CN103557853A - 一种抗高过载的mems陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗高过载的MEMS陀螺，硅片中设有质量块（6），它通过连接梁（1）固支于锚点（7），在质量块（6）的四周对称分布着带有防撞凸点（4）的固定块（3），质量块（6）中心掏空区域设置有带防撞凸点（5）的中心固定块（2），其特征在于：所述质量块（6）上设有一组网格空腔（6a）。本发明具有如下优点：网格空腔质量块的侧壁在碰撞过程中起到了弹性过载保护面的作用，它和防撞凸点共同作用可以释放高冲击产生的高冲击力，有效保护器件敏感结构，提高了器件抗高过载能力。本发明结构简单，采用单晶硅片材料，提高了MEMS陀螺产品的一致性和可靠性，加工工艺比较简单，适合大批量生产。

Description

一种抗高过载的MEMS陀螺
技术领域
本发明属于微机械电子技术领域。具体是一种MEMS陀螺抗高过载结构。
背景技术
MEMS陀螺因其体积小，重量轻、成本低、功耗低等优点，已经广泛应用于航空、航天、航海、汽车、生物医学、环境监控等领域。MEMS陀螺在高冲击环境等严苛条件下，受到的冲击加速度可达几千g甚至几万g，对于具有可动结构（敏感结构）的MEMS陀螺，其可动结构（敏感结构）所承受的冲击加速度具有一定范围，当冲击加速度超过该范围时，即发生“过载”。MEMS陀螺的可动结构（敏感结构）在无过载保护结构的情况下容易受到破坏而导致器件失效，从而影响整个系统的可靠性，因此MEMS陀螺的可动结构（敏感结构）需要增加过载保护结构来实现可动结构在高强度冲击下的安全性。
目前MEMS陀螺的可动结构（敏感结构）只是通过盖帽控制运动间隙或者通过制作防撞凸点限制运动距离，从而实现抗过载的目的，不论是控制运动间隙还是制作防撞凸点，其过载保护结构都是在可动结构（敏感结构）外部制作，并且是硬性碰撞面而非弹性碰撞面，可动结构（敏感结构）在硬性碰撞的情况下容易断裂，无法实现器件的抗高过载特性。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有MEMS陀螺器件硬性碰撞过载保护设计结构保护性不强，提供一种结构简单，成本低，稳定性好的抗高过载的MEMS陀螺。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种抗高过载的MEMS陀螺，包括在玻璃衬底上键合的硅片，硅片上面连接盖帽，硅片中设有质量块，它通过连接梁固支于锚点，在质量块的四周对称分布着带有防撞凸点的固定块，质量块中心掏空区域设置有带防撞凸点的中心固定块，其特征在于：所述质量块上设有一组网格空腔。
本发明带有网格空腔的质量块，其四个侧壁相当于弹性过载保护面。当XY平面内有过载情况时，使得梁结构发生弯曲，导致网格空腔质量块的侧壁碰撞到防撞凸点，网格空腔质量块的侧壁相当于弹性过载保护面，可将冲击力抵消掉，使得可动结构（敏感结构）得到有效保护。
当整体结构受到XY平面内任意方向的冲击时，中间硅基可动结构（敏感结构）的网格空腔质量块受力，引起悬臂梁发生弯曲变形，使得网格空腔质量块的侧壁和固定结构上的防撞凸点接触，由于网格空腔质量块的侧壁相当于弹性碰撞面，使得可动结构（敏感结构）在与固定结构的防撞凸点接触时，弹性碰撞面发生弯曲将冲击力转换为弹性力，保护了可动结构（敏感结构）。
该MEMS陀螺抗高过载结构采用单晶硅片为主材料，进行加工。
该MEMS陀螺抗高过载结构从工艺制造上可分为三层：衬底层、结构层和盖帽层。网格空腔质量块、梁结构、防撞凸点和固定结构同属于结构层；玻璃片构成衬底层；单晶硅片构成盖帽层。
