CN109470229A - 一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构 - Google Patents

一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构 Download PDF

Info

Publication number
CN109470229A
CN109470229A CN201811252581.2A CN201811252581A CN109470229A CN 109470229 A CN109470229 A CN 109470229A CN 201811252581 A CN201811252581 A CN 201811252581A CN 109470229 A CN109470229 A CN 109470229A
Authority
CN
China
Prior art keywords
face
stop configurations
mass block
outer stop
girder construction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811252581.2A
Other languages
English (en)
Inventor
庄海涵
杨静
刘福民
李新坤
刘国文
张乐明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Aerospace Times Electronics Corp
Beijing Aerospace Control Instrument Institute
Original Assignee
China Aerospace Times Electronics Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Aerospace Times Electronics Corp filed Critical China Aerospace Times Electronics Corp
Priority to CN201811252581.2A priority Critical patent/CN109470229A/zh
Publication of CN109470229A publication Critical patent/CN109470229A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5769—Manufacturing; Mounting; Housings

Abstract

本发明公开了一种硅微惯性传感器抗冲击过载的面外止挡结构，通过在传感器敏感结构上、下基底上设置若干个凸点结构作为面外止挡结构，上、下基底上的面外止挡结构位置对应于中间质量块和梁结构在面外冲击时的最大位移处，且以质量块和梁结构为对称分布。本发明的面外止挡结构与质量块和梁结构存在一定间隙，既不影响质量块和梁结构的正常工作，又保证了面外强冲击下质量块在Z轴不会发生大形变，提高了抗冲击过载能力。

