CN103244599A - 一种采用sma的元件级mems器件主动隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，所述的主动隔振器由多个SMA微弹性支承（12）、带有插孔（8）的微隔振平台（13）、连接框架（4）和与之相连的多个引脚（7）组成，其中SMA微弹性支承（12）两端分别和微隔振平台（13）以及连接框架（4）相连接，需要隔振的MEMS器件通过其引脚和微隔振平台（13）上的插孔（8）相连接，其引脚信号通过4个柔性引线（9）传导到连接框架（4）的多个引脚（7）上，并通过引脚（7）和外部电路相连接。本发明提供了一种具有大阻尼、宽刚度调节范围、结构及控制系统简单的元件级MEMS器件主动隔振器。

Description

一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器

技术领域

本发明属于微机电系统MEMS的技术领域，具体涉及一种采用SMA（Shape MemoryAlloy,形状记忆合金）的元件级MEMS器件主动隔振器，其利用SMA材料变弹性模量特性，基于MEMS加工工艺的元件级MEMS主动隔振器。

背景技术

微机电系统MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是集微机械与微电子功能于一体的微型机电器件或系统，基于MEMS技术的器件（如MEMS传感器、驱动器）由于其体积小、重量轻、灵敏度高而广泛应用，尤其是在汽车和电子行业。很多MEMS器件往往需要在恶劣的振动环境下工作，如普通汽车使用的MEMS传感器将长期承受0-400Hz的随机振动载荷，而航天器上使用的MEMS器件在发射过程中将承受20-2000Hz的随机振动载荷。恶劣的振动环境严重影响了MEMS器件的性能，甚至造成MEMS器件的损坏。

振动环境对于MEMS器件的影响根据其严重程度可分为三类：1）输出精度下降。这类影响一般是针对MEMS传感器而言的，在环境振动噪声不太大时，外界的振动会激发MEMS传感器内部敏感结构的振动，从而导致输出精度下降。例如，薄膜压电压力传感器在10g的振动条件下，其输出精度会下降10-12%。2）输出错误。在较大振动噪声环境中，MEMS传感器由于振动影响，会在没有测量信号输入的情况下产生输出，造成错误的输出。比如在100g振动载荷作用下，MEMS陀螺仪在没有转动运动的情况下，会给出3.5°/s输出结果。3）MEMS器件结构损坏。在大振动载荷作用下，或者振动频率和MEMS器件的共振频率相同时，会发生MEMS器件的结构性损坏。

由此可见，轻微的振动环境会对MEMS器件的输出结果造成影响，而恶劣的振动环境则会造成永久性的结构损坏。因此，需要对MEMS器件进行隔振，保证MEMS器件能在恶劣的振动工作环境下正常工作。

针对MEMS器件在恶劣振动环境下应用面临的问题，目前国内外主要采用元件级（Component Lever）隔振器对MEMS器件进行隔振，它采用MEMS加工技术制造出微弹簧—质量—阻尼系统，直接对单个MEMS器件进行隔振，这种隔振器可以和MEMS器件一起封装，两者作为一个元件安装到IC电路上，使用非常方便。

近年来，国内外报道了多个元件级MEMS隔振器，从其工作原理可分为被动和主动隔振器两种。在被动隔振器方面，美国的Reid等人首先采用MEMS技术在硅片上加工出MEMS隔振器，如图1所示（参见J.R.Reid,V.M.Bright,J.A.Kosinski,"A micromachined vibrationisolation system for reducing the vibration sensitivity of surface transverse wave resonators,"Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,IEEE Transactions on,vol.45,pp.528-534,1998.），该隔振器由四个微弹性支承2将微隔振平台3和连接框架4连接起来，需要进行隔振的MEMS器件1则连接在隔振平台上。该平台的四个微弹性支承起到了弹性连接的作用，使得整个系统的共振频率大大降低，当环境的振动频率高于系统共振频率时，环境通过隔振器传递到MEMS器件1上的振动便会大大减弱，从而起到隔振的作用。在主动隔振器方面，Kim等于2009年在被动隔振器的基础上，通过静电驱动器主动调节隔振器的刚度和阻尼，设计了MEMS主动隔振器，如图2所示（参见S.J.Kim,C.Chen,G.Flowers,R.Dean,"Activevibration control and isolation for micro-machined devices,"in ASME Conference on SmartMaterials,Adaptive Structures and Intelligent Systems,SMASIS2008,October28,2008-October30,2008,Ellicott City,MD,United states,2008,pp.657-664.），该主动隔振器由微弹性支承将微隔振平台3和连接框架4连接起来，被隔振的MEMS器件1则安装在微隔振平台3上，静电驱动器6可以对微隔振平台3施加吸力或斥力，调节隔振器的刚度和阻尼，位移传感器5用于监测微隔振平台3的振动幅度，和静电驱动器6通过外部控制电路形成闭环控制，实现对隔振器刚度和阻尼的主动调节。