该MEMS陀螺抗高过载结构的制造工艺为：首先在结构层背面刻蚀台阶；接着在衬底层的玻璃片上制作电极；然后通过硅玻静电键合把结构层和衬底键合在一起；正面刻蚀结构层，形成梁结构、网格空腔质量块和防撞凸点；盖帽层背面刻蚀出空腔；采用苯并环丁烯 (BCB)键合完成结构层和盖帽层的晶圆级封装；刻蚀盖帽层正面，露出电极。
本发明与现有的MEMS陀螺抗高过载结构相比具有如下优点：
（1）本发明针对MEMS陀螺可动结构(敏感结构)自身进行抗高过载结构设计，设计了一种网格空腔质量块的可动结构（敏感结构），该网格空腔质量块的侧壁在碰撞过程中起到了弹性过载保护面的作用，它和防撞凸点共同作用可以释放高冲击产生的高冲击力，有效保护器件敏感结构，提高了器件抗高过载能力。
（2）本发明结构简单，采用单晶硅片材料，提高了MEMS陀螺产品的一致性和可靠性；加工工艺比较简单，全部利用公知的MEMS工艺技术加工，适合大批量生产。
附图说明
图1为本发明MEMS陀螺抗过载结构俯视图；
图2为本发明MEMS陀螺抗过载结构剖面图；
图3为本发明MEMS陀螺抗过载结构制造工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构和制造工艺做进一步的说明。
（一）MEMS陀螺抗高过载结构
参照图1、图2本发明MEMS抗高过载陀螺结构从工艺制造上可分为三层：衬底层8、结构层11和盖帽层10。连接梁1、中心固定块2、固定块3、防撞凸点4、防撞凸点5、网格空腔质量块6、锚点7同属于结构层；玻璃片8构成衬底层；单晶硅片11构成盖帽层，单晶硅片11用苯并环丁烯(BCB)9与盖帽10键和连接。
所述的网格空腔质量块6通过连接梁1固支于锚点7，在网格空腔质量块6的四周对称分布着带有防撞凸点4的固定块3，网格空腔质量块6中心掏空区域设置有带防撞凸点5的固定块2，网格空腔质量块6四个侧壁相当于弹性过载保护面，玻璃衬底8键合于结构层下方。当XY平面内有过载情况时，使得梁结构1发生弯曲，导致网格空腔质量块6的侧壁碰撞到防撞凸点4或5，网格空腔质量块6的侧壁相当于弹性过载保护面，可将冲击力抵消掉，使得可动结构（敏感结构）得到有效保护。
（二）MEMS陀螺抗高过载结构的制造工艺
图3中图（a）—图（e）为MEMS陀螺抗高过载结构的主要工艺过程，具体说明为：
图（a）—图（c）为中间敏感结构层制作：在单晶硅片背面光刻空腔图形，利用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀形成空腔；接着对单晶硅片进行氧化，在单晶硅片背面光刻深腔图形，正面涂胶保护，氢氟酸和氟化铵按6:1比例配比而成的腐蚀液去除打开窗口的二氧化硅，再利用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀形成深腔。
图（d）—图（e）最终结构制作：氢氟酸和氟化铵按6:1比例配比而成的腐蚀液去除单晶硅片表面氧化层，利用硅玻键合将中间敏感结构层与玻璃衬底键合于一起，接着在单晶硅片正面光刻梁结构、网格状质量块、固定结构和防撞凸点，利用光刻胶作为阻挡层，电感耦合等离子体（ICP）刻蚀直至悬臂梁、网格状质量块释放完全。最后在中间敏感结构层上键和盖帽，如图3所示，即形成本发明的MEMS抗高过载陀螺。

Claims (1)

1.一种抗高过载的MEMS陀螺，包括在玻璃衬底（8）上键合的硅片（11），硅片（11）上面连接盖帽（10），硅片（11）中设有质量块（6），它通过连接梁（1）固支于锚点（7），在质量块（6）的四周对称分布着带有防撞凸点（4）的固定块（3），质量块（6）中心掏空区域设置有带防撞凸点（5）的中心固定块（2），其特征在于：所述质量块（6）上设有一组网格空腔（6a）。
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