CN102826499B - 弹性梁及包括其的mems传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于MEMS传感器的弹性梁和包括其的MEMS传感器，其中弹性梁包括锚点、质量块施加的力、梁弯曲部分以及设置在锚点和质量块施加的力所界定的端部之间的枢轴元件，所述枢轴元件连接梁弯曲部分。本发明涉及的弹性梁，有效地减少了梁弯曲部分的长度，减少相对面的面积，同时还降低粘连和闭锁发生的可能性。此外，本发明涉及的弹性梁在保持了几乎相同的弹性常数的基础上，还无需增加指定的芯片面积或者改变指定的芯片形状。本发明涉及的包含新型弹性梁的MEMS传感器，其具有理想的机械性能和较低的成本。

Description

弹性梁及包括其的MEMS传感器

技术领域

本发明涉及一种用于MEMS传感器的弹性梁，以及设有这种弹性梁的MEMS传感器。

背景技术

目前，业界在MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)器件中使用的机械弹性梁包括很多类型，其通常是由一系列的梁弯曲部分(beam flexures)构成，具体形状包括简单的悬臂式、折叠式、蛇状，以及U形弯曲部分等。

具体的弹性梁的选择，一般取决于用户对于坐标系中一个或多个方向上的刚性要求和其它方向上的柔性要求，以及与制造过程中的几何约束的配合。其中最为重要的要求是在尽可能小的芯片面积上获得具有理想机械性能的质量块和弹性梁，以求降低器件成本。

在这种情况下，业界目前遇到的一个涉及弹性梁细节的普遍问题是，MEMS中可动结构的粘连(sticktion)和闭锁(latching)现象。尤其成问题的是在湿法制程(wet process)中使用释放的可动结构。

在一种粘连的例子中，由于湿法制程中的液体蒸发，当相邻结构之间的液体由于蒸发而体积减少时，相邻结构之间的毛细力使它们相互合在一起，这往往使得它们的可动面彼此黏附，从而导致粘连现象。即使可动结构在湿法制程结束后没有出现粘连，残留在表面的物质和其他现象也可以在惯性力促使它们碰撞时，使相对面稍后黏附在一起，这被称为操作过程中的闭锁。

当可动结构存在两个大且连续的相对面时，发生粘连或闭锁的概率将增加。自从所连接的电容感应梁可由许多较小的面积的梳齿结构组成，这样大且连续的相对面经常存在于MEMS的弹性梁中。小突起可以成为梁表面的一部分以便只允许存在有限数量的接触点，但这种技术的效力有限，尤其是在面对湿法制程中出现的粘连现象时。

如图1所示，其显示了一个业界现有使用的MEMS折叠式U形弹性梁1，其具有锚点2、由质量块3施加的力和梁的弯曲部分4。梁的弯曲部分4之间的间隙5为湿法制程中液体流动的地方，同时也是随后液体蒸发后容易引发粘连之处。

因此，确有必要提供一种新型的弹性梁设计来克服现有MEMS传感器中所使用的弹性梁结构的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，现有用于MEMS传感器的弹性梁在湿法制程中容易出现粘连或闭锁的现象。本发明旨在提供一种用于MEMS传感器的弹性梁，其采用的结构可以有效地减少梁弯曲部分的长度，减少相对面的面积，同时还能降低粘连及闭锁发生的可能性，并且可以保持几乎相同的弹性梁常数而无需增加指定的芯片面积或者改变指定的芯片形状。

本发明还提供一种包含新型弹性梁的MEMS传感器，其具有理想的机械性能和较低的成本。

为了解决上述技术问题，本发明所提出的技术方案是：一种用于MEMS传感器的弹性梁，其包括锚点、质量块施加的力和梁弯曲部分，所述弹性梁还包括至少一个枢轴元件，其设置在锚点和质量块施加的力所界定的端部之间，所述枢轴元件连接梁弯曲部分。

枢轴元件(Pivoting element)的设置，不仅打破了通常的对称性限制，并且使得弹性梁能在由锚点和质量块施加的力所界定的端部之间实现缓冲。枢轴元件的净效应是获得了几乎相同的弹性系数；而且虽然使用相同的芯片面积，但只使用具有一半长度的弯曲部分，因此，湿法制程中的毛细力只在一半面积的相对面上产生，从而降低了粘连或闭锁发生的可能性。