综合上述内容，对于现有的被动MEMS元件级隔振器来说，虽然结构相对简单，它们能在一定频率范围内对MEMS器件起到隔振的作用，但也具有以下缺点：

1）隔振器的阻尼非常小，导致在系统共振点时振幅非常大；

2）隔振器的共振频率是一定的，不可根据不同的振动环境进行主动调节，这使得在宽频振动载荷作用下，系统会不可避免的发生共振。

对于现有的主动MEMS元件级隔振器来说，由于其通过静电驱动器对隔振器阻尼和刚度进行调节，因此能主动改变系统的阻尼和刚度，保证在较宽频率范围内对MEMS器件起到隔振作用，但也具有以下缺点：

1）静电驱动器及本身刚度并不发生变化，是通过其产生驱动力约束隔振器的弹性结构，实现系统刚度的变化，这种方法使得系统刚度的变化范围过小，对系统共振频率的调节很有限；

2）静电驱动器及压电陶瓷本身并没有类似橡胶的阻尼特性，使得隔振器的阻尼非常小。

3）对于静电驱动器的控制需要复杂的控制电路，增加了隔振器的功耗，同时增大了整个隔振器的体积和重量。

发明内容

本发明主要解决现有MEMS元件级隔振器技术中存在的元件级MEMS被动隔振器，阻尼小、共振频率不可调节的问题，以及现有MEMS元件级主动隔振器，具有阻尼小、主动调节范围窄、控制系统复杂的问题，提供了一种具有大阻尼、宽刚度变化范围、结构及控制系统简单的元件级MEMS主动隔振器。

本发明的技术解决方案特征包括：一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，所述的主动隔振器由多个SMA微弹性支承、带有插孔的微隔振平台、连接框架和与之相连的多个引脚组成，其中SMA微弹性支承两端分别和微隔振平台及连接框架相连接，需要隔振的MEMS器件通过其引脚和微隔振平台上的插孔相连接，其引脚信号通过4个柔性引线传导到连接框架的多个引脚上，并通过引脚和外部电路相连接；每一个SMA微弹性支承两端和连接框架及微隔振平台连接处均是绝缘的，将SMA微弹性支承分为四组，每组通过导线串联，该导线可通过印刷电路实现，四组SMA微弹性支承串联完毕后会引出四组加热引线接口，四组加热引线接口和多个引脚相连接，并通过多个引脚和外部电路相连接。

也可将SMA微弹性支承分为8组，这样做的好处是能增加系统刚度的可调节“档位”，增加对系统共振频率的调节能力。如8组SMA微弹性支承全通电加热时其刚度最大，设为K1，若其中对称的6组加热时刚度为K2，同理，对其中对称的4组、2组进行通电加热时，其刚度依次减小，分别为K3、K4，不通电加热时，刚度为K5，四个刚度的关系为K1>K2>K3>K4>K5。

将SMA微弹性支承分为4组，4组SMA微弹性支承全通电加热时其刚度最大，设为K1，对其中对称的2组进行通电加热时，其刚度为K3，不通电加热时，刚度为K5，则其刚度调节“档位”为K1、K3、K5三种。

