CN109374917A - 蜂窝状微止挡结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蜂窝状微止挡结构设计方法，在MEMS传感器中的质量块的两侧对称设置蜂窝状微止挡结构，根据确定的承受最大冲击加速度值、质量块质量、蜂窝状微止挡结构的最大形变、蜂窝状微止挡结构材料机械特性，采用数值仿真计算，确定蜂窝状微止挡结构的尺寸，采用该方法设计的蜂窝状微止挡结构，借助于交错层叠的蜂窝结构将冲击应力分散开，在质量块与微止挡结构碰撞接触后蜂窝状微止挡结构既变形缓冲吸收冲击能量，又避免微止挡结构变形产生的应力集中现象。

Description

蜂窝状微止挡结构设计方法
技术领域
本发明涉及电子领域，具体涉及一种微器件的抗冲击过载微机械结构设计方法。
背景技术
MEMS传感器通过测量微小敏感结构的某种变化来实现相应待测量的测量。MEMS（Micro Electro Mechanical System）传感器具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点。
MEMS惯性传感器包括检测加速度的MEMS加速度传感器和检测角速度的MEMS陀螺仪，其可广泛的应用于军事和民用领域。在工业自动化领域，其主要应用于先进的自动安全系统、高性能的导航系统、航行稳定性、翻滚的检测和预防、以及安全气囊和制动系统。在消费电子产品领域，主要应用于手机、平板电脑等数码产品、摄影器材中的图像稳定、虚拟现实产品以及计算机游戏。在军事应用方面，主要运用于弹药的惯性制导、飞行器的导航和姿态控制、平台稳定、便携式单兵导航等。
在部分冲击和振动较强的应用场合，MEMS惯性传感器需具备相应的抗冲击能力才能保证器件不发生失效或性能退化，实现恶劣环境下的加速度或角速度测量。
发明专利申请《一种带声学腔的电容式加速度传感器》提出在加速度传感器敏感结构的背面设计加工出带有阻尼孔和限位凸点的背极板。通过综合运用背极板上的阻尼孔调节系统阻尼，同时利用限位凸点防止过载时的粘附，提高了电容式加速度传感器抗冲击的能力。发明专利申请《微机电系统器件、减速挡块、减轻冲击的方法及陀螺仪》、欧洲专利申请EP2146182A1《Multistage Proof-mass movement deceleration within memsstructure》提出从质量块上延伸出至少一个减速梁。减速梁与减速凹槽构造成减速结构，使得陀螺梳齿结构在冲击条件下发生碰撞之前得以减速或停止。美国专利US Patent6065341《Semiconductor Physical Quantity Sensor With Stopper Portion》、美国专利US Patent 4882933《Accelerometer with integral bidirectional shock protectionand controllable viscous damping》、美国专利US Patent 5721377《Angular Velocitysensor with built-in Limit stops》等提出了不同结构形式的抗冲击过载的微止挡结构。
发明专利申请《一种抗高过载的MEMS陀螺》提出在陀螺质量块的四周对称分布带有防撞凸点的固定块，同时在质量块中心掏空区域设置带有防撞凸点的中心固定块，质量块采用网格空腔设计，提高陀螺抗过载能力。然而固定止挡的缺点是，当质量块在大冲击过载环境下，与固定止挡发生碰撞接触后。固定式止挡由于刚度很大，不容易发生较大的变形，碰撞能量难以通过较大的形变将能量吸收，导致质量块与止挡接触部位应力很大，容易发生破碎、断裂等失效。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本专利提供了一种蜂窝状微止挡结构设计方法。
电容式MEMS惯性传感器通过内部可运动的敏感质量块来敏感外界输入的加速度或角速度。由于质量块需要沿特定轴向自由运动，因此一般质量块均是通过梁结构连接到锚点结构上，锚点结构固定在传感器的基底上。当有外界输入加速度或角速度时，质量块沿某特定轴向发生偏移或运动，借助于电容变化可以检测出该位移量，实现对输入加速度和角速度的测量。
