CN110921611B - 一种低横向灵敏度的mems弹簧质量结构 - Google Patents

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Abstract

一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，采用MEMS体硅工艺加工而成，包括基座、第一MEMS弹簧、横向稳定质量块、第二MEMS弹簧和中心检测质量块，基座通过第一MEMS弹簧与横向稳定质量块的外侧连接，横向稳定质量块的内侧通过第二MEMS弹簧与中心检测质量块相接；所述的第一MEMS弹簧采用分体梁式结构，由八段同样规格短梁呈中心对称分布构成；所述的横向稳定质量块为分体式块状结构，由四个L型分质量块呈中心对称分布构成，在受横向力作用时，其中心检测敏感质量块能始终保持水平状态，提高传感器测量精度。

Description

一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域，特别涉及一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构。
背景技术
MEMS弹簧质量结构作为位移、力、加速度等物理量的直接感知机构，很大程度上决定了传感器的测量精度、工作带宽、灵敏度及量程等性能指标；其中横向灵敏度作为评价传感器性能的一项重要指标，是传感器测量不确定度的重要影响因素。
分辨率及灵敏度是传感器的重要性能评判指标，因此在传感器研制时，为了提高传感器的分辨率及灵敏度，需要将弹簧质量结构的本征频率设计的很低，通常做法为尽可能的降低弹簧刚度和增大惯性质量块的质量。这就造成了许多MEMS传感器在设计时，其弹簧的厚度远远小于惯性质量块的厚度，基于这种结构的传感器其灵敏度的确很高，但同时，由于其梁式弹簧的中性面与惯性质量块的质心处于不同平面，造成基于该弹簧质量结构的MEMS传感器在受横向力作用时，其惯性质量块会发生转动，而质量块在受横向力作用发生的转动和受纵向(敏感轴方向)力作用发生的上下移动的效果相同，均会造成传感器输出的变化，使得传感器产生横向灵敏度，最终导致传感器的测量精度降低。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，在受横向力作用时，其中心检测敏感质量块能始终保持水平状态，从而提高传感器测量精度。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，采用MEMS体硅工艺加工而成，包括基座1、第一MEMS弹簧2、横向稳定质量块3、第二MEMS弹簧4和中心检测质量块5，基座1通过第一MEMS弹簧2与横向稳定质量块3的外侧连接，横向稳定质量块3的内侧通过第二MEMS弹簧4与中心检测质量块5相接。
所述的第一MEMS弹簧2采用分体梁式结构，由八段同样规格短梁呈中心对称分布构成，短梁的外侧分别以锚点2-1、锚点2-2、锚点2-3、锚点2-4、锚点2-5、锚点2-6、锚点2-7、锚点2-8内接于基座1，短梁的内侧分别以锚点2-9、锚点2-10、锚点2-11、锚点2-12、锚点2-13、锚点2-14、锚点2-15、锚点2-16外接于横向稳定质量块3。
所述的短梁的长度l1＝1000μm，梁宽w1＝25μm，梁厚t1＝20μm。
所述的横向稳定质量块3为分体式块状结构，由四个L型分质量块呈中心对称分布构成，每个L型分质量块上加工有两个矩形缺口3-1，L型分质量块的纵向跨度尺寸l2与横向跨度尺寸l3相等，l2＝l3＝3275μm，L型分质量块拐角顶点到矩形缺口3-1的距离l4＝1500μm。
所述的第二MEMS弹簧4为联通一体梁式结构，其外侧以锚点4-1、锚点4-2、锚点4-3、锚点4-4、锚点4-5、锚点4-6、锚点4-7、锚点4-8内接于横向稳定质量块3，内侧以锚点4-9、锚点4-10、锚点4-11、锚点4-12外接于中心检测质量块5；第二MEMS弹簧4到横向稳定质量块3的距离l5＝246μm，第二MEMS弹簧4对向分段梁之间的距离l6＝3492μm，第二MEMS弹簧4到中心检测质量块5的距离l7＝271.5μm，梁宽w2＝25μm，梁厚t2＝20μm。
所述的低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构中的基座1与第一MEMS弹簧2，第一MEMS弹簧2与横向稳定质量块3，横向稳定质量块3与第二MEMS弹簧4，第二MEMS弹簧4与中心检测质量块5以及第二MEMS弹簧4内部各分段梁的连接处均采用圆弧倒角6过渡，以降低应力集中，圆弧倒角6的圆弧半径为r＝25μm。
所述的中心检测质量块5形状为正方形，其边长为l8＝2495μm。
本发明的有益效果为：
本发明采用分体式惯性质量块结构，其中，横向稳定质量块3在感知待测物理量的同时可以有效隔绝横向力传至内侧中心检测质量块5，从而降低了弹簧质量结构横向灵敏度。同时本发明采用MEMS体硅工艺制造，具有灵敏度高，可批量生产等优点。
