CN114279442A - 防止静电吸合的微机械检测结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种防止静电吸合的微机械检测结构，属于微机电系统技术领域，包括固定锚点及连接于固定锚点的固定梳齿、活动质量块以及连接于活动质量块的活动梳齿；活动梳齿与固定梳齿相互交叉，当敏感信号输入时，活动质量块偏移平衡位置，活动梳齿与固定梳齿之间形成电容差。其中，固定梳齿或/和活动梳齿上设有梳齿防静电吸合结构，以限制活动梳齿的偏移量，避免梳齿间静电吸合失效。本发明提供的防止静电吸合的微机械检测结构，能够有效的防止由于过载信号导致的静电力吸合失效，具有结构形式简单，加工方便等优点，可以显著提高MEMS惯性传感器的可靠性。

Description

防止静电吸合的微机械检测结构

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种防止静电吸合的微机械检测结构。

背景技术

MEMS(微机电系统,Micro-Electro-Mechanical System)惯性传感器是敏感物体惯性运动的器件，包括加速度计和陀螺仪，MEMS惯性传感主要应用于检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。由于采用了硅MEMS加工技术，MEMS惯性传感器具有体积小、重量轻、可靠性高、功耗低、成本低、可大批量生产等优点，被广泛的应用于航空航天、汽车工业、消费电子以及武器装备等领域。

MEMS惯性传感器在设计时为了抑制共模干扰信号，提高检测精度，通常敏感结构均采用梳齿式差分电容检测结构，结构形式，如图1(a)、图3(a)所示，包括支撑梁1、结构锚点2、止挡结构3、活动质量块4、活动梳齿5、固定梳齿7及梳齿锚点6。当无敏感信号输入时，活动梳齿位于固定梳齿中间，如图1(a)、图3(a)所示，活动梳齿5与固定梳齿7间形成的平板电容差值为零。当MEMS结构敏感到信号输入时，活动梳齿会偏离中间位置，如图1(b)、图3(b)所示，活动梳齿5与固定梳齿7间形成的平板电容差值将不再为零，调理电路通过检测和处理电容差值信号，最终实现敏感信号的检测。

在外界载荷下，活动结构与固定结构间常发生吸合失效，吸合失效是MEMS惯性传感器主要的失效形式之一，严重影响了MEMS惯性传感器的可靠性，引起吸合失效的主要原因有两种：

(1)活动质量由于惯性的作用发生偏移，表面效应使得活动结构与固定结构发生直接粘接，这种失效形式可通过在结构中加入如图1(b)中所示的止挡结构3解决。止挡结构3限制了活动梳齿5的位移量，进而避免了活动梳齿与固定梳齿间发生大面积接触并粘连。图1所示的止挡结构3能够限制活动质量的最大偏移量，防止由于表面效应引起的结构吸合失效。

(2)活动梳齿5与固定梳齿7间发生静电力吸合，此时梳齿间产生的静电力大于弹性支撑梁1提供的回复力，致使活动梳齿5无法回到平衡位置，如图3(b)所示。目前除了合理的设计结构形式，没有特别有效的方法来防止静电力吸合失效。

发明内容

本发明实施例提供一种防止静电吸合的微机械检测结构，旨在防止活动梳齿与固定梳齿间的静电吸合失效，提高MEMS惯性传感器的测量精度和检测精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种防止静电吸合的微机械检测结构，包括：

固定锚点及连接于所述固定锚点的固定梳齿；

活动质量块以及连接于所述活动质量块的活动梳齿；所述活动梳齿与所述固定梳齿相互交叉，当敏感信号输入时，所述活动质量块偏移平衡位置，所述活动梳齿与所述固定梳齿之间形成电容差；

其中，所述固定梳齿或/和所述活动梳齿上设有梳齿防静电吸合结构，以限制所述活动梳齿的偏移量，避免梳齿间静电吸合失效。

在一种可能的实现方式中，所述梳齿防静电吸合结构包括至少两个设置于所述固定梳齿上的梳齿防静电吸合块，所述梳齿防静电吸合块沿敏感信号输入方向及逆所述敏感信号输入方向向所述固定梳齿的两侧凸伸，以在敏感信号输入时，抵接相邻的所述活动梳齿，以使相邻的所述固定梳齿与所述活动梳齿之间留有防静电吸合失效的防静电吸合失效间隙。

