程法，可得在无轴向力 N 时弹性梁刚度 k0和敏感结构在工作方向上的特征频率 f0:k0=EWH3L3(5)f0=124EWH3mpL3(6)式中:mp为质量块的质量，L 为弹性梁长度，H 为弹性梁高度，W 为弹性梁宽度，E 为弹性梁的杨氏模量。当敏感结构弹性梁中存在轴向力 N 时，采用基于能量守恒定律的 ayleigh s method14，可得敏感结构的特征频率 fn:fn=124k0mp24N5Lmp=f016N5Lk0(7)图 3加速度计力学模型示意图当有环形应力隔离结构时，以如图 4(a)所示的单层环为例，分析弹性梁中应力情况。当锚