CN114234949B - 一种具有应变自抵消的抗过载mems可动结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构，包括：第一可动质量块、第二可动质量块、第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元、第四结构单元、第一抗过载固定锚区、第二抗过载固定锚区、第一抗过载应变梁、第二抗过载应变梁、第一抗过载支撑梁和第二抗过载支撑梁；其中，第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元的结构相同，均包括质量块梳齿、驱动梳齿、驱动梳齿锚区、转动振动梁、转动调整梁、弯曲振动梁固定锚区、弯曲振动梁、应力释放梁。本发明避免可动MEMS结构在运动方向受到大冲击时，由于结构位移过大造成结构断裂，可应用于MEMS陀螺结构设计中，提高结构抗过载特性，提高谐振频率稳定性，降低驱动检测正交耦合。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)制造技术领域，尤其涉及一种具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构。
背景技术
MEMS器件是近二十年来发展起来的一种新型微机械仪表，其利用半导体工艺加工技术加工微机械结构。一种典型的MEMS器件由可动质量块结构、弹性梁、锚区、电极等构成，通过不同结构设计其可以实现对力、位移、角速度等物理量的测量，也可以实现谐振器、滤波器等功能，满足不同应用的需求。
谐振式MEMS器件通过驱动电极控制可动MEMS结构运动，从而满足某种特定的需求，MEMS陀螺仪是其中典型的代表。MEMS陀螺工作过程中需要有足够的位移幅度，来保证陀螺性能，采用较低刚度的弹性梁可提高陀螺检测灵敏度。然而弹性梁刚度较低，当陀螺仪受到较大的外界冲击时，质量块在运动方向会产生大位移，可能会与其他结构发生撞击或因弹性梁形变过大造成结构损伤。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构，避免可动MEMS结构在运动方向受到大冲击时，由于结构位移过大造成结构断裂。可应用于MEMS陀螺结构设计中，提高结构抗过载特性，提高谐振频率稳定性，降低驱动检测正交耦合。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构，包括：第一可动质量块、第二可动质量块、第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元、第四结构单元、第一抗过载固定锚区、第二抗过载固定锚区、第一抗过载应变梁、第二抗过载应变梁、第一抗过载支撑梁和第二抗过载支撑梁；其中，第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元的结构相同，均包括质量块梳齿、驱动梳齿、驱动梳齿锚区、转动振动梁、转动调整梁、弯曲振动梁固定锚区、弯曲振动梁、应力释放梁；第一结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的左上部，第二结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的右上部，第三结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的左下部，第四结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的右下部；第一可动质量块通过第一结构单元的转动调整梁、第一抗过载应变梁、第一结构单元的转动振动梁、第一抗过载支撑梁与第一抗过载固定锚区连结；第一可动质量块通过第二结构单元的转动调整梁、第一抗过载应变梁、第二结构单元的转动振动梁、第一抗过载支撑梁与第一抗过载固定锚区连结；第二可动质量块通过第三结构单元的转动调整梁、第二抗过载应变梁、第三结构单元的转动振动梁、第二抗过载支撑梁与第二抗过载固定锚区连结；第二可动质量块通过第四结构单元的转动调整梁、第二抗过载应变梁、第四结构单元的转动振动梁、第二抗过载支撑梁与第二抗过载固定锚区连结；第一可动质量块通过第一结构单元的应力释放梁、第一结构单元的弯曲振动梁与第一结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；第一可动质量块通过第二结构单元的应力释放梁、第二结构单元的弯曲振动梁与第二结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；第二可动质量块通过第三结构单元的应力释放梁、第三结构单元的弯曲振动梁与第三结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；第二可动质量块通过第四结构单元的应力释放梁、第四结构单元的弯曲振动梁与第四结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；第一可动质量块与第一