当外界存在强冲击时，质量块在冲击作用下发生偏移或偏转，导致质量块与对应检测电极上固定梳齿发生碰撞，或梁结构因大幅度的偏移、偏转发生断裂。为避免强冲击条件下，薄弱的梳齿结构由于碰撞发生失效或梁结构由于大幅形变发生断裂失效，需限制质量块在强冲击条件下的位移或偏转。
通常采用固定式微止挡结构限制质量块的位移，但固定止挡的缺点是刚度很大，当质量块与固定止挡发生碰撞接触后，固定止挡不容易发生较大的变形，碰撞能量难以通过止挡的形变将能量吸收，导致质量块与止挡接触部位应力很大，容易发生破碎、断裂等失效。改进的减速梁式微止挡结构，可以通过碰撞接触后的减速梁结构的变形来缓冲吸收冲击能量，降低接触部位应力。但减速梁微止挡结构的根部仍然存在应力集中的问题，在碰撞接触过程中减速梁微止挡结构的根部存在断裂失效可能。
本专利提出了一种蜂窝状微止挡结构设计方法。
一种蜂窝状微止挡结构设计方法，其特征是，在MEMS传感器中的质量块的两侧对称设置蜂窝状微止挡结构，包括以下步骤：
第一步，确定MEMS传感器所需承受的最大冲击加速度值、质量块质量、质量块正常工作条件下最大位移、质量块与固定检测电极间距、蜂窝状微止挡结构材料机械特性；
第二步，确定蜂窝状微止挡结构未变形时与质量块的间距；
第三步，根据最大冲击加速度值、蜂窝状微止挡结构材料机械特性和质量块梁结构形式，确定冲击情况下质量块梁结构不失效时，质量块的最大位移；
第四步，当外界施加冲击后，质量块与蜂窝状微止挡结构接触碰撞，蜂窝状微止挡结构开始变形，确定蜂窝状微止挡结构变形后保证质量块与固定检测电极不接触的蜂窝状微止挡结构的最大形变；
第五步，根据上述确定的最大冲击加速度值、质量块质量、蜂窝状微止挡结构的最大形变、蜂窝状微止挡结构材料机械特性，采用数值仿真计算，确定蜂窝状微止挡结构的尺寸。
第二步中，蜂窝状微止挡结构未变形时与质量块的间距大于质量块正常工作条件下最大位移。
第四步中，蜂窝状微止挡结构的最大形变小于质量块的最大位移。
第四步中，蜂窝状微止挡结构的最大形变小于敏感质量块与固定电极间距。
第五步中，确定的蜂窝状微止挡结构的尺寸包括边长、边厚和层数。
蜂窝状微止挡结构材料机械特性包括密度、杨氏模量、泊松比和屈服强度。
蜂窝状微止挡结构材料选择为与MEMS传感器质量块相同的材料。
本发明所达到的有益效果：
本专利提出了一种蜂窝状微止挡结构设计方法。采用该方法设计的蜂窝状微止挡结构，借助于交错层叠的蜂窝结构将冲击应力分散开，在质量块与微止挡结构碰撞接触后蜂窝状微止挡结构既变形缓冲吸收冲击能量，又避免微止挡结构变形产生的应力集中现象。
附图说明
图1为蜂窝状微止挡结构示意图。
图2为蜂窝状微止挡结构尺寸定义示意图。
图3为蜂窝状微止挡结构变形位移示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种实现形式作进一步描述。
以电容式MEMS加速度计为例，如图1所示，两根支撑梁102a和102b一端连接质量块101，将质量块101悬浮在基底（图中未显示）上。支撑梁102a的另一端固定面103a和支撑梁102b的另一端固定面103b分别连接到锚点结构（图中未显示）实现结构固定。固定检测电极104a、104b、104c、104d对称分布在质量块两侧。当外界输入与梁结构垂直的水平面内加速度时，质量块沿加速度输入方向偏移，通过布置在质量块周围的固定检测电极104a、104b、104c、104d，可以检测出质量块的位移，进而实现加速度检测。在质量块101的两侧对称设置蜂窝状微止挡结构201a、201b。
为避免强冲击条件下，出现结构破碎、断裂等失效，本专利提出了一种蜂窝状微止挡结构设计方法。
第一步，设计首先需要确定蜂窝状微止挡结构设计依据，即设计输入。确定器件所需承受的最大冲击加速度值gmax、质量块质量M、质量块正常工作条件下最大位移dmormal-max、质量块与固定检测电极间距d0（即图2中质量块101与任一固定检测电极如固定检测电极104a的间距）、蜂窝状微止挡结构材料机械特性等；
