[发明专利]一种增加变形梁强度和使用寿命的结构及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种增加变形梁强度和使用寿命的结构及其应用，属于微电子机械系统技术领域。

背景技术

凭借微加工和微制造技术的不断发展，MEMS器件以其低成本，高性能，高集成度和适于大批量生产等特点，开始应用于工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和生物工程、农业、环境和家庭服务等领域。随着器件的广泛使用，人们对MEMS器件的稳定性，可靠性，和使用寿命也提出了更高的要求。

在MEMS器件中，梁型结构有着广泛的应用，利用梁的变形而产生的效应所制造的微传感器和微执行器有很多，如悬臂梁式压力传感器，悬臂梁式加速度传感器，压阻式加速度传感器，悬膜式微型加热器，悬膜式气体传感器，微探针，微机械开关等。通常这些梁与支撑端的连接处形成T形结构或者斜T形结构，如图1所示。器件工作时，梁的变形会在T形连接处产生应力集中。反复变形或者大变形很容易造成连接处出现劈裂，导致器件失效。

为了增加变形梁的强度和使用寿命，一般采用的方法是增加梁的厚度或梁的宽度。虽然能在一定程度上提高了梁的强度，增加了梁的使用寿命，但这样却影响了器件的性能。比如，增加悬臂梁式加速度计的梁的厚度或者宽度，在同样加速度的作用下，加厚加宽的悬臂梁产生的形变减小，降低了器件的灵敏度。增加悬梁式微型加热器的梁的厚度或者宽度，就会增加中心加热区向衬底的热量传导，引起器件功耗上升，器件性能下降。本发明拟从另一角度考虑，即不增加梁的宽度和厚度，而仅从改变梁的局部结构，达到提高变形梁的强度和增强梁的使用寿命的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以提高变形梁强度和使用寿命的结构及其应用。所述的结构设计简单，不增加新的工艺流程，只需改变梁的局部结构，其特征在于：悬梁结构与支撑端连接处的夹角都是钝角。在实施上增加梁在连接处的宽度，形成一个小的加固的转角，如图2所示，使梁与衬底连接处的夹角均为钝角，避免连接处出现直角或者锐角。

所述的梁形结构在几何特征上有两种：

1，宽度和厚度相当的实体梁，如图3(a)所示。通过模型提取，这类梁可以归结为：简支梁，外伸梁，悬臂梁，两端固支梁等。

2，宽度和厚度比值悬殊的薄膜型梁，宽度和厚度的比值大于5∶1，如图3(b)所示。薄膜的材料可以是氧化硅，氮化硅，多晶硅和有机聚合物等介质膜的一种或几种的单层膜或复合膜，也可以是带有金属膜的薄膜型梁结构。

所述的加固转角的大小，比例和夹角视具体情况而定，转角的设计根据连接处的不同可以分为以下三种情况：

1，梁与衬底垂直连接构T形，如图4(a)所示，连接处有两个直角转角，采用本发明的加固方法，实施时改变梁的局部结构在连接处，用两个钝角转角替代两个直角转角，加固后的效果如图4(b)所示。

2，梁与衬底非垂直连接构成斜T形，如图5(a)所示，连接处是一个锐角转角和一个钝角转角，加固方法是改变梁的局部结构增加一个钝角加固转角，消除连接处的锐角，加固后的效果如5图(b)所示。

3，对于梁与衬底转弯处连接情况下，连接处的转角是两个锐角，如图6(a)所示，改变梁的局部结构，使连接处的两个锐角转角变为钝角，在加固时就需要消除这两个锐角，加固后的效果如图6(b)所示。

在微机电系统中，梁型结构的弯曲变形和扭转变形极易导致梁的损坏。特别需要说明的是对于本发明提供的带有转角加固的梁型结构，其弯曲变形可以分为两类：

1，梁的弯曲变形方向与加固的转角所在的平面垂直，如图7(a)所示。

2，梁的弯曲变形方向与加固的转角在同一个平面内，如图7(b)所示。

本发明提供的带有转角加固的梁对上述两类梁的弯曲变形都十分有效。

为了使梁与支撑端的连接处增加一个小的转角，并不需要增加新的工艺，只需要在版图设计上做修改，使梁与支撑端形成钝角。本发明的优点和效果是改善了梁连接处的受力状态，特别是解决了梁在大变形和反复变形时连接处出现应力过大的问题，避免出现裂纹和劈裂现象，提高了梁的强度和使用寿命，设计简单，无需增加新的工艺流程。

附图说明

图1为一般器件中未经加固的梁，(a)梁与支撑端的连接处形成T形结构，在连接处形成的夹角是两个直角，(b)梁与支撑端的连接处形成斜T形结构，在连接处形成的夹角是一个锐角和一个钝角。

图2为本发明之经过转角加固后的梁，(a)连接处为T形结构的梁的加固，在两个直角转角处各增加一个小的转角，使得每个直角都形成两个钝角，(b)连接处为斜T形结构的梁的加固，在锐角转角处增加一个小的转角，使得该角形成两个钝角。