Description

一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构
技术领域
本发明属于微机械电子MEMS领域，特别涉及一种硅微惯性传感器抗冲击过载的面外止挡结构。
背景技术
硅微惯性传感器是基于硅材料制作，敏感结构特征尺寸在微米到毫米量级的微型传感器，包括陀螺和加速度计。由于硅微惯性传感器具有体积小、质量轻、价格低廉等特点，可广泛应用于军事和民用领域。尤其在军事领域中，主要可用在弹药的惯性制导和姿态控制、飞行器的导航和姿态控制、平台稳定等很多场合。
由于军事领域中，有较多冲击和振动较强的应用场合，硅微惯性传感器需具备相应的抗冲击过载能力才能保证强冲击或振动环境下器件不发生失效或性能退化，实现恶劣环境下各种数据的测量。
发明专利申请《一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构》(申请号201710978663.4)提出质量块由中心锚点支撑悬浮于基底上，质量块与中心锚点之间通过梁结构连接，在中心锚点上设置若干个悬臂梁结构，悬臂梁结构以中心锚点为固定支点，悬臂梁结构的活动端一直延伸伸入质量块内，从而形成止挡结构。发明专利申请《一种抗高过载的MEMS陀螺》(申请号201310505577.3)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。发明专利申请《一种抗高强度冲击的音叉式微机械陀螺》(申请号201310192746.2)、《一种抗高冲击的微机电陀螺》(申请号201410047971.1)、欧洲专利申请《Multistage proof-mass movement deceleration with memsstructure》(申请号EP2146182A1)均提出从质量块延伸出弹性梁结构作为质量块在冲击条件下用于减速或停止。
现有专利的止挡结构布置在硅微惯性传感器的质量块的外围，用于抵抗质量块所在的平面内冲击。而在实际应用中，除了平面内的冲击，来自平面外的冲击也是经常发生的，当质量块工作在面外冲击条件下时，若冲击强度高于硅材料的断裂强度，极易发生器件破碎、断裂等失效。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术中存在的问题，提供了一种基于硅微惯性传感器的抗冲击过载的面外止挡结构。解决了来自平面外冲击的结构保护问题，提高了敏感结构的抗面外冲击能力。
本发明的技术方案是：一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构，包括在传感器敏感结构上基底设计的若干个凸点结构，以及在下基底上设计的若干个凸点结构；凸点结构和作为面外止挡结构；凸点结构和的设置于中间质量块和梁结构在面外冲击时的最大位移处，且以质量块为对称分布。
所述凸点结构在上基底上的位置，与凸点结构在下基底上的位置，相对于质量块对称分布。
所述面外止挡结构为凸点结构，截面形状为圆形或椭圆形或方形或矩形或六边形或八边形。
当面外止挡结构为圆形型时，截面大小为直径是梁结构宽度的0.1至10倍；当面外止挡结构为椭圆形时，截面大小为短轴长度是梁结构宽度的0.1至10倍；当面外止挡结构为方形时，截面大小为边长是梁结构宽度的0.1至10倍；当面外止挡结构为矩形时，截面大小为短边长度是梁结构宽度的0.1至10倍；当面外结构是六边形或八边形时，截面大小为最长对角线长度是梁结构宽度的0.1至10倍。
所述面外止挡结构与质量块和梁结构存在间隙。
同一基底上的面外止挡结构与质量块和梁结构之间的间隙是等间隙，不同基底上的面外止挡结构与质量块之间的间隙大小不相同。
所述间隙大小为0.1um至5um。
同一基底上的面外止挡结构数量为4个至20个。
所述面外止挡结构采用硅或氧化硅或硼硅玻璃或石英材料。
本发明达到的有益效果：
现有专利的止挡结构布置在硅微惯性传感器的质量块的外围，用于抵抗质量块所在的平面内冲击。而在实际应用中，除了平面内的冲击，来自平面外的冲击也经常发生，当质量块工作在面外冲击条件下时，若冲击强度高于硅材料的断裂强度，极易发生器件破碎、断裂等失效。
通过在惯性器件敏感结构的上、下基底且对应于中间质量块的最大位移处设置若干凸点结构作为面外止挡结构，且以质量块为对称分布，并与质量块存在一定间隙，不仅保证在正常工作状态下质量块不与止挡结构发生接触，对质量块的Z轴正常运动没有影响，而且在强冲击条件下保证止挡结构与质量块发生接触，有效限制质量块的Z轴面外偏移或偏转，避免强冲击下质量块或梁结构由于大幅形变或碰撞发生断裂失效，显著提高现有敏感结构的抗面外冲击的能力。
除此之外，在上、下基底而不是质量块上设置面外止挡结构，既不会影响质量块的现有设计和制作，又可直接采用上、下基底的现有制作工艺来实现，未增加工艺难度。
附图说明
图1是本发明所示一实施案例的陀螺敏感结构的中间硅可动结构俯视图；
图2是图1所示实施例中未加面外止挡结构的陀螺敏感结构侧视图；
图3是图1所示实施例中采用面外止挡结构的陀螺敏感结构侧视图；
图4是图3所示实施例中的面外止挡结构相对于中间硅可动结构的位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图，以陀螺为例，对本发明的一种实现形式做进一步描述。
硅微机械陀螺敏感结构的中间硅可动结构俯视图如图1所示，传统的未加面外止挡结构的陀螺敏感结构侧视图如图2所示。陀螺的驱动质量块结构101由锚区102支撑悬浮于上、下基底上，驱动质量块101与锚区102之间通过梁结构103连接。陀螺的检测质量块结构105由锚区106支撑悬浮于上、下基底上，驱动质量块105与锚区106之间通过梁结构107连接。驱动质量块101和检测质量块105通过梁结构104连接。
通过合理的设计梁结构103，可以使驱动质量块101在XY平面内沿着X轴做谐振运动，即陀螺的驱动模态运动；当外界有检测轴(Z轴)的角速度输入时，在哥式效应的作用下，驱动质量块101有沿着Y轴运动的趋势，并通过梁结构104作用到检测质量块105上，使检测质量块105在XY平面内沿着Y轴做谐振运动，即陀螺的检测模态运动。
当外界输入Z轴方向的冲击过载时，驱动质量块101和检测质量块105将在强冲击作用下在XY平面外发生偏移或偏转，导致质量块与上、下基底发生碰撞。为避免冲击条件下，质量块结构由于碰撞发生失效或使梁结构发生断裂，需限制驱动质量块101和检测质量块105在面外强冲击条件下的偏移或偏转。
如图3、4所示，本发明通过在上基底201设计若干个凸点结构202，在下基底301上设计若干个凸点结构302作为面外止挡结构，可以有效提高现有硅微陀螺的抗强冲击能力。面外止挡结构202和302对应于驱动质量块101、检测质量块105和梁结构104在面外冲击时的最大位移处，且左右对称分布。面外止挡结构202和302的数量取决于质量块的大小，数量可以不限。面外止挡结构202和302的俯视图为圆形、方形、矩形、六边形、八边形等多种形状，凸点大小和形状可以相同也可不相同。上基底201的面外止挡结构202或下基底301的面外止挡结构302与驱动质量块101和检测质量块105之间是等间隙设计；上基底201的面外止挡结构202和下基底301的面外止挡结构302与质量块之间的间隙取决于应用环境，可以相同也可以不相同，典型值间隙大小为0.1um至5um。面外止挡结构202的材料与面外止挡结构302的材料可相同，也可不同，可为硅或氧化硅或硼硅玻璃或石英等材料。
当面外止挡结构为圆形型时，截面大小为直径是梁结构104宽度的0.1至10倍；当面外止挡结构为椭圆形时，截面大小为短轴长度是梁结构104宽度的0.1至10倍；当面外止挡结构为方形时，截面大小为边长是梁结构104宽度的0.1至10倍；当面外止挡结构为矩形时，截面大小为短边长度是梁结构104宽度的0.1至10倍；当面外结构是六边形或八边形时，截面大小为最长对角线长度是梁结构104宽度的0.1至10倍。
当外界环境中存在XY平面外强冲击过载时，驱动质量块101和检测质量块105在冲击作用下，在XY平面外发生偏移或偏转。通过在上、下基底201和301上合理设置面外止挡结构202和302与质量块之间的间隙，既可以保证质量块在正常工作状态下不与止挡结构发生接触，又可以在面外冲击调节下保证凸点止挡结构与质量块发生接触，限制质量块的偏移或偏转。
由于质量块101或105与面外止挡结构202或302接触后，质量块被限制住，其偏移量或偏转量得以控制，保证了面外强冲击下敏感结构不会发生大形变。
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 (9)