第二步，设计蜂窝状微止挡结构201a未变形时与质量块101的间距dstop0，要求dstop0大于质量块正常工作条件下最大位移dmormal-max（图2中质量块101偏移到虚线位置）；
第三步，根据器件所需承受的最大冲击加速度值gmax，材料机械特性和质量块梁结构形式，确定冲击情况下梁不失效时，质量块的最大位移dshock-max。
第四步，当外界施加冲击后，质量块101与蜂窝状微止挡结构201a接触碰撞，蜂窝状微止挡结构201a开始变形，吸收冲击能量，要求蜂窝状微止挡结构的最大形变Dmax（图3中蜂窝状微止挡结构201a的右端面移动到虚线所示位置）要小于质量块的最大位移dshock-max。同时还需要保证蜂窝状微止挡结构的最大形变Dmax小于质量块与固定检测电极间距d0，即蜂窝状微止挡结构变形后依然保证质量块与固定检测电极不接触；
第五步，根据上述确定的最大冲击加速度值gmax、质量块质量M、蜂窝状微止挡结构的最大形变Dmax、蜂窝结构材料机械特性，采用数值仿真软件（例如ANSYS、COMSOL、MEMS Plus等）计算，确定蜂窝状微止挡结构尺寸（例如边长、边厚）和蜂窝结构层数等参数。
采用该方法设计的蜂窝状微止挡结构，借助于交错层叠的蜂窝结构将冲击应力分散开，在质量块与微止挡结构碰撞接触后蜂窝状微止挡结构既变形缓冲吸收冲击能量，又避免微止挡结构变形产生的应力集中现象。
蜂窝状微止挡结构也可以为圆形或其他多边形结构交错排列（需要保证相邻两层的多边形结构的边不共线）。蜂窝状结构的边长和宽度等尺寸以及层数可以根据需要由数值仿真计算得出。
蜂窝状微止挡结构材料机械特性主要考虑密度、杨氏模量、泊松比、屈服强度等，通常微止挡结构材料选择为与MEMS传感器质量块相同的材料，例如单晶硅、多晶硅。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种蜂窝状微止挡结构设计方法，其特征是，在MEMS传感器中的质量块的两侧对称设置蜂窝状微止挡结构，包括以下步骤：
第一步，确定MEMS传感器所需承受的最大冲击加速度值、质量块质量、质量块正常工作条件下最大位移、质量块与固定检测电极间距、蜂窝状微止挡结构材料机械特性；
第二步，确定蜂窝状微止挡结构未变形时与质量块的间距；
第三步，根据最大冲击加速度值、蜂窝状微止挡结构材料机械特性和质量块梁结构形式，确定冲击情况下质量块梁结构不失效时，质量块的最大位移；
第四步，当外界施加冲击后，质量块与蜂窝状微止挡结构接触碰撞，蜂窝状微止挡结构开始变形，确定蜂窝状微止挡结构变形后保证质量块与固定检测电极不接触的蜂窝状微止挡结构的最大形变；
第五步，根据上述确定的最大冲击加速度值、质量块质量、蜂窝状微止挡结构的最大形变、蜂窝状微止挡结构材料机械特性，采用数值仿真计算，确定蜂窝状微止挡结构的尺寸。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状微止挡结构设计方法，其特征是，第二步中，蜂窝状微止挡结构未变形时与质量块的间距大于质量块正常工作条件下最大位移。
3.根据权利要求1所述的蜂窝状微止挡结构设计方法，其特征是，第四步中，蜂窝状微止挡结构的最大形变小于质量块的最大位移。
4.根据权利要求1或3所述的蜂窝状微止挡结构设计方法，其特征是，第四步中，蜂窝状微止挡结构的最大形变小于敏感质量块与固定电极间距。
5.根据权利要求1所述的蜂窝状微止挡结构设计方法，其特征是，第五步中，确定的蜂窝状微止挡结构的尺寸包括边长、边厚和层数。
6.根据权利要求1所述的蜂窝状微止挡结构设计方法，其特征是，蜂窝状微止挡结构材料机械特性包括密度、杨氏模量、泊松比和屈服强度。
7.根据权利要求1所述的蜂窝状微止挡结构设计方法，其特征是，蜂窝状微止挡结构材料选择为与MEMS传感器质量块相同的材料。
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