CN102064039A - 微电子机械系统开关、运动传感器及运动传感方法 - Google Patents

微电子机械系统开关、运动传感器及运动传感方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微电子机械系统开关，包括基片、锚和悬梁，所述锚固定在基片上，所述悬梁的一端为与锚连接的固定端，其特征在于：所述悬梁的另一端为自由端，悬梁的自由端连接有一质量块，在所述质量块四周，至少一侧设有接触壁，质量块与接触壁间具有间隙；所述质量块与悬梁自由端具有向接触壁方向运动的自由度，在质量块与接触壁相互接触时，该微电子机械系统开关导通。本发明还公开了采用上述开关的运动传感器及运动传感方法。本发明不需要外加电压驱动，可以用于运动传感；具有超低功耗的特点，特别适合用于唤醒工作模块。

Description

微电子机械系统开关、运动传感器及运动传感方法
技术领域
本发明涉及一种微电子机械系统器件及采用该器件的传感器及传感方法，具体涉及一种微电子机械系统开关、采用该微电子机械系统开关的传感器及传感方法。
背景技术
目前，有大量的电子系统采用电池供电，需对系统的功耗作出严格限制，一个常用的办法就是在不使用该系统的时候，使系统进入“睡眠”状态，即使系统休眠，以降低功耗。系统需要判断何时进入休眠状态，而在休眠状态时，又需要判断何时解除休眠状态，特别是为了解除休眠状态，需要有一低功耗的感应模块在休眠状态下维持工作，以等待发出唤醒命令。
系统被放置起来的时候往往是可以休眠的时候，因此迫切需要一个低功耗的运动传感器。特别是在某些应用中，系统大部分时间都处于休眠状态，一个超低功耗的运动传感器可以大大延长系统的待机时间。
微电子机械系统(MEMS)技术是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。使用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。
目前，MEMS开关主要有悬浮臂接触式和并联电容式两种形式，其中，悬浮臂接触式开关由悬臂、金属接触点和静电驱动机械部分组成，由静电力使相对刚性的悬臂自由端与衬底材料的倾斜度改变，造成与衬底分离间隙的大小，形成“开”、“关”状态。这种开关需要外加电压驱动，不能用于运动传感。
发明内容
本发明目的是提供一种微电子机械系统开关，可以用于传感运动或重力方位情况，同时提供包括该微电子机械系统开关的运动传感器及运动传感方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微电子机械系统开关，包括基片、锚和悬梁，所述锚固定在基片上，所述悬梁的一端为与锚连接的固定端，所述悬梁的另一端为自由端，悬梁的自由端连接有一质量块，在所述质量块四周，至少一侧设有接触壁，质量块与接触壁间具有间隙；所述质量块与悬梁自由端具有向接触壁方向运动的自由度，在质量块与接触壁相互接触时，该微电子机械系统开关导通。
本发明设计了受重力或其它力的作用可以弯曲的悬梁，悬梁一端与锚相连，另一端与一质量块相连，采用质量块的结构增加悬梁的弯曲度，在质量块两侧或一侧放置接触壁，在悬梁达到一定程度弯曲时，质量块可以与接触壁相接触，形成低阻抗通路，达到开关导通的效果。其中，锚和质量块可以是任意形状的，根据使用场合需要，悬梁可以设有弯曲结构，接触壁的形状和方位也可以变化。
进一步的技术方案，在所述质量块相对的两侧，各设有一所述接触壁，所述质量块与两侧的接触壁之间，分别具有间隙。根据需要，两侧的接触壁可以是分开的，也可以是通过其它方式连在一起的。
上述技术方案中，所述悬梁的宽度小于质量块的宽度。
优选的技术方案，所述悬梁的宽度在1um到3um之间，悬梁的长度在500um到3000um之间。
质量块与接触壁之间的间隙宽度在1um到3um之间。
作为上述技术方案的一种具体应用，一种微电子机械系统运动传感器，包括至少一个上述的微电子机械系统开关。
进一步的技术方案，包括多个所述微电子机械系统开关，各微电子机械系统开关的悬梁之间构成不为零的夹角方式排列。一般地，可以将各开关按某种形式的阵列排列，由于各开关之间具有不为零的夹角，当发生大于某一角度的移动，或者大于某一加速度的运动时，开关阵列的状态会发生改变。
一种优选的技术方案是，设有3个所述微电子机械系统开关，各微电子机械系统开关的悬梁之间按照相互垂直的方式排列。此时，不论如何摆放，至少有一个开关的悬梁与水平面之间的夹角大于或等于45度，开关阵列按照合适的方式排列，可保证在任何情况下，该系统都可以监测到一定角度的运动，或者一定角度的移动。
上述运动传感器可以制作成集成电路。
本发明同时提供了一种运动传感方法，根据所需传感的运动方向或受力方向，设置一个或多个上述的微电子机械系统开关，监测微电子机械系统开关的导通状态的变化，判断是否有运动发生。在不导通时，开关上没有电流流过，而在导通时也仅需要微量电流用于驱动很小的负载电容以提供信号，因而实现了超低功耗的运动传感。
本发明中，锚、悬梁、质量块、接触壁的材料给可以是单晶硅或者其它材料。锚可以是任意形状，质量块可以是任意形状，悬梁可以是直线或曲线，接触壁可以是任意形状。锚、悬梁、质量块、接触壁各自的数量至少一个，但不限于一个。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明通过在悬梁的自由端设置质量块，由质量块运动与接触壁接触实现开关的导通，因而不需要外加电压驱动，可以用于运动传感。