1.一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构，其特征在于：包括在传感器敏感结构上基底(201)设计的若干个凸点结构(202)，以及在下基底(301)上设计的若干个凸点结构(302)；凸点结构(202)和(302)作为面外止挡结构；凸点结构(202)和(302)的设置于中间质量块(101)和梁结构(104)在面外冲击时的最大位移处，且以质量块(101)为对称分布。
2.根据权利要求1所述的一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构，其特征在于：所述凸点结构(202)在上基底(201)上的位置，与凸点结构(302)在下基底(301)上的位置，相对于质量块(101)对称分布。
3.根据权利要求1所述的一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构，其特征在于：所述面外止挡结构为凸点结构，截面形状为圆形或椭圆形或方形或矩形或六边形或八边形。
4.根据权利要求3所述的一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构，其特征是，当面外止挡结构为圆形型时，截面大小为直径是梁结构(104)宽度的0.1至10倍；当面外止挡结构为椭圆形时，截面大小为短轴长度是梁结构(104)宽度的0.1至10倍；当面外止挡结构为方形时，截面大小为边长是梁结构(104)宽度的0.1至10倍；当面外止挡结构为矩形时，截面大小为短边长度是梁结构(104)宽度的0.1至10倍；当面外结构是六边形或八边形时，截面大小为最长对角线长度是梁结构(104)宽度的0.1至10倍。
5.根据权利要求1所述的一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构，其特征是，所述面外止挡结构与质量块(101)和梁结构(104)存在间隙。
6.根据权利要求5所述的一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构，其特征是，同一基底上的面外止挡结构与质量块(101)和梁结构(104)之间的间隙是等间隙，不同基底上的面外止挡结构与质量块(101)之间的间隙大小不相同。
7.根据权利要求5或6所述的一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构，其特征是，所述间隙大小为0.1um至5um。
8.根据权利要求1所述的一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构，其特征是，同一基底上的面外止挡结构数量为4个至20个。
9.根据权利要求1所述的一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构，其特征是，所述面外止挡结构采用硅或氧化硅或硼硅玻璃或石英材料。
CN201811252581.2A 2018-10-25 2018-10-25 一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构 Pending CN109470229A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811252581.2A CN109470229A (zh) 2018-10-25 2018-10-25 一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811252581.2A CN109470229A (zh) 2018-10-25 2018-10-25 一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109470229A true CN109470229A (zh) 2019-03-15

Family

ID=65666023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811252581.2A Pending CN109470229A (zh) 2018-10-25 2018-10-25 一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109470229A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110596423A (zh) * 2019-08-29 2019-12-20 南京理工大学 一种抗高过载梳齿电容式单轴加速度计
CN112938894A (zh) * 2021-03-11 2021-06-11 中北大学 一种多层次立体化的mems器件抗冲击防护结构的制备方法
CN117589164A (zh) * 2024-01-18 2024-02-23 苏州亿波达微系统技术有限公司 一种抗高过载惯性传感器