结构单元的质量块梳齿连结，第一结构单元的驱动梳齿与第一结构单元的驱动梳齿锚区连结，第一结构单元的质量块梳齿与第一结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容；第一可动质量块与第二结构单元的质量块梳齿连结，第二结构单元的驱动梳齿与第二结构单元的驱动梳齿锚区连结，第二结构单元的质量块梳齿与第二结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容；第二可动质量块与第三结构单元的质量块梳齿连结，第三结构单元的驱动梳齿与第三结构单元的驱动梳齿锚区连结，第三结构单元的质量块梳齿与第三结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容；第二可动质量块与第四结构单元的质量块梳齿连结，第四结构单元的驱动梳齿与第四结构单元的驱动梳齿锚区连结，第四结构单元的质量块梳齿与第四结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，以具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的中心为原点，以平行于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的长的直线为X轴，垂直于X轴的直线为Y轴；具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构以X轴上下对称，以Y轴左右对称。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，第一抗过载固定锚区、第二抗过载固定锚区、第一抗过载应变梁、第二抗过载应变梁、第一抗过载支撑梁和第二抗过载支撑梁位于结构水平方向中轴线上；第一抗过载固定锚区、第一抗过载应变梁和第一抗过载支撑梁位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的左中部；第二抗过载固定锚区、第二抗过载应变梁和第二抗过载支撑梁位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的右中部。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，所述弯曲振动梁固定锚区与所述转动调整梁中心在同一y轴高度。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，第一结构单元的转动调整梁、第二结构单元的转动调整梁、第三结构单元的转动调整梁和第四结构单元的转动调整梁均为倒山字型结构；其中，第一结构单元的转动调整梁的中心梁和第三结构单元的转动调整梁的中心梁分别连结在第一抗过载应变梁；第二结构单元的转动调整梁的中心梁和第四结构单元的转动调整梁的中心梁分别连结在第二抗过载应变梁。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，所述第一抗过载支撑梁、第二抗过载支撑梁、转动振动梁和转动调整梁的宽度均为4μm～8μm；所述抗过载应变梁的宽度20μm～50μm；弯曲振动梁和应力释放梁的宽度均为6μm～15μm。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，所述应力释放梁的长度小于弯曲振动梁的长度的1/3；所述抗过载锚区的面积大于弯曲振动梁锚区的面积。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，在第一结构单元的质量块梳齿和第一结构单元的驱动梳齿构成的第一驱动电容与第二结构单元的质量块梳齿和第二结构单元的驱动梳齿构成的第二驱动电容上，施加高压直流和频率相同、相位相差180°的低压交流信号，对第一可动质量块提供静电力，可使第一可动质量块在X轴方向振动，并通过各结构单元的转动调整梁、第一抗过载应变梁、第二抗过载应变梁带动第二可动质量块在X轴方向运动；在第三结构单元的质量块梳齿和第三结构单元的驱动梳齿构成的第三驱动电容与第四结构单元的质量块梳齿和第四结构单元的驱动梳齿构成的第四驱动电容上，施加高压直流和频率相同、相位相差180°的低压交流信号，对第二可动质量块提供静电力，可使第二可动质量块在X轴方向振动，并通过各结构单元的转动调整梁、第一抗过载应变梁、第二抗过载应变梁带动第一可动质量块在X轴方向运动。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，第一驱动电容与第四驱动电容上所施加交流信号的相位相同，并与第二驱动电容及第三驱动电容上所施加的交流信号相位相差180°，使第一可动质量块和第二可动质量块分别在X轴方向振动，且振动频率相同，振动方向时刻相反；调节低压交流信号的频率，使其与结构的固有振动频率一致，可使结构产生谐振，达到最大振幅；此时各结构单元的弯曲振动梁、转动振动梁、第一抗过载支撑梁与第二抗过载支撑梁弯曲形变，产生弹性回复力，提供结构谐振过程的主要弹性刚度。