同理，可根据实际需要设置更多分组，实现更多的刚度调节“档位”。

所述的SMA微弹性支承采用直接将SMA材料通过传统轧制工艺或者MEMS领域里面常用的溅射工艺制作SMA箔。

SMA箔厚度通常在0.1mm～0.3mm之间。

所述的SMA微弹性支承采用将多根SMA纳米线内嵌入绝缘弹性材料之中，通过对SMA纳米线加热来改变整个SMA微弹性支承结构的刚度。

SMA纳米线直径在0.1mm以下。

绝缘弹性材料为树脂材料或橡胶材料。

本发明的原理在于：

本发明一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器具有可供MEMS器件安装的微平台和将隔振器与外界结构相连接的安装框架，微平台和安装框架由PCB板制成，具有良好的绝缘性能，MEMS器件的引线可通过安装框架上的引脚和外部电路进行连接，采用SMA材料通过传统轧制方法或MEMS领域常用的溅射方法，制作多个可变刚度的SMA微弹性支承结构，如SMA片弹簧，并将多个弹性支承结构一端与微平台连接，另一端与安装框架连接，同时，每个弹性支承结构两端有加热引线（可通过印刷电路实现），并且都通过安装框架和外部电路相连接。在正常工作条件下，整个隔振系统具有刚度K1，此时系统对应的共振频率为ω1，当外界的振动激励接近该隔振系统的共振频率时，系统因为共振，将会发生非常剧烈的振动，此时通过控制电路对SMA微弹性支承结构进行通电，由于SMA材料自身电阻比较大，在焦耳热作用下，SMA材料将发生相变，由马氏体相变为奥氏体相，其材料的弹性模量将变化3倍左右，由于弹性支承结构本身弹性模量的变化，直接导致了隔振系统的刚度发生变化，变成了K2，此时系统对应的共振频率也变为ω2，而ω2和此时外界的激励频率相差较大，系统不会发生共振。通过该方法，可以保证隔振平台在MEMS器件工作的整个宽频带振动范围内均不发生共振，有效地保护了MEMS器件。另外，由于SMA材料本身是耗能材料，其阻尼比非常大（SMA材料阻尼比可达0.3～0.85，而钢制弹簧阻尼比仅有0.06），能有效地消耗振动能量，进一步保护MEMS器件不受振动损坏。此外，本发明的控制系统非常简单，仅需要对SMA微弹性支承结构进行开关控制即可，在需要变刚度时开，变完刚度后关，有效的降低了整个隔振系统的复杂性，提高了可靠性。

对本发明的应用而言，SMA材料的“变刚度特性”是指：材料在某一较低温度下呈现马氏体状态，此时其弹性模量相对较小，当对其通电加热后，材料温度升高，诱发其内部发生相变，由马氏体转变为奥氏体，此时材料弹性模量较之前有成倍的变化，以TiNi形状记忆合金为例，加热前后其弹性模量能变化近三倍。SMA材料的“大阻尼比特性”是指处于超弹性状态的SMA材料在受到加载、卸载操作后，其应力—应变曲线会形成较为饱满的滞回圈，消耗加载能量。

本发明与现有的技术相比，具有刚度变化范围宽、共振频率调节能力强、阻尼大、控制电路简单等优点，具体表现在经下几个方面：

（1）本发明采用了传统轧制工艺或溅射工艺制作的SMA微弹性支承结构，该结构在正常情况及通电加热条件下刚度变化可达3倍左右，极大地拓宽了基于该SMA微弹性支承结构的元件级MEMS主动隔振器的系统刚度变化范围和系统的共振频率调节范围。

（2）本发明采用SMA材料制作微弹性支承结构，由于SMA材料是非常优秀的吸能材料，其本身的材料阻尼非常大（阻尼比可达0.3～0.85），使得基于该微弹性支承结构的元件级MEMS主动隔振器具有很大的阻尼比，能有效的吸收振动能量，极大地减小了传递到被保护的MEMS器件上振动能量，有效地保护MEMS器件。

（3）本发明是通过对多个SMA微弹性支承结构通电加热来实现隔振器系统刚度主动控制的，而对于SMA微弹性支承结构的通电不需要复杂的控制系统，采用非常简单的开关控制即可完成，这极大地简化了控制系统，降低了整个隔振器的尺寸和重量，同时提高了可靠性。

（4）本发明可采用多组SMA微弹性支承，增加了系统刚度的可调节“档位”，实现了更宽范围的频率调节功能。

附图说明

图1为MEMS被动隔振器示意图；

图2为静电驱动主动控制MEMS隔振器示意图；

图3为本发明采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器原理图；

图4为本发明SMA微弹性支承引线连接示意图；

图5为本发明SMA微弹性支承的内嵌SMA纳米线实施方案原理图；

图6为本发明SMA微弹性支承另一种引线连接示意图。

附图标号说明：1：MEMS器件；2：微弹性支承；3：微隔振平台；4：连接框架；5：位移传感器；6：静电驱动器；7：引脚；8：插孔；9：柔性引线；12：SMA微弹性支承；13：带插孔的微隔振平台；14：加热引线1；15：加热引线2；16：加热引线3；17：加热引线4；18：SMA纳米线；19：绝缘弹性材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