进一步的，在不同实施方式中，其中弹性梁包括两个以上数量的枢轴元件。

进一步的，在不同实施方式中，其中两个以上数量的枢轴元件沿梁弯曲部分的纵长方向排列。

进一步的，在不同实施方式中，其中两个以上数量的枢轴元件沿梁弯曲部分的横向方向排列。

进一步的，在不同实施方式中，其中两个以上数量的枢轴元件呈多排矩阵式排列。

进一步的，在不同实施方式中，其中枢轴元件两侧的梁弯曲部分具有相同长度。

进一步的，在不同实施方式中，其中枢轴元件两侧的梁弯曲部分相对枢轴元件呈旋转对称分布。

进一步的，在不同实施方式中，其中梁弯曲部分之间设置间隙。

进一步的，本发明的又一个方面，还提供了一种MEMS传感器，其包括本发明涉及的弹性梁。

进一步的，在不同实施方式中，其中MEMS传感器进一步包括与所述弹性梁连接的支撑架、与所述支撑架连接的电容移动极板，和与所述电容移动极板配合形成差分电容的差动电容感应极板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明涉及的弹性梁设计，有效地减少了梁弯曲部分的长度，减少相对面的面积，同时还降低粘连发生的可能性。此外，本发明涉及的弹性梁设计在保持几乎相同的弹性常数的基础上，还无需增加或者改变指定的芯片面积的形状。本发明涉及的包含新型弹性梁的MEMS传感器，其具有理想的机械性能和较低的成本。

附图说明

图1为现有技术涉及的MEMS折叠式U形弹性梁的俯视图；

图2为本发明涉及的弹性梁的一个实施例的俯视图；

图3为本发明涉及的弹性梁的又一个实施例的俯视图；

图4为多个折叠弹性梁的几何有限元(FEM)分析图，其中包括本发明涉及的弹性梁；

图5为本发明涉及的加速度传感器的一个实施例的俯视图；和

图6为本发明涉及的加速度传感器的又一个实施例的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明涉及的一种弹性梁设计，其可以有效地减少梁弯曲部分的长度，减少相对面的面积，同时还能降低粘连和闭锁发生的可能性，并且保持几乎相同的弹性梁常数而无需增加指定的芯片面积或者改变指定的芯片形状。

例如，在折叠弹性梁中，弯曲长度l的减小通常需要折叠梁数量的增加，以保持相同的弹性梁常数，如梁的弹性系数方程k＝Ehw³/4l³所示，其中E为材料的杨氏模量，h是弯曲部分的高度，w是弯曲部分的宽度，而l是弯曲部分的长度。以下将结合具体实施例对此原理进行进一步的说明。

如图2所示，本发明涉及的一种弹性梁11，其包括有锚点12，质量块施加的力13，相对短的梁弯曲部分14，弹性梁弯曲部分之间的间隙15，以及枢轴元件16。枢轴元件16设置在锚点12和质量块施加的力13所界定的端部之间，且枢轴元件16连接梁弯曲部分14。

根据以上揭示的弹性系数方程，本发明通过在半长的折叠弯曲部分14之间插入枢轴元件16来减少折叠弹性梁的长度。同时枢轴元件16打破了通常的对称性限制，并且使得弹性梁在锚点12和施加的力13所界定的端部之间存在缓冲。这种放宽限制的净效是获得了几乎相同的弹性系数，虽然使用相同的晶圆面积，但只使用具有一半长度的弯曲部分14，因此湿法制程中的毛细力只在一半面积的相对面上产生。

这种设置在弹性梁中间的枢轴元件的原理，可延伸到将一般弹性梁的长度减至二分之一、三分之一甚至四分之一等等，其中如图3所示的实施例中的弹性梁11，其为将正常弹性梁长度减至三分之一。

进一步的，本发明涉及的弹性梁，其所包括的枢轴元件的数量是没有限制的，具体可以根据需要设置多个枢轴元件。例如，在一个实施例中，请参阅图3所示，一种弹性梁21，其包括有锚点22，施加的力23，相对短的梁弯曲部分24，弹性梁弯曲部分之间的间隙25，以及多个枢轴元件26。

