CN110736855A - 一种mems器件抗冲击止挡结构 - Google Patents

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商兴莲
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Abstract

本发明公开了一种MEMS器件抗冲击止挡结构，包括通过梁结构连接到锚点结构上的质量块；锚点结构将质量块和梁结构悬浮于检测电极上；在检测电极周边设置高度高于检测电极并且朝向质量块的止挡凸点结构；质量块上朝向止挡凸点结构的位置设置弹性接触结构。当外界输入垂直方向强冲击或振动时，质量块在惯性力作用下沿垂直方向运动，当冲击或振动使得质量块运动到设计限位值时，质量块上加工出的弹性接触结构与衬底层或盖帽对应位置处的止挡凸点发生碰撞接触。质量块上的弹性接触结构在碰撞接触后沿垂直方向发生变形，进而缓冲吸收冲击能量，避免止挡结构因与质量块碰撞而在其接触点或接触面上产生应力集中现象，减小产生破碎或断裂的可能性。

Description

一种MEMS器件抗冲击止挡结构
技术领域
本发明涉及电子领域，具体涉及一种MEMS器件的垂直方向抗冲击过载弹性止挡结构。
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。
在一些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。
实际环境中，外界冲击或振动可能是任意方向。MEMS器件绝大多数是扁平结构，因此根据MEMS器件的结构特点，可以将外界冲击分解为水平面（XY平面）内的冲击和垂直方向（Z轴）上的冲击。
为解决水平面内的大冲击或强振动造成MEMS器件失效，现有技术主要的解决方式为：
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 Patent 6065341《Semiconductor Physical Quantity Sensor WithStopper Portion》、美国专利US Patent 4882933《Accelerometer with integralbidirectional shock protection and controllable viscous damping》、美国专利USPatent 5721377《Angular Velocity sensor with built-in Limit stops》、中国发明专利申请《一种抗高过载的MEMS陀螺》等提出了不同结构形式的抗冲击过载的微止挡结构。这些微止挡结构解决了水平面内的大冲击造成MEMS器件失效问题。
为解决垂直方向上的大冲击造成MEMS器件失效，现有技术主要的解决方式为：
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强冲击的能力。
美国专利US Patent 8596123B2《MEMS Device with Impacting Structure forEnhanced Resistance Stiction》提出了一种“T”型的垂直止挡结构，以实现限制质量块垂直方向运动位移的目的。美国专利US Patent 5111693《Motion Restraints forMicromechanical Devices》、美国专利US Patent 5721377《Angular velocity sensorwith built-in limit stops》等提出了不同结构形式的垂直方向止挡结构。然而这些专利提出的垂直止挡结构，均为不易形变的固定止挡结构。当MEMS可动结构在强冲击或振动作用下与垂直止挡结构发生碰撞时，固定止挡由于刚度很大，不易发生变形，不利于缓冲吸收冲击产生的惯性力，导致可动结构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MEMS器件的垂直方向抗冲击过载止挡结构。
MEMS器件以电容式MEMS惯性传感器为例。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。
当外界存在大冲击或强振动时，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发生碰撞。为避免大冲击或强振动条件下，结构由于碰撞发生失效或梁结构由于大幅形变发生断裂，需限制质量块在大冲击或强振动条件下的位移或偏转角度。
质量块在水平面内的位移或偏转限制一般设计采用水平面内的止挡结构。质量块在垂直方向上的位移或偏转限制一般设计采用位于质量块下方垂直方向的止挡结构。由于目前主流MEMS工艺是一种典型的平面加工工艺，因此垂直方向的止挡结构一般为固定止挡结构，很难在不显著增加工艺复杂度和MEMS结构层数的情况下，加工出垂直方向弹性止挡结构。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种MEMS器件抗冲击止挡结构，包括通过梁结构连接到锚点结构上的质量块，锚点结构将质量块和梁结构悬浮于检测电极上，在检测电极周边设置高度高于检测电极并且朝向质量块的止挡凸点结构，质量块上朝向止挡凸点结构的位置设置弹性接触结构。
进一步地，所述弹性接触结构包括一可与止挡凸点结构相接触的止挡接触面和将止挡接触面支撑在质量块上的多根弹性梁。
进一步地，多根弹性梁围绕止挡接触面呈轴对称或中心对称分布。
进一步地，止挡凸点结构设置在衬底层和/或盖帽上。
进一步地，弹性接触结构与质量块采用相同工艺加工成型。
进一步地，弹性接触结构与质量块采用相同工艺、同时加工成型。
进一步地，衬底层和/或盖帽上对应的止挡凸点结构与所在的衬底层和/或盖帽采用相同工艺加工成型。
本发明所达到的有益效果：