以下结合附图3、4、5说明本发明的一个具体实施例的结构。

如图3所示，所述的采用SMA的MEMS器件主动隔振器由多个SMA微弹性支承12、带有插孔8的微隔振平台13、连接框架4和与之相连的多个引脚7组成，其中SMA微弹性支承12两端分别和微隔振平台13和连接框架4相连接，需要隔振的MEMS器件通过其引脚和微隔振平台13上的插孔8相连接，其引脚信号通过4个柔性引线9传导到连接框架4的多个引脚7上，并通过引脚7和外部电路相连接。

如图4所示，所述的每一个SMA微弹性支承12两端和连接框架4及微隔振平台13连接处均是绝缘的，可将SMA微弹性支承12分为四组，每组通过导线串联，该导线可通过印刷电路实现，四组串联完毕后会引出14、15、16、17四组加热引线接口，四组加热引线接口和多个引脚7相连接，并通过多个引脚7和外部电路相连接。

如图6所示，也可将SMA微弹性支承分为8组，这样做的好处是能增加系统刚度的可调节“档位”，增加系统对共振频率的调节能力。如8组SMA微弹性支承全通电加热时其刚度最大，设为K1，若其中对称的6组加热时刚度为K2，同理，对其中对称的4组、2组进行通电加热时，其刚度依次减小，分别为K3、K4，不通电加热时，刚度为K5，五个刚度的关系为K1>K2>K3>K4>K5。假设若只将SMA微弹性支承分为4组，则其刚度调节范围为K1、K3、K5三种。同理，可根据实际需要设置更多分组，实现更多的刚度调节“档位”。

如图4所示，对于四组SMA微弹性支承12的加热，可通过对相应的加热引线接口通电来实现，由于SMA微弹性支承12非常薄，通常在0.3mm以下，而其电阻率非常大，因此在电流通过其内部时会产生强烈焦耳效应，保证在数毫秒以内完成对SMA微弹性支承12的加热，使其温度达到SMA材料相变温度以上，完成相变，实现刚度的快速变换。

所述的SMA微弹性支承12通常具有两种具体实施方式，第一种为直接将SMA材料通过传统轧制工艺或者MEMS领域里面常用的溅射工艺制作SMA箔（厚度通常在0.1mm～0.3mm之间）；第二种如图5所示，将多根SMA纳米线18（直径通常在0.1mm以下）内嵌入绝缘弹性材料19之中，如树脂材料、橡胶材料等，通过对SMA纳米线加热来改变整个SMA微弹性支承结构12的刚度。

所述的SMA微弹性支承12的两种具体实施方式中，均采用了SMA材料，这保证了在振动过程中，SMA微弹性支承发生形变时，SMA的大材料阻尼特性能有效吸收、消耗振动能量，减少传递到微隔振平台13上的MEMS器件上的振动能量，保护MEMS器件。

本发明的工作过程如下：

如图3、4所示，在正常工作状态下，需要隔振的MEMS器件通过其上引脚和微隔振平台13上对应的插孔8连接，同时插孔8通过四个柔性引线9和连接框架4上的多个引脚7连接，实现被隔振传感器上信号与外部电路之间的顺畅传递。当外部的振动激励接近整个系统的共振频率时，通过控制电路对四个加热引线接口14、15、16、17通电，在焦耳热作用下，SMA微弹性支承12迅速发生相变，导致其自身刚度变化三倍以上，引起隔振器系统刚度的显著变化，迅速改变隔振器系统的共振频率，使其远离外界激励频率，有效抑制了共振的发生，保护MEMS器件。当外界激励频率逐渐远离原系统振动频率后，停止对四组SMA微弹性支承12通电，随着温度降低，其内部发生逆相变，刚度重新变回加热之前的状态，为下一次主动变刚度动作做好准备。在外界激励远没达到系统的共振频率时，由于振动激励的存在，SMA微弹性支承12会在振动载荷作用下发生形变，此时由于SMA材料的大阻尼特性，使得SMA微弹性支承12能极大地吸收振动能量，减少传递到微隔振平台13上的MEMS器件上的振动能量，不仅保护了MEMS器件不因振动载荷而损坏，而且保证了MEMS器件的输出精度不受影响。