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元均还包括第一驱动拾振梳齿锚区；其中，在第一驱动拾振梳齿锚区上连结有第一驱动拾振梳齿，所述第一驱动拾振梳齿与质量块梳齿构成可变面积电容的驱动拾振电容；当可动质量块运动时，同一结构单元内驱动电容和驱动拾振电容同时增大，同时减小。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元均还包括第二驱动拾振梳齿锚区，在第二驱动拾振梳齿锚区上连结有第二驱动拾振梳齿，所述第二驱动拾振梳齿与质量块梳齿构成可变面积电容的驱动拾振电容；当可动质量块运动时，同一结构单元内若驱动电容增大，驱动拾振电容减小，若驱动电容减小，驱动拾振电容增大。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，在结构竖直方向上半部分和下半部分的中轴线上含有第三驱动拾振梳齿锚区，在第三驱动拾振梳齿锚区上连结有第三驱动拾振梳齿，所述第三驱动拾振梳齿与质量块梳齿构成可变面积电容的驱动拾振电容。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，在结构各个部分的驱动电容上施加高压直流和频率相同的低压交流信号，其中结构左上部分的第一驱动电容与右下部分的第四驱动电容上所施加交流信号的相位相同，并与结构右上部分第二驱动电容及左下部分的第三驱动电容上所施加的交流信号相位相差180°，使第一可动质量块和第二可动质量块分别在X轴方向振动，且振动频率相同，振动方向时刻相反；质量块运动带动驱动拾振电容发生变化，通过CV转换电路，可将驱动拾振电容的变化转化为与所施加交流信号同频的交流信号，交流信号的幅值与质量块运动的位移幅度成正比，通过闭环反馈电路动态调节施加在各结构单元驱动电容上的交流信号幅值，可使驱动拾振电容上检测出来的交流信号幅值保持稳定，从而使质量块运动位移幅度保持稳定；调节低压交流信号的频率，使其与结构的固有振动频率一致，可使结构产生谐振，达到最大振幅；此时各结构单元弯曲振动梁、转动振动梁、第一抗过载支撑梁与第二抗过载支撑梁弯曲形变，产生弹性回复力，提供结构谐振过程的主要弹性刚度；第一抗过载应变梁和第二抗过载应变梁倾斜转动，放大转动位移量。
上述具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构中，结构受到X轴方向高过载冲击时，第一可动质量块和第二可动质量块向相同方向运动，弯曲振动梁、转动振动梁、抗过载应变梁弯曲形变，产生弹性回复力；结构受到Y轴方向高过载冲击时，第一可动质量块和第二可动质量块向相同方向运动，应力释放梁、振动调整梁弯曲形变，产生弹性回复力。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用刚度较高的抗过载应变梁连接上下两个质量块，MEMS可动结构工作过程，上下两个质量块沿X轴方向向相反的方向运动。抗过载应变梁在转动振动梁和抗过载支撑梁的带动下倾斜转动，产生形变较小。当结构受X向冲击时，上下两个质量块同方向运动，抗过载应变梁弯曲形变，刚度高，降低弹性梁应变，限制结构大位移，避免结构损伤。
(2)本发明的MEMS可动结构工作过程中，上下两个质量块沿X轴方向向相反的方向运动，质量块中间的弯曲振动梁和质量块两侧的转动振动梁及抗过载支撑梁共同提供结构谐振工作过程中的刚度，并由振动调整梁对质量块受力进行调整，降低结构受Y轴方向的弹性力；且振动调整梁与弯曲振动梁锚区中心在同一Y轴高度上，质量块受力穿过结构中心，避免质量块在Y方向运动。
(3)本发明在弯曲振动梁锚区上下各设计一组弯曲振动梁和应力释放梁，且形状与尺寸完全相同，弯曲振动梁设计为多根并联进一步提高扭转刚度，降低质量块在X方向运动过程中发生扭转的幅度。当外界温度变化或器件受到的压力变化时，应力释放梁的设计降低了弯曲振动梁上的内应力，降低谐振梁刚度变化，提高谐振频率稳定性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例一提供的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的示意图；
图2是本发明实施例二提供的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的示意图；
图3是本发明实施例三提供的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的示意图；
图4是本发明实施例四提供的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的示意图。如图1所示，该具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构包括：第一可动质量块110、第二可动质量块120、第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元、第四结构单元、第一抗过载固定锚区51、第二抗过载固定锚区52、第一抗过载应变梁61、第二抗过载应变梁62、第一抗过载支撑梁71和第二抗过载支撑梁72。其中，