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6065341A (en) * 1998-02-18 2000-05-23 Denso Corporation Semiconductor physical quantity sensor with stopper portion
CN1920576A (zh) * 2006-07-27 2007-02-28 浙江杜翔科技有限公司 基于(111)硅的微机械加速度传感器及制造方法
CN1959417A (zh) * 2006-11-17 2007-05-09 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 微机械电容式加速度传感器及制作方法
CN101625372A (zh) * 2009-08-19 2010-01-13 北京大学 一种具有对称结构的微机械差分电容加速度计
CN101644718A (zh) * 2009-07-02 2010-02-10 中国科学院声学研究所 一种带声学腔的电容式加速度传感器
CN103292798A (zh) * 2013-05-22 2013-09-11 同济大学 一种抗高强度冲击的音叉式微机械陀螺
CN103557853A (zh) * 2013-10-24 2014-02-05 华东光电集成器件研究所 一种抗高过载的mems陀螺
CN103808314A (zh) * 2014-02-11 2014-05-21 同济大学 一种抗高冲击的微机电陀螺
CN103869100A (zh) * 2012-12-17 2014-06-18 马克西姆综合产品公司 微机电z轴面外止挡件
CN105182005A (zh) * 2015-10-15 2015-12-23 华东光电集成器件研究所 一种低应力加速度计
CN105182004A (zh) * 2015-09-06 2015-12-23 苏州大学 基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6065341A (en) * 1998-02-18 2000-05-23 Denso Corporation Semiconductor physical quantity sensor with stopper portion
CN1920576A (zh) * 2006-07-27 2007-02-28 浙江杜翔科技有限公司 基于(111)硅的微机械加速度传感器及制造方法
CN1959417A (zh) * 2006-11-17 2007-05-09 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 微机械电容式加速度传感器及制作方法
CN101644718A (zh) * 2009-07-02 2010-02-10 中国科学院声学研究所 一种带声学腔的电容式加速度传感器
CN101625372A (zh) * 2009-08-19 2010-01-13 北京大学 一种具有对称结构的微机械差分电容加速度计
CN103869100A (zh) * 2012-12-17 2014-06-18 马克西姆综合产品公司 微机电z轴面外止挡件
CN103292798A (zh) * 2013-05-22 2013-09-11 同济大学 一种抗高强度冲击的音叉式微机械陀螺
CN103557853A (zh) * 2013-10-24 2014-02-05 华东光电集成器件研究所 一种抗高过载的mems陀螺
CN103808314A (zh) * 2014-02-11 2014-05-21 同济大学 一种抗高冲击的微机电陀螺
CN105182004A (zh) * 2015-09-06 2015-12-23 苏州大学 基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计
CN105182005A (zh) * 2015-10-15 2015-12-23 华东光电集成器件研究所 一种低应力加速度计

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110596423A (zh) * 2019-08-29 2019-12-20 南京理工大学 一种抗高过载梳齿电容式单轴加速度计
CN110596423B (zh) * 2019-08-29 2021-10-08 南京理工大学 一种抗高过载梳齿电容式单轴加速度计
CN112938894A (zh) * 2021-03-11 2021-06-11 中北大学 一种多层次立体化的mems器件抗冲击防护结构的制备方法
CN117589164A (zh) * 2024-01-18 2024-02-23 苏州亿波达微系统技术有限公司 一种抗高过载惯性传感器
CN117589164B (zh) * 2024-01-18 2024-04-12 苏州亿波达微系统技术有限公司 一种抗高过载惯性传感器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107607100B (zh) 一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构
US8555720B2 (en) MEMS device with enhanced resistance to stiction
CN109470229A (zh) 一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构
JP5117665B2 (ja) Ｍｅｍｓ構造内でプルーフマスの運動を減速させる方法およびシステム
CN104931032B (zh) 一种单锚定点四质量块mems谐振式陀螺仪
US9038460B2 (en) Inertial unit with several detection axes
US8011247B2 (en) Multistage proof-mass movement deceleration within MEMS structures
CN105606083B (zh) 一种外支撑四质量块mems谐振式陀螺仪
EP1402275A2 (en) Mems sensor with single central anchor and motion-limiting connection geometry
CN108955663B (zh) 一种谐振式双轴微机械轮式陀螺
US8701490B2 (en) Z-axis capacitive accelerometer
JP2005283402A (ja) 慣性センサ
US20180209791A1 (en) Motion measurement devices and methods for measuring motion
CN102539832B (zh) 一种田字形双轴谐振式硅微机械加速度计结构
CN114719834A (zh) 一种三轴mems陀螺
Fan et al. A silicon micromachined high-shock accelerometer with a bonded hinge structure
CN113137959B (zh) 一种微机械音叉陀螺
CN208937605U (zh) 一种蜂窝状微止挡结构
CN109556589A (zh) 一种抗高过载的双质量块音叉式角速率陀螺仪
CN209446068U (zh) 一种抗高过载的双质量块音叉式角速率陀螺仪
CN109188012B (zh) 一种蜂窝状微止挡结构
Shah et al. Design and analysis of a single-structure three-axis MEMS gyroscope with improved coupling spring
CN215338345U (zh) 一种离面检测陀螺仪
US11933809B2 (en) Inertial sensor
CN115615416A (zh) 一种全解耦三轴mems陀螺

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190315