上述具体实施例的结构明显具有如下优点：

（1）在微尺度下（MEMS技术要求的尺度）利用SMA材料的变刚度特性设计元件级MEMS主动隔振器。

（2）在微尺度下（MEMS技术要求的尺度）利用SMA材料的大阻尼特性提高元件级MEMS主动隔振器的阻尼性能。

（3）MEMS元件级主动隔振器形成了单独的标准元件，其上有可供MEMS器件安装的插孔，其下有与外部电路连接的引脚，可作为标准元件直接用于电路之中。

（4）微尺度（MEMS技术要求的尺度）下的SMA微弹性支承结构的一种实施方式是通过传统的轧制工艺或MEMS溅射工艺制作的SMA箔（厚度通常在0.1mm～0.3mm之间）。

（5）微尺度（MEMS技术要求的尺度）下的SMA微弹性支承结构的另一种实施方式为采用SMA纳米线（直径通常在0.1mm以下）与绝缘弹性材料相嵌而成。

（6）可以采用最简单的开关控制电路直接对MEMS隔振器进行控制，减小控制电路复杂程度。

（7）可采用多组SMA微弹性支承，增加了系统刚度的可调节“档位”，实现了更宽范围的频率调节功能。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，其特征在于，所述的主动隔振器由多个SMA微弹性支承（12）、带有插孔（8）的微隔振平台（13）、连接框架（4）和与之相连的多个引脚（7）组成，其中SMA微弹性支承（12）两端分别和微隔振平台（13）以及连接框架（4）相连接，需要隔振的MEMS器件通过其引脚和微隔振平台（13）上的插孔（8）相连接，其引脚信号通过4个柔性引线（9）传导到连接框架（4）的多个引脚（7）上，并通过引脚（7）和外部电路相连接；每一个SMA微弹性支承（12）两端和连接框架（4）及微隔振平台（13）连接处均是绝缘的，将SMA微弹性支承（12）分为四组，每组通过导线串联，该导线可通过印刷电路实现，四组SMA微弹性支承（12）串联完毕后会引出四组（14、15、16、17）加热引线接口，四组加热引线接口和多个引脚（7）相连接，并通过多个引脚（7）和外部电路相连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，其特征在于，或将SMA微弹性支承分为8组，这样做的好处是能增加系统刚度的可调节“档位”，增加对系统共振频率的调节能力，8组SMA微弹性支承全通电加热时其刚度最大，设为K1，若其中对称的6组加热时刚度为K2，同理，对其中对称的4组、2组进行通电加热时，其刚度依次减小，分别为K3、K4，不通电加热时，刚度为K5，五个刚度的关系为K1>K2>K3>K4>K5。

3.根据权利要求1所述的一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，其特征在于，将SMA微弹性支承分为4组，4组SMA微弹性支承全通电加热时其刚度最大，设为K1，对其中对称的2组进行通电加热时，其刚度为K3，不通电加热时，刚度为K5，则其刚度调节“档位”为K1、K3、K5三种。

4.根据权利要求1所述的一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，其特征在于，根据实际需要设置更多分组，实现更多的刚度调节“档位”。

5.根据权利要求1所述的一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，其特征在于，所述的SMA微弹性支承（12）采用直接将SMA材料通过传统轧制工艺或者MEMS领域里面常用的溅射工艺制作SMA箔。

6.根据权利要求5所述的一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，其特征在于，SMA箔厚度通常在0.1mm～0.3mm之间。

7.根据权利要求1所述的一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，其特征在于，所述的SMA微弹性支承（12）采用将多根SMA纳米线（18）内嵌入绝缘弹性材料（19）之中，通过对SMA纳米线加热来改变整个SMA微弹性支承结构（12）的刚度。

8.根据权利要求7所述的一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，其特征在于，SMA纳米线（18）直径在0.1mm以下。

9.根据权利要求7所述的一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，其特征在于，绝缘弹性材料（19）为树脂材料或橡胶材料。

10.根据权利要求1所述的一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器，其特征在于，采用最简单的开关控制电路直接对MEMS隔振器进行控制，减小控制电路复杂程度。

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