第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元的结构相同，均包括质量块梳齿2、驱动梳齿3、驱动梳齿锚区4、转动振动梁8、转动调整梁9、弯曲振动梁固定锚区10、弯曲振动梁11、应力释放梁12。
第一结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的左上部，第二结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的右上部，第三结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的左下部，第四结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的右下部。
第一可动质量块110通过第一结构单元的转动调整梁、第一抗过载应变梁61、第一结构单元的转动振动梁、第一抗过载支撑梁71与第一抗过载固定锚区51连结；第一可动质量块110通过第二结构单元的转动调整梁、第一抗过载应变梁61、第二结构单元的转动振动梁、第一抗过载支撑梁71与第一抗过载固定锚区51连结；第二可动质量块120通过第三结构单元的转动调整梁、第二抗过载应变梁62、第三结构单元的转动振动梁、第二抗过载支撑梁72与第二抗过载固定锚区52连结；第二可动质量块120通过第四结构单元的转动调整梁、第二抗过载应变梁62、第四结构单元的转动振动梁、第二抗过载支撑梁72与第二抗过载固定锚区52连结。
第一可动质量块110通过第一结构单元的应力释放梁、第一结构单元的弯曲振动梁与第一结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；第一可动质量块110通过第二结构单元的应力释放梁、第二结构单元的弯曲振动梁与第二结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；第二可动质量块120通过第三结构单元的应力释放梁、第三结构单元的弯曲振动梁与第三结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；第二可动质量块120通过第四结构单元的应力释放梁、第四结构单元的弯曲振动梁与第四结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结。
第一可动质量块110与第一结构单元的质量块梳齿连结，第一结构单元的驱动梳齿与第一结构单元的驱动梳齿锚区连结，第一结构单元的质量块梳齿与第一结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容；第一可动质量块110与第二结构单元的质量块梳齿连结，第二结构单元的驱动梳齿与第二结构单元的驱动梳齿锚区连结，第二结构单元的质量块梳齿与第二结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容；第二可动质量块120与第三结构单元的质量块梳齿连结，第三结构单元的驱动梳齿与第三结构单元的驱动梳齿锚区连结，第三结构单元的质量块梳齿与第三结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容；第二可动质量块120与第四结构单元的质量块梳齿连结，第四结构单元的驱动梳齿与第四结构单元的驱动梳齿锚区连结，第四结构单元的质量块梳齿与第四结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容。
以具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的中心为原点，以平行于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的长的直线为X轴，垂直于X轴的直线为Y轴；具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构以X轴上下对称，以Y轴左右对称。
第一抗过载固定锚区51、第二抗过载固定锚区52、第一抗过载应变梁61、第二抗过载应变梁62、第一抗过载支撑梁71和第二抗过载支撑梁72位于结构水平方向中轴线上；第一抗过载固定锚区51、第一抗过载应变梁61和第一抗过载支撑梁71位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的左中部；第二抗过载固定锚区52、第二抗过载应变梁62和第二抗过载支撑梁72位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的右中部。
弯曲振动梁固定锚区10上下两侧各有一组弯曲振动梁11、应力释放梁12，且两侧结构形状和尺寸完全相同。
弯曲振动梁固定锚区10与转动调整梁9中心在同一y轴高度。
转动调整梁9为倒“山”字型结构。倒“山”字形中心梁连结在抗过载应变梁6上，两侧梁连结在质量块1上。