在一种可能的实现方式中，至少一个所述梳齿防静电吸合块设置在所述固定梳齿远离所述固定锚点的悬臂端。

在一种可能的实现方式中，所述梳齿防静电吸合块具有抵接所述活动梳齿的接触平面，多个所述梳齿防静电吸合块的同一侧的接触平面构成共面，以保证相邻的所述固定梳齿与所述活动梳齿之间留有防静电吸合失效的防静电吸合失效间隙。

在一种可能的实现方式中，所述梳齿防静电吸合结构还包括至少两个设置于所述活动梳齿上的所述梳齿防静电吸合块。

在一种可能的实现方式中，梳齿防静电吸合失效关系式为：d-h＜S1；

其中，h为所述梳齿防静电吸合块在所述敏感信号输入方向的高度；

d为相邻的所述固定梳齿与所述活动梳齿的初始间隙；

S1为梳齿静电力曲线与支撑梁弹性回复力曲线交点处的活动梳齿位移。

在一种可能的实现方式中，所述梳齿防静电吸合块的断面为矩形结构。

在一种可能的实现方式中，所述固定梳齿上的梳齿防静电吸合块与所述活动梳齿上的梳齿防静电吸合块错位设置。

本发明提供的防止静电吸合的微机械检测结构，与现有技术相比，有益效果在于：在微机械检测结构中增加了梳齿防静电吸合结构，当有惯性敏感信号输入时，信号调理电路通过检测和处理电容差分信号，最终实现惯性敏感信号的测量。当有外界过载信号输入时，通过设置梳齿防静电吸合结构，能够限制活动梳齿偏移量，使得活动梳齿与固定梳齿间局部接触并保持一定间隙，始终保证了支撑梁弹性回复力大于梳齿间的静电力，因此当外加载荷消除后，活动梳齿能够回到平衡位置，防止了梳齿静电吸合失效。

本发明提供的防止静电吸合的微机械检测结构，能够有效的防止由于过载信号导致的静电力吸合失效，具有结构形式简单，加工方便等优点，可以显著提高MEMS惯性传感器的可靠性。

附图说明

图1为设有止挡结构的防止静电吸合的微机械检测结构的结构示意图；

图2为梳齿静电力与支撑梁弹性回复力的曲线关系图；

图3为常规的梳齿差分检测结构及梳齿静电吸合失效的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的防止静电吸合的微机械检测结构的结构示意图；

附图标记说明：

1、支撑梁；2、结构锚点；3、止挡结构；4、活动质量块；5、活动梳齿；6、梳齿锚点；7、固定梳齿；8、固定锚点；9、梳齿防静电吸合结构。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图4，现对本发明提供的防止静电吸合的微机械检测结构进行说明。所述防止静电吸合的微机械检测结构，包括固定锚点8及连接于固定锚点8的固定梳齿7、活动质量块4以及连接于活动质量块4的活动梳齿5；活动梳齿5与固定梳齿7相互交叉，当敏感信号输入时，活动质量块4偏移平衡位置，活动梳齿5与固定梳齿7之间形成电容差。

其中，固定梳齿7或/和活动梳齿5上设有梳齿防静电吸合结构9，以限制活动梳齿5的偏移量，避免梳齿间静电吸合失效。

本实施例提供的防止静电吸合的微机械检测结构，当无敏感信号输入时，如图4(a)所示，在微机械检测结构中增加了梳齿防静电吸合结构9；当有惯性敏感信号输入时，如图4(b)所示，信号调理电路通过检测和处理电容差分信号，最终实现惯性敏感信号的测量。当有外界过载信号输入时，通过设置梳齿防静电吸合结构9，能够限制活动梳齿5偏移量，使得活动梳齿5与固定梳齿7间局部接触并保持一定间隙，始终保证了支撑梁1弹性回复力大于梳齿间的静电力，因此当外加载荷消除后，活动梳齿5能够回到平衡位置，防止了梳齿静电吸合失效。