本专利提出了一种MEMS器件的垂直方向抗冲击过载弹性止挡结构。通过在质量块上设计加工出一种弹性接触结构，在MEMS器件衬底层和（或）盖帽上加工出对应的止挡凸点结构。当外界输入垂直方向强冲击或振动时，质量块在惯性力作用下沿垂直方向运动，当冲击或振动使得质量块运动达到设计限位值时，质量块上加工出的弹性接触结构与衬底层或盖帽对应位置处的止挡凸点发生碰撞接触。质量块上的弹性接触结构在碰撞接触后沿垂直方向发生变形，进而缓冲吸收冲击能量，避免止挡结构因与质量块碰撞而在其接触点或接触面上产生应力集中现象，减小产生破碎或断裂的可能性。
质量块上设计加工出的弹性接触结构主要由缓冲弹性梁和止挡接触面构成。设计的缓冲弹性梁、止挡接触面与MEMS器件的质量块采用相同工艺加工，同时加工成型。衬底层和盖帽上对应的止挡凸点结构与衬底和盖帽采用相同工艺加工，仅需增加一次刻蚀步骤。该垂直方向抗冲击过载弹性止挡结构不显著增加MEMS器件加工工艺，易于加工实现。
通过仿真设计可以优化弹性接触结构和对应的凸点结构，使得其既可以在强冲击或振动情况下完成垂直方向对质量块的弹性缓冲止挡作用，又可以避免应凸点结构与止挡接触面发生粘连现象。
附图说明
图1为MEMS加速度计敏感结构层水平面示意图（面积对称，质量不对称方式）。
图2 为MEMS加速度计铅垂面剖面示意图。
图3为MEMS加速度计敏感结构层水平面示意图（面积不对称方式）。
图4为MEMS加速度计止挡凸点结构示意图。
图5为抗Z轴冲击MEMS加速度计结构层水平面示意图。
图6为一种弹性接触结构示意图。
图7为对角梁形式弹性接触结构示意图。
图8为L型梁弹性接触结构示意图。
图9为多个弹性接触结构的抗Z轴冲击MEMS加速度计结构层水平面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
以Z轴电容式MEMS加速度计为例，Z轴电容式MEMS加速度计的敏感结构层水平面示意图如图1所示，Z轴电容式MEMS加速度计铅垂面剖面示意图如图2所示。
加速度计质量块101通过梁结构102连接到锚点结构103上。锚点结构103将质量块101和梁结构102悬浮于检测电极106上。设计在质量块101上刻蚀去除部分质量110，使得质量块101在绕梁结构102的轴两侧的质量不等。当外界输入Z轴加速度时，两侧不等的质量产生绕梁结构102所在轴的扭转力矩，质量块101在Z轴加速度作用下绕梁结构102发生偏转，布置在质量块下方两侧的检测电极106a和106b检测出偏转角度，进而可以推算出Z轴输入加速度。
质量块101关于梁结构102的不对称质量，也可以通过将梁结构102布置在偏离质量块101对称轴的位置上来实现，如图3所示。
当存在Z轴强冲击或强振动时，质量块101在冲击或振动作用下可能会与检测电极106发生强烈碰撞。强烈碰撞可能会造成碰撞接触部位发生破碎或断裂。为避免该情况的发生，常用的设计方法为在质量块下方设计加工出高于检测电极106的止挡凸点结构201a和201b，如图4所示。但由于止挡凸点结构和与其接触的质量块101均为刚性结构，不易发生变形，因此强冲击条件下的止挡结构与质量块下底面碰撞后，易造成凸点结构破损或断裂。
为提高器件抗Z轴强冲击或振动的能力，避免Z轴强冲击或振动产生的失效，本专利设计了一种垂直方向抗冲击止挡结构。设计在质量块101上加工出弹性接触结构202a、202b，如图5所示，弹性接触结构202a、202b均由缓冲弹性梁结构301和止挡接触面结构302构成，如图6所示。弹性接触结构202a、202b位于止挡凸点结构201a、201b上方的质量块101中。当存在Z轴强冲击或强振动时，质量块101在冲击或振动作用下发生偏转，止挡凸点结构201a、201b分别对应与弹性接触结构202a、202b中的止挡接触面结构302碰撞接触。由于缓冲弹性梁结构301易发生变形，进而可以实现弹性接触结构202与止挡凸点结构201a、201b接触后运动距离的增加，同时延长了接触作用时间，实现了对碰撞接触作用力和能量的缓冲释放。
通过仿真优化设计，可以根据抗冲击和振动要求，设计缓冲弹性梁结构301，使得其在碰撞后变形的位移在合理范围内。较为合理的变形范围为既保证碰撞后结构不发生破损或断裂，又保证变形位移不过大而使得质量块与检测电极发生接触。
弹性接触结构的缓冲弹性梁结构301还可以根据要求设计成对角固定梁结构形式如图7所示，或L型梁结构形式如图8所示。
弹性接触结构在质量块101的布置位置可以根据需要设计成多个位置，如图9所示。
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MEMS器件抗冲击止挡结构，其特征是，包括通过梁结构连接到锚点结构上的质量块；锚点结构将质量块和梁结构悬浮于检测电极上；在检测电极周边设置高度高于检测电极并且朝向质量块的止挡凸点结构；质量块上朝向止挡凸点结构的位置设置弹性接触结构。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS器件抗冲击止挡结构，其特征是，所述弹性接触结构包括一可与止挡凸点结构相接触的止挡接触面和将止挡接触面支撑在质量块上的多根弹性梁。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS器件抗冲击止挡结构，其特征是，多根弹性梁围绕止挡接触面呈轴对称或中心对称分布。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS器件抗冲击止挡结构，其特征是，止挡凸点结构设置在衬底层和/或盖帽上。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS器件抗冲击止挡结构，其特征是，弹性接触结构与质量块采用相同工艺加工成型。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS器件抗冲击止挡结构，其特征是，弹性接触结构与质量块采用相同工艺、同时加工成型。
7.根据权利要求4所述的一种MEMS器件抗冲击止挡结构，其特征是，衬底层和/或盖帽上对应的止挡凸点结构与所在的衬底层和/或盖帽采用相同工艺加工成型。
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