抗过载应变梁6包括宽度不同的几段，且分别与转动调整梁9、转动振动梁8、抗过载支撑梁7连结。
抗过载支撑梁7、转动振动梁8、转动调整梁9宽度4μm～8μm；抗过载应变梁6各段宽度20μm～50μm。弯曲振动梁11、应力释放梁12宽度6μm～15μm。所述应力释放梁12单侧的长度小于弯曲振动梁11的长度的1/3。抗过载锚区5尺寸大于弯曲振动梁锚区10尺寸。
在第一结构单元的质量块梳齿2和第一结构单元的驱动梳齿3构成的第一驱动电容与第二结构单元的质量块梳齿2和第二结构单元的驱动梳齿3构成的第二驱动电容上，施加高压直流和低压交流信号，对第一可动质量块提供静电力，可使第一可动质量块在X轴方向振动。
在第三结构单元的质量块梳齿2和第三结构单元的驱动梳齿3构成的第三驱动电容与第四结构单元的质量块梳齿2和第四结构单元的驱动梳齿3构成的第四驱动电容上，施加高压直流和低压交流信号，对第二可动质量块提供静电力，可使第二可动质量块在X轴方向振动。
在结构上半部分的驱动电容上和下半部分的驱动电容上施加高压直流和频率相同、相位相差180°的低压交流信号，使第一可动质量块和第二可动质量块分别在X轴方向振动，且振动频率相同，振动方向时刻相反；结构上半部分的驱动电容包括第一驱动电容和第二驱动电容，结构下半部分的驱动电容包括第三驱动电容和第四驱动电容。
调节低压交流信号的频率，使其与结构的固有振动频率一致，可使结构产生谐振，达到最大振幅；此时弯曲振动梁11、转动振动梁8、抗过载支撑梁9弯曲形变，产生弹性回复力，提供结构谐振过程的主要弹性刚度；抗过载应变梁6倾斜转动，放大转动位移量。抗过载应变梁6形变量极小，产生弹性回复力极小。
结构受到X轴方向高过载冲击时，上下两个质量块1向相同方向运动，弯曲振动梁11、转动振动梁8、抗过载应变梁6弯曲形变，产生弹性回复力。抗过载应变梁6宽度远大于弯曲振动梁11，转动振动梁8，产生的弹性回复力大，提供主要弯曲刚度，降低弹性梁应变，限制结构大位移，避免结构损伤。抗过载固定锚区5承受结构主要冲击应力。
结构受到Y轴方向高过载冲击时，上下两个质量块1向相同方向运动，应力释放梁12、振动调整梁9弯曲形变，产生弹性回复力。提供主要弯曲刚度，应力释放梁12、振动调整梁9长度较短，刚度较高，限制结构大位移，避免结构损伤。抗过载固定锚区5与弯曲振动梁锚区10共同承受结构冲击应力。
如图2所示，第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元均还含有第一驱动拾振梳齿锚区131，在第一驱动拾振梳齿锚区131上连结有第一驱动拾振梳齿141，所述第一驱动拾振梳齿141与质量块梳齿2构成可变面积电容的驱动拾振电容。当可动质量块运动时，同一结构单元内驱动电容和驱动拾振电容同时增大，同时减小。
如图3所示，第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元均还含有第二驱动拾振梳齿锚区132，在第二驱动拾振梳齿锚区132上连结有第二驱动拾振梳齿142，所述第二驱动拾振梳齿142与质量块梳齿2构成可变面积电容的驱动拾振电容。当可动质量块运动时，同一结构单元内若驱动电容增大，驱动拾振电容减小，若驱动电容减小，驱动拾振电容增大。
如图4所示，在结构竖直方向上半部分和下半部分的中轴线上含有第三驱动拾振梳齿锚区133，在第三驱动拾振梳齿锚区133上连结有第三驱动拾振梳齿143，所述第三驱动拾振梳齿143与质量块梳齿2构成可变面积电容的驱动拾振电容。
在结构各个部分的驱动电容上施加高压直流和频率相同的低压交流信号，其中结构左上部分的第一驱动电容与右下部分的第四驱动电容驱动电容上所施加交流信号的相位相同，并与结构右上部分第二驱动电容及左下部分的第三驱动电容上所施加的交流信号相位相差180°，使第一可动质量块和第二可动质量块分别在X轴方向振动，且振动频率相同，振动方向时刻相反。
质量块运动带动驱动拾振电容发生变化，通过CV转换电路，可将驱动拾振电容的变化转化为与所施加交流信号同频的交流信号，交流信号的幅值与质量块运动的位移幅度成正比，通过闭环反馈电路动态调节施加在各结构单元驱动电容上的交流信号幅值，可使驱动拾振电容上检测出来的交流信号幅值保持稳定，从而使质量块运动位移幅度保持稳定。
调节低压交流信号的频率，使其与结构的固有振动频率一致，可使结构产生谐振，达到最大振幅；此时各结构单元弯曲振动梁11、转动振动梁8、第一抗过载支撑梁71与第二抗过载支撑梁72弯曲形变，产生弹性回复力，提供结构谐振过程的主要弹性刚度；第一抗过载应变梁61和第二抗过载应变梁62倾斜转动，放大转动位移量。本发明采用刚度较高的抗过载应变梁连接上下两个质量块，MEMS可动结构工作过程质量块反向运动，抗过载应变梁倾斜转动，产生形变和弹性力较小。当结构受X向冲击时，质量块同向运动，抗过载应变梁弯曲形变，限制结构大位移，避免结构损伤。振动调整梁和弯曲振动梁设计，使质量块工作过程中受力穿过结构中心，避免质量块在Y方向运动或发生扭转。应力释放梁的设计降低了弯曲振动梁上的内应力，降低谐振梁刚度变化，提高谐振频率稳定性。本发明可应用于MEMS陀螺仪结构设计中，提高结构抗过载特性，提高谐振频率稳定性，降低驱动检测正交耦合。