本发明提供的防止静电吸合的微机械检测结构，能够有效的防止由于过载信号导致的静电力吸合失效，具有结构形式简单，加工方便等优点，可以显著提高MEMS惯性传感器的可靠性。

在一些实施例中，可以仅仅在固定梳齿7上设置梳齿防静电吸合结构9。参见图4，梳齿防静电吸合结构9包括至少两个设置于固定梳齿7上的梳齿防静电吸合块，梳齿防静电吸合块沿敏感信号输入方向及逆敏感信号输入方向向固定梳齿7的两侧凸伸，以在敏感信号输入时，抵接相邻的活动梳齿5，以使相邻的固定梳齿7与活动梳齿5之间留有防静电吸合失效的防静电吸合失效间隙。通过设置的梳齿防静电吸合块，当微机械结构敏感到外界过载信号输入时，设置于固定梳齿7上的梳齿防静电吸合块会首先与相邻活动梳齿5接触，并保证梳齿的其余部分与相邻梳齿留有一定的间隙，从而能够防止梳齿静电吸合失效。设置至少两个梳齿防静电吸合块，根据两点共线，或两线共面的原理，能够保证相邻梳齿之间的间隙一致，避免静电吸合。

可选地，如图4所示，至少一个梳齿防静电吸合块设置在固定梳齿7远离固定锚点8的悬臂端。

作为一种可选地实施方式，如图4所示，梳齿防静电吸合块具有抵接活动梳齿5的接触平面，多个梳齿防静电吸合块的同一侧的接触平面构成共面，以保证相邻的固定梳齿7与活动梳齿5之间留有防静电吸合失效的防静电吸合失效间隙f。通过设置的接触平面，增大与梳齿的接触面积，进而保证相邻梳齿之间的防静电吸合失效间隙，有效的防止梳齿间的静电吸合失效。

一些实施例中，在固定梳齿7上和活动梳齿5上均设有梳齿防静电吸合结构9。参见图4，梳齿防静电吸合结构9还包括至少两个设置于活动梳齿5上的梳齿防静电吸合块。其中，固定梳齿7上的梳齿防静电吸合块与活动梳齿5上的梳齿防静电吸合块错位设置，相邻的梳齿之间相互支撑，进一步地保证相邻梳齿之间的防静电吸合失效间隙f，有效的防止梳齿间的静电吸合失效。

在其他的实施例中，还可以仅仅在活动梳齿5上设置梳齿防静电吸合结构9。

作为一种可行的实施方式，如图2及图4所示，梳齿防静电吸合失效关系式为：d-h＜S1；

其中，h为梳齿防静电吸合块在敏感信号输入方向的高度；

d为相邻的固定梳齿7与活动梳齿5的初始间隙；

S1为梳齿静电力曲线与支撑梁1弹性回复力曲线交点处的活动梳齿5位移。

本实施例原理如下：当微机械检测结构在惯性作用下发生偏移时，结构会受到支撑梁1弹性回复力(F_k)和检测梳齿间静电力(F_e)的共同作用。

弹性回复力使得活动质量块4在敏感信号消失后回到平衡位置，弹性回复力表达式为：

F_k＝kx (1)

公式(1)中，k表示支撑梁1提供的刚度，x表示位移量，从上述公式可以看出弹性回复力与位移量为线性关系。

静电力使得活动梳齿5朝着固定梳齿7运动，检测梳齿间的静电力可表示为：

公式(2)中：表示介质的介电常数，A表示梳齿交叠面积，d表示梳齿初始间隙，x表示位移量，V表示梳齿间的电压差，n表示梳齿对数。从公式可以看出，静电回复力与梳齿间隙为平方的倒数关系。