2．本发明通过开关状态来检测是否有运动发生，在无运动的情况下，开关保持不变，可以不需要电流流动；在运动触发开关动作的情况下，开关上也只需很少的电量流过，来驱动很小的负载电容，具有超低功耗的特点，特别适合用于唤醒工作模块。
3．本发明实现的芯片面积可以很小，对于不同的应用，根据系统可能会移动的角度的大小，可以放置不同数量的开关形成阵列，来实现一定范围的运动检测。
4．本发明的微电子机械系统开关输出为数字信号，便于应用。
附图说明
图1是本发明中MEMS开关的一个实施例的俯视图；
图2是图1的剖面示意图；
图3是本发明中MEMS开关的一个实施例受重力处于导通状态的俯视图；
图4是本发明中MEMS开关的另一个实施例的俯视图；
图5是图4中开关尺寸测量的示意图； 
图6是由图4中的开关以阵列方式构成的MEMS运动传感器的一个实施例的俯视图；
图7是图6中MEMS运动传感器在重力作用下，位置改变引起的输出状态改变示意图。
图8是用于产生输出信号频率的时钟电路。
图9是将图6中开关阵列的结果转换成单个电平输出的电路。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述，在附图中，为了图示说明目的，一些元件的尺寸被放大，不是按比例绘制的：
实施例：
图1与图4分别图示了根据本发明的两个MEMS开关的实施例的俯视图，其中包括，锚10，悬梁11，质量块12，接触壁13，接触壁与质量块之间的间隙15，悬梁深入质量块内部与质量块的间隙14（非必须的）。其中锚10固定在基片上，悬梁11一端固定在锚10上，另一端与质量块12相连，悬梁11与质量块12下面不与基片相连，可以移动，悬梁11选择深入质量块12的内部，这样可以在保持悬梁11长度的情况下，缩小面积。接触壁13通过某处固定在基片上，在本实施例中，均直接固定在下面的基片上，接触壁13与质量块12之间的间隙15是必须的。
图2是图1中实施例的剖面图，此实施例是在SOI工艺上实现的，20为基片，21为两层硅之间的二氧化硅，22为二氧化硅21被刻蚀之后的空隙。本MEMS开关实施例的制造中，先对上层的硅进行刻蚀，产生锚10，悬梁11，质量块12，接触壁13，间隙14，间隙15，然后再对悬梁11，质量块12的下方进行刻蚀，产生空隙22。
图3是图1中实施例受重力作用，MEMS开关导通的情况。图3中，开关平面与水平面垂直，悬梁11与重力方向存在一定夹角θ。在质量块12的重力的作用下，悬梁11，发生弯曲，质量块12发生位移，当质量块12的位移量达到间隙15的大小时，质量块12与间隙13相接触，形成低阻抗通路，从而MEMS开关处于导通状态。如果重力作用下，质量块12的位移小于间隙15的宽度，质量块12与接触壁13没有接触，则开关处于断开状态。
图5为上述MEMS开关的一种详细实施例。将开关平面与水平面垂直，悬梁11与重力方向的夹角为θ，质量块的质量为m，悬梁的杨氏模量为E，则悬梁受重力作用发生弯曲，质量块的位移可以用下式计算：
Figure 2010105613121100002DEST_PATH_IMAGE002
当质量块的位移v大于间隙15的宽度d时，开关将导通，反之开关断开。
作为一种优选方案，取如下数据作为图5所示MEMS开关的尺寸：
Figure 2010105613121100002DEST_PATH_IMAGE004
（质量块上实体部分与总面积之比为0.462），则有：
当
Figure 2010105613121100002DEST_PATH_IMAGE008
时，
Figure 2010105613121100002DEST_PATH_IMAGE010
，即开关导通。
当
Figure 2010105613121100002DEST_PATH_IMAGE012
时，
Figure 2010105613121100002DEST_PATH_IMAGE014
，即开关断开。
图6是由多个图4中MEMS开关的实施例所构成的MEMS运动传感器的一种实施例。是否运动通过开关1，开关2，开关3……开关N的状态来判断。
图7是上述MEMS运动传感器与水平面90度夹角，在重力作用下，处于不同位置时开关阵列的输出状态图。位置A中，受重力G的作用，开关M+1质量块与接触壁接触，开关处于导通状态，用1表示；而开关M质量块的位移小于间隙15的宽度，没有与接触壁接触，开关处于断开状态，用0表示。位置A中开关阵列的状态为：1 1 1 0 1 1 1 1 。位置B中，受重力G的作用，开关M质量块与接触壁接触，开关处于导通状态；开关M+1质量块没有与接触壁接触，开关处于断开状态。位置B中开关状态为：1 1 1 1 0 1 1 1 。所以，可以通过开关状态的变化，判定此MEMS运动传感器发生了运动。
图8和图9是上述MEMS运动传感器实施例的后续电路的一种实施例。图8是用来产生输出信号频率的时钟，对于一般情况下<1kHz的输出时钟，此电路的平均功耗可以较容易控制在0.5uA，甚至更低。图9是用来将开关阵列的结果转换成单个电平输出，比如输出高电平代表有运动，输出低电平代表无运动。所以整个运动监测器的功耗可以较容易的控制在1uA之内，甚至更小。