附图说明
图1为本发明的俯视图。
图2为本发明第一MEMS弹簧2与基座1及横向稳定质量块3的连接锚点示意图。
图3为本发明横向稳定质量块3的俯视图。
图4为本发明第二MEMS弹簧4与横向稳定质量块3及中心检测质量块5的连接锚点示意图。
图5为本发明第二MEMS弹簧4与横向稳定质量块3连接处的局部放大图。
图6为本发明的尺寸标注示意图。
图7(a)为本发明去除基座1后的弹簧质量结构示意图，(b)简化后的弹簧质量结构示意图，(c)为本发明简化后结构受横向力作用时中心检测质量块能保持水平的原理分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细描述。
参照图1，一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，包括基座1、第一MEMS弹簧2、横向稳定质量块3、第二MEMS弹簧4和中心检测质量块5，基座1通过第一MEMS弹簧2与横向稳定质量块3的外侧连接，横向稳定质量块3的内侧通过第二MEMS弹簧4与中心检测质量块5相接；工作模式为：在受到敏感轴(Z轴)方向力作用时，基座1保持静止，而横向稳定质量块3和中心检测质量块5在力的作用下上下移动。
所述的低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，采用MEMS体硅工艺加工而成，工艺过程包括双面对准光刻和深反应离子刻蚀(DRIE)，其中双面对准光刻的目的是制作深反应离子刻蚀的掩蔽，并图形化质量块和梁的形状；而深反应离子刻蚀作用是在单晶硅晶圆上刻蚀并释放质量块和梁的结构，实际操作时，采用逐步分离的深反应离子刻蚀方法，以保证刻蚀均匀性。
参照图2和图6，所述的第一MEMS弹簧2采用分体梁式结构，由八段同样规格短梁呈中心对称分布构成，短梁的外侧分别以锚点2-1、锚点2-2、锚点2-3、锚点2-4、锚点2-5、锚点2-6、锚点2-7、锚点2-8内接于基座1，短梁的内侧分别以锚点2-9、锚点2-10、锚点2-11、锚点2-12、锚点2-13、锚点2-14、锚点2-15、锚点2-16外接于横向稳定质量块3。
所述的短梁的长度l1＝1000μm，梁宽w1＝25μm，梁厚t1＝20μm。
参照图3和图6，所述的横向稳定质量块3为分体式块状结构，由四个L型分质量块呈中心对称分布构成，当受到非敏感轴方向的横向力作用时，四个L型分质量块发生扭转；每个L型分质量块上加工有两个矩形缺口3-1，其目的为增加第一MEMS弹簧2每段短梁的长度，以降低弹簧刚度，提高弹簧质量块灵敏度；L型分质量块的纵向跨度尺寸l2与横向跨度尺寸l3相等，即，l2＝l3＝3275μm，L型分质量块拐角顶点到矩形缺口3-1的距离l4＝1500μm。
参照图4和图6，所述的第二MEMS弹簧4为联通一体梁式结构，其外侧以锚点4-1、锚点4-2、锚点4-3、锚点4-4、锚点4-5、锚点4-6、锚点4-7、锚点4-8内接于横向稳定质量块3，内侧以锚点4-9、锚点4-10、锚点4-11、锚点4-12外接于中心检测质量块5；第二MEMS弹簧4到横向稳定质量块3的距离l5＝246μm，第二MEMS弹簧4对向分段梁之间的距离l6＝3492μm，第二MEMS弹簧4到中心检测质量块5的距离l7＝271.5μm，梁宽w2＝25μm，梁厚t2＝20μm。
参照图5和图6，所述的低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构中的基座1与第一MEMS弹簧2，第一MEMS弹簧2与横向稳定质量块3，横向稳定质量块3与第二MEMS弹簧4，第二MEMS弹簧4与中心检测质量块5以及第二MEMS弹簧4内部各分段梁的连接处均采用圆弧倒角6过渡，以降低应力集中，圆弧倒角6的圆弧半径为r＝25μm。
所述的中心检测质量块5形状为正方形，其边长为l8＝2495μm。
本发明的工作原理为：
参照图7，图7(a)中横向稳定质量块3左侧的两个L型分质量块构成m1，中心检测质量块5构成m2，横向稳定质量块3右侧的两个L型分质量块构成m3，对图7(a)进行简化绘制出图7(b)，图7(b)中第一MEMS弹簧2与第二MEMS弹簧4的纵向梁构成beam1和beam3，第二MEMS弹簧4与中心检测质量块5连接的横向梁构成beam2，在受横向力作用时，m1能始终保持水平状态。当MEMS弹簧质量结构受到横向力作用时，m1、m2、m3均发生逆时针转动；当m1绕beam1逆时针转动时，其右侧上升，同时会给beam2提供一个向上的力，从而会抬高m2的左侧；当m3绕beam3逆时针转动时，其左侧下降，同时会给beam2提供一个向下的力，从而会压低m2的右侧；在m1和m3的联合作用下，m2会发生顺时针转动，令其转动角度为θ1；而m2自身在横向加速度的作用下会发生逆时针转动，导致其左侧下降，右侧上升，令其转动角度为θ2；当m1、m2、m3的重量以及beam1、beam2、beam3的长、宽、厚度满足一定条件时，θ1等于θ2，即m2保持水平。