梳齿静电力与支撑梁1弹性回复力的关系如图2所示(支撑梁1弹性力)，从图中可以看出静电力曲线与弹性力曲线存在交点p，即为静电力吸合点。当梳齿位移x＜S1时，弹性力大于静电力，外加激励信号消除后，活动梳齿5能够回到平衡位置；而当x＞S1时，静电力大于弹性力，且随着位移量的增加，静电力与弹性力的差值将不断增大，此时不管外加激励是否消除，梳齿间都会发生静电吸合失效，如图3所示。由此可见微机械检测结构动平衡稳定条件为F_e＜F_k，即在微机械检测结构的量程或抗冲击载荷范围内，始终保证静电力小于弹性力，在结构设计时保证d-h<S1，便可有效的防止梳齿间的静电吸合失效。

在一些可能的实施例中，如图4所示，所述梳齿防静电吸合块的断面为矩形结构。断面为矩形或梯形均可，均具有较大的接触平面，通过设置的接触平面，增大与梳齿的接触面积，进而保证相邻梳齿之间的防静电吸合失效间隙，有效的防止梳齿间的静电吸合失效。

在一些可能的实现方式中，如图4所示，固定梳齿7上的梳齿防静电吸合块与活动梳齿5上的梳齿防静电吸合块错位设置。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种防止静电吸合的微机械检测结构，其特征在于，包括：

固定锚点(8)及连接于所述固定锚点(8)的固定梳齿(7)；

活动质量块(4)以及连接于所述活动质量块(4)的活动梳齿(5)；所述活动梳齿(5)与所述固定梳齿(7)相互交叉，当敏感信号输入时，所述活动质量块(4)偏移平衡位置，所述活动梳齿(5)与所述固定梳齿(7)之间形成电容差；

其中，所述固定梳齿(7)或/和所述活动梳齿(5)上设有梳齿防静电吸合结构(9)，以限定所述活动梳齿(5)的偏移量，避免梳齿间静电吸合失效。

2.如权利要求1所述的防止静电吸合的微机械检测结构，其特征在于，所述梳齿防静电吸合结构(9)包括至少两个设置于所述固定梳齿(7)上的梳齿防静电吸合块，所述梳齿防静电吸合块沿敏感信号输入方向及逆所述敏感信号输入方向向所述固定梳齿(7)的两侧凸伸，以在敏感信号输入时，抵接相邻的所述活动梳齿(5)，以使相邻的所述固定梳齿(7)与所述活动梳齿(5)之间留有防静电吸合失效的防静电吸合失效间隙。

3.如权利要求2所述的防止静电吸合的微机械检测结构，其特征在于，至少一个所述梳齿防静电吸合块设置在所述固定梳齿(7)远离所述固定锚点(8)的悬臂端。

4.如权利要求2所述的防止静电吸合的微机械检测结构，其特征在于，所述梳齿防静电吸合块具有抵接所述活动梳齿(5)的接触平面，多个所述梳齿防静电吸合块的同一侧的接触平面构成共面，以保证相邻的所述固定梳齿(7)与所述活动梳齿(5)之间留有防静电吸合失效的防静电吸合失效间隙。

5.如权利要求2-4任一项所述的防止静电吸合的微机械检测结构，其特征在于，所述梳齿防静电吸合结构(9)还包括至少两个设置于所述活动梳齿(5)上的所述梳齿防静电吸合块。

6.如权利要求5所述的防止静电吸合的微机械检测结构，其特征在于，梳齿防静电吸合失效关系式为：d-h＜S1；

其中，h为所述梳齿防静电吸合块在所述敏感信号输入方向的高度；

d为相邻的所述固定梳齿(7)与所述活动梳齿(5)的初始间隙；

S1为梳齿静电力曲线与支撑梁(1)弹性回复力曲线交点处的活动梳齿(5)位移。

7.如权利要求5所述的防止静电吸合的微机械检测结构，其特征在于，所述梳齿防静电吸合块的断面为矩形结构。

8.如权利要求5所述的防止静电吸合的微机械检测结构，其特征在于，所述固定梳齿(7)上的梳齿防静电吸合块与所述活动梳齿(5)上的梳齿防静电吸合块错位设置。

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