Claims (9)

1.一种微电子机械系统开关，包括基片、锚(10)和悬梁(11)，所述锚(10)固定在基片上，所述悬梁(11)的一端为与锚(10)连接的固定端，其特征在于：所述悬梁(11)的另一端为自由端，悬梁(11)的自由端连接有一质量块(12)，在所述质量块(12)四周，至少一侧设有接触壁(13)，质量块(12)与接触壁(13)间具有间隙(15)；所述质量块(12)与悬梁自由端具有向接触壁(13)方向运动的自由度，在质量块(12)与接触壁(13)相互接触时，该微电子机械系统开关导通。
2.根据权利要求1所述的微电子机械系统开关，其特征在于：在所述质量块相对的两侧，各设有一所述接触壁，所述质量块与两侧的接触壁之间，分别具有间隙。
3.根据权利要求1所述的微电子机械系统开关，其特征在于：所述悬梁的宽度小于质量块的宽度。
4.根据权利要求1所述的微电子机械系统开关，其特征在于：所述悬梁的宽度在1um到3um之间，悬梁的长度在500um到3000um之间。
5.根据权利要求1或2所述的微电子机械系统开关，其特征在于：质量块与接触壁之间的间隙宽度在1um到3um之间。
6.一种微电子机械系统运动传感器，其特征在于：包括至少一个权利要求1所述的微电子机械系统开关。
7.根据权利要求6所述的微电子机械系统运动传感器，其特征在于：包括多个所述微电子机械系统开关，各微电子机械系统开关的悬梁之间构成不为零的夹角方式排列。
8.根据权利要求6所述的微电子机械系统运动传感器，其特征在于：设有3个所述微电子机械系统开关，各微电子机械系统开关的悬梁之间按照相互垂直的方式排列。
9.一种运动传感方法，其特征在于：根据所需传感的运动方向或受力方向，设置一个或多个权利要求1所述的微电子机械系统开关，监测微电子机械系统开关的导通状态的变化，判断是否有运动发生。
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