进一步的，对于弹性梁中的两个以上数量的枢轴元件之间的排布方式，可根据实际需要而定，也并无限制。例如，这些枢轴元件之间可以是单排沿梁弯曲部分的纵长方向排列，也可以是单排沿梁弯曲部分的横向方向排列，或是呈多排矩阵式排列等等。进一步的，枢轴元件两侧的梁弯曲部分相对枢轴元件呈旋转对称分布。

本发明涉及的弹性梁的良好效果，还可以从多种不同折叠弹性梁的对比中获知。请参阅图4所示，其图示了多种折叠弹性梁30、31、32、33几何有限元(FEM)分析，其中折叠弹性梁31为本发明涉及的弹性梁。从图示的各种折叠弹性梁的几何有限元(FEM)分析得知，图4中所示的所有弹性梁具有相同的弹性常数。

其中弹性梁30是一个简单的折叠式弹性梁，其具有与给定效率的MEMS芯片布图一致的宽度。而本发明涉及的弹性梁31具有独特的弯曲部分，该弯曲部分的长度是弹性梁30的一半，却具有与弹性梁30相同的芯片面积和波形系数。折叠式弹性梁32含有长度为弹性梁30一半的弯曲部分，但其需要更多的折叠，约4倍的芯片面积，并具有更低效率的波形系数。双折叠的弹性梁33具有完全对称的弯曲部分，该弯曲部分的长度是弹性梁30的一半，但是弯曲部分之间的半个间隙34和宽阔的表面具有与弹性梁30相同的相对面积，并将在表面之间产生近似的毛细力。此外，双折叠的弹性梁33需要更多折叠，并需要约12倍的芯片面积。

进一步的，本发明还涉及一种设有本发明涉及的弹性梁的MEMS传感器，其进一步包括与弹性梁连接的支撑架、与所述支撑架连接的电容移动极板，和与所述电容移动极板配合形成差分电容的差动电容感应极板。

请参阅图5所示，其中一个实施例，一种MEMS传感器40，其包括本发明涉及的弹性梁42、外围的支撑架43、电容移动极板44和差动电容感应极板45，46，其中质量块锚点(proofmass anchors)41位于中央位置。

请参阅图6所示，另一个实施例，一种MEMS传感器50，其包括本发明涉及的弹性梁52、位于中央的支撑架53，电容移动极板54，和差动电容感应极板55和56，其中质量块锚点51位于外围。

本发明涉及的弹性梁设计，有效地使梁的弯曲部分的长度减半，减少相对面的面积，还降低粘连和闭锁发生的可能性。此外，本发明涉及的弹性梁的设计保持了几乎相同的弹性常数，而无需增加指定的芯片面积或者改变指定的芯片形状。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于MEMS传感器的弹性梁，其包括锚点、质量块施加的力和梁弯曲部分，其特征在于：所述弹性梁还包括至少一个枢轴元件，其设置在锚点和质量块施加的力所界定的端部之间，所述枢轴元件连接梁弯曲部分。

2.如权利要求1所述的弹性梁，其特征在于：其包括两个以上数量的枢轴元件。

3.如权利要求2所述的弹性梁，其特征在于：所述两个以上数量的枢轴元件沿梁弯曲部分的纵长方向排列。

4.如权利要求2所述的弹性梁，其特征在于：所述两个以上数量的枢轴元件沿梁弯曲部分的横向方向排列。

5.如权利要求2所述的弹性梁，其特征在于：所述两个以上数量的枢轴元件呈多排矩阵式排列。

6.如权利要求1所述的弹性梁，其特征在于：所述枢轴元件两侧的梁弯曲部分具有相同长度。

7.如权利要求1所述的弹性梁，其特征在于：所述枢轴元件两侧的梁弯曲部分相对枢轴元件呈旋转对称分布。

8.如权利要求1所述的弹性梁，其特征在于：所述梁弯曲部分之间设置间隙。

9.一种MEMS传感器，其特征在于：其包括如权利要求1～8中任意一项所述的用于MEMS传感器的弹性梁。

10.如权利要求9所述的MEMS传感器，其特征在于：其进一步包括与所述弹性梁连接的支撑架、与所述支撑架连接的电容移动极板，和与所述电容移动极板配合形成差分电容的差动电容感应极板。