Claims (6)

1.一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，其特征在于：采用MEMS体硅工艺加工而成，包括基座(1)、第一MEMS弹簧(2)、横向稳定质量块(3)、第二MEMS弹簧(4)和中心检测质量块(5)，基座(1)通过第一MEMS弹簧(2)与横向稳定质量块(3)的外侧连接，横向稳定质量块(3)的内侧通过第二MEMS弹簧(4)与中心检测质量块(5)相接；
所述的横向稳定质量块(3)为分体式块状结构，由四个L型分质量块呈中心对称分布构成，每个L型分质量块上加工有两个矩形缺口(3-1)，L型分质量块的纵向跨度尺寸l2与横向跨度尺寸l3相等，l2＝l3＝3275μm，L型分质量块拐角顶点到矩形缺口(3-1)的距离l4＝1500μm。
2.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，其特征在于：所述的第一MEMS弹簧(2)采用分体梁式结构，由八段同样规格短梁呈中心对称分布构成，短梁的外侧分别以锚点2-1、锚点2-2、锚点2-3、锚点2-4、锚点2-5、锚点2-6、锚点2-7、锚点2-8内接于基座(1)，短梁的内侧分别以锚点2-9、锚点2-10、锚点2-11、锚点2-12、锚点2-13、锚点2-14、锚点2-15、锚点2-16外接于横向稳定质量块(3)。
3.根据权利要求2所述的一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，其特征在于：所述的短梁的长度l1＝1000μm，梁宽w1＝25μm，梁厚t1＝20μm。
4.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，其特征在于：所述的第二MEMS弹簧(4)为联通一体梁式结构，其外侧以锚点4-1、锚点4-2、锚点4-3、锚点4-4、锚点4-5、锚点4-6、锚点4-7、锚点4-8内接于横向稳定质量块(3)，内侧以锚点4-9、锚点4-10、锚点4-11、锚点4-12外接于中心检测质量块(5)；第二MEMS弹簧(4)到横向稳定质量块(3)的距离l5＝246μm，第二MEMS弹簧(4)对向分段梁之间的距离l6＝3492μm，第二MEMS弹簧(4)到中心检测质量块(5)的距离l7＝271.5μm，梁宽w2＝25μm，梁厚t2＝20μm。
5.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，其特征在于：所述的低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构中的基座(1)与第一MEMS弹簧(2)，第一MEMS弹簧(2)与横向稳定质量块(3)，横向稳定质量块(3)与第二MEMS弹簧(4)，第二MEMS弹簧(4)与中心检测质量块(5)以及第二MEMS弹簧(4)内部各分段梁的连接处均采用圆弧倒角(6)过渡，以降低应力集中，圆弧倒角(6)的圆弧半径为r＝25μm。
6.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的MEMS弹簧质量结构，其特征在于：所述的中心检测质量块(5)形状为正方形，其边长为l8＝2495μm。
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