本发明采用刚度较高的抗过载应变梁连接上下两个质量块，MEMS可动结构工作过程，上下两个质量块沿X轴方向向相反的方向运动。抗过载应变梁在转动振动梁和抗过载支撑梁的带动下倾斜转动，产生形变较小。当结构受X向冲击时，上下两个质量块同方向运动，抗过载应变梁弯曲形变，刚度高，降低弹性梁应变，限制结构大位移，避免结构损伤。
本发明的MEMS可动结构工作过程中，上下两个质量块沿X轴方向向相反的方向运动，质量块中间的弯曲振动梁和质量块两侧的转动振动梁及抗过载支撑梁共同提供结构谐振工作过程中的刚度，并由振动调整梁对质量块受力进行调整，降低结构受Y轴方向的弹性力；且振动调整梁与弯曲振动梁锚区中心在同一Y轴高度上，质量块受力穿过结构中心，避免质量块在Y方向运动。
本发明在弯曲振动梁锚区上下各设计一组弯曲振动梁和应力释放梁，且形状与尺寸完全相同，弯曲振动梁设计为多根并联进一步提高扭转刚度，降低质量块在X方向运动过程中发生扭转的幅度。当外界温度变化或器件受到的压力变化时，应力释放梁的设计降低了弯曲振动梁上的内应力，降低谐振梁刚度变化，提高谐振频率稳定性。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构，其特征在于包括：第一可动质量块(110)、第二可动质量块(120)、第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元、第四结构单元、第一抗过载固定锚区(51)、第二抗过载固定锚区(52)、第一抗过载应变梁(61)、第二抗过载应变梁(62)、第一抗过载支撑梁(71)和第二抗过载支撑梁(72)；其中，
第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元的结构相同，均包括质量块梳齿(2)、驱动梳齿(3)、驱动梳齿锚区(4)、转动振动梁(8)、转动调整梁(9)、弯曲振动梁固定锚区(10)、弯曲振动梁(11)、应力释放梁(12)；
第一结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的左上部，第二结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的右上部，第三结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的左下部，第四结构单元位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的右下部；
第一可动质量块(110)通过第一结构单元的转动调整梁、第一抗过载应变梁(61)、第一结构单元的转动振动梁、第一抗过载支撑梁(71)与第一抗过载固定锚区(51)连结；
第一可动质量块(110)通过第二结构单元的转动调整梁、第二抗过载应变梁(62)、第二结构单元的转动振动梁、第二抗过载支撑梁(72)与第二抗过载固定锚区(52)连结；
第二可动质量块(120)通过第三结构单元的转动调整梁、第一抗过载应变梁(61)、第三结构单元的转动振动梁、第一抗过载支撑梁(71)与第一抗过载固定锚区(51)连结；
第二可动质量块(120)通过第四结构单元的转动调整梁、第二抗过载应变梁(62)、第四结构单元的转动振动梁、第二抗过载支撑梁(72)与第二抗过载固定锚区(52)连结；
第一可动质量块(110)通过第一结构单元的应力释放梁、第一结构单元的弯曲振动梁与第一结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；
第一可动质量块(110)通过第二结构单元的应力释放梁、第二结构单元的弯曲振动梁与第二结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；
第二可动质量块(120)通过第三结构单元的应力释放梁、第三结构单元的弯曲振动梁与第三结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；
第二可动质量块(120)通过第四结构单元的应力释放梁、第四结构单元的弯曲振动梁与第四结构单元的弯曲振动梁固定锚区连结；
第一可动质量块(110)与第一结构单元的质量块梳齿连结，第一结构单元的驱动梳齿与第一结构单元的驱动梳齿锚区连结，第一结构单元的质量块梳齿与第一结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容；
第一可动质量块(110)与第二结构单元的质量块梳齿连结，第二结构单元的驱动梳齿与第二结构单元的驱动梳齿锚区连结，第二结构单元的质量块梳齿与第二结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容；
第二可动质量块(120)与第三结构单元的质量块梳齿连结，第三结构单元的驱动梳齿与第三结构单元的驱动梳齿锚区连结，第三结构单元的质量块梳齿与第三结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容；
第二可动质量块(120)与第四结构单元的质量块梳齿连结，第四结构单元的驱动梳齿与第四结构单元的驱动梳齿锚区连结，第四结构单元的质量块梳齿与第四结构单元的驱动梳齿间形成可变面积敏感电容；
以具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的中心为原点，以平行于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的长的直线为X轴，垂直于X轴的直线为Y轴；
具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构以X轴上下对称，以Y轴左右对称；
在第一结构单元的质量块梳齿(2)和第一结构单元的驱动梳齿(3)构成的第一驱动电容与第二结构单元的质量块梳齿(2)和第二结构单元的驱动梳齿(3)构成的第二驱动电容上，施加高压直流和频率相同、相位相差180°的低压交流信号，对第一可动质量块提供静电力，可使第一可动质量块在X轴方向振动，并通过各结构单元的转动调整梁(9)、第一抗过载应变梁(61)、第二抗过载应变梁(62)带动第二可动质量块在X轴方向运动；
在第三结构单元的质量块梳齿(2)和第三结构单元的驱动梳齿(3)构成的第三驱动电容与第四结构单元的质量块梳齿(2)和第四结构单元的驱动梳齿(3)构成的第四驱动电容上，施加高压直流和频率相同、相位相差180°的低压交流信号，对第二可动质量块提供静电力，可使第二可动质量块在X轴方向振动，并通过各结构单元的转动调整梁(9)、第一抗过载应变梁(61)、第二抗过载应变梁(62)带动第一可动质量块在X轴方向运动；
第一驱动电容与第四驱动电容上所施加交流信号的相位相同，并与第二驱动电容及第三驱动电容上所施加的交流信号相位相差180°，使第一可动质量块和第二可动质量块分别在X轴方向振动，且振动频率相同，振动方向时刻相反；
调节低压交流信号的频率，使其与结构的固有振动频率一致，可使结构产生谐振，达到最大振幅；此时各结构单元的弯曲振动梁(11)、转动振动梁(8)、第一抗过载支撑梁(71)与第二抗过载支撑梁(72)弯曲形变，产生弹性回复力，提供结构谐振过程的主要弹性刚度。
2.根据权利要求1所述的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构，其特征在于：第一抗过载固定锚区(51)、第二抗过载固定锚区(52)、第一抗过载应变梁(61)、第二抗过载应变梁(62)、第一抗过载支撑梁(71)和第二抗过载支撑梁(72)位于结构水平方向中轴线上；
第一抗过载固定锚区(51)、第一抗过载应变梁(61)和第一抗过载支撑梁(71)位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的左中部；
第二抗过载固定锚区(52)、第二抗过载应变梁(62)和第二抗过载支撑梁(72)位于具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构的右中部。
3.根据权利要求1所述的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构，其特征在于：所述弯曲振动梁固定锚区(10)与所述转动调整梁(9)中心在同一y轴高度。
4.根据权利要求1所述的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构，其特征在于：第一结构单元的转动调整梁、第二结构单元的转动调整梁、第三结构单元的转动调整梁和第四结构单元的转动调整梁均为倒山字型结构；其中，
第一结构单元的转动调整梁的中心梁和第三结构单元的转动调整梁的中心梁分别连结在第一抗过载应变梁(61)；
第二结构单元的转动调整梁的中心梁和第四结构单元的转动调整梁的中心梁分别连结在第二抗过载应变梁(62)。
5.根据权利要求1所述的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构，其特征在于：所述第一抗过载支撑梁、第二抗过载支撑梁、转动振动梁(8)和转动调整梁(9)的宽度均为4μm～8μm；所述第一抗过载应变梁(61)和第二抗过载应变梁(62)的宽度均为20μm～50μm；弯曲振动梁(11)和应力释放梁(12)的宽度均为6μm～15μm。
6.根据权利要求1所述的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构，其特征在于：所述应力释放梁(12)的长度小于弯曲振动梁(11)的长度的1/3。
7.如权利要求1所述的具有应变自抵消的抗过载MEMS可动结构，其特征在于：第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元均还包括第一驱动拾振梳齿锚区(131)；其中，在第一驱动拾振梳齿锚区(131)上连结有第一驱动拾振梳齿(141)，所述第一驱动拾振梳齿(141)与质量块梳齿(2)构成可变面积电容的驱动拾振电容；当可动质量块运动时，同一结构单元内驱动电容和驱动拾振电容同时增大，同时减小。
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