CN205442630U - 一种惯性传感器的解粘连结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种惯性传感器的解粘连结构，包括位于惯性传感器质量块运动方向上的驱动装置，相对于止挡机构固定安装的驱动装置包括用于与质量块接触的顶针组件；所述驱动装置被配置为：当质量块与止挡机构发生粘连时，所述驱动装置发生位移，驱动顶针组件将质量块与止挡机构分离。本实用新型的解粘连结构，当质量块与止挡机构粘连在一起后，控制驱动装置发生位移，从而使顶针组件朝向质量块的方向移动，并最终驱动质量块与止挡机构分离，从而实现了质量块的解粘连，提高了惯性传感器的使用寿命。本实用新型的解粘连结构，可以借用质量块外侧的冗余边框结构来设计，从而不会增加芯片的占用面积，不会影响MEMS芯片的整体尺寸。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种惯性测量器件，更具体地，涉及一种惯性传感器中的解粘连结构。
背景技术
通常来说，MEMS器件尤其是MEMS惯性器件，一般采用电容检测的方式，这就需要设计复杂的机械结构。MEMS惯性器件的机械结构包括弹性梁1a、质量块3a及锚点2a，弹性梁1a的一端固定在锚点2a上，另外一端固定在质量块3a上，这样，在惯性力的作用下，质量块3a会发生与惯性力成正比的位移，从而引起可动电容极板与固定电容极板间距或正对面积的变化，从而产生电容的变化，实现对惯性力的检测。
惯性器件在实际应用的过程中，不可避免地会受到高冲击的作用力，在高冲击力的作用下，质量块3a会发生较大的位移，甚至质量块3a的侧面会与其最近的固定结构4a表面接触，最坏的状况是，该两个表面粘在一起，称为“粘连”。发生粘连时，由于质量块3a无法复位，从而导致MEMS惯性器件无法工作。
为了防止质量块3a与固定结构4a粘连在一起，一般会设计止挡结构5a，但即使设计止挡结构，也不能够完全解决粘连问题。在外界较大的冲击作用下，质量块3a会产生比较大的位移，造成质量块3a的侧面接触到附近止挡结构5a的侧面。两个界面间的范德华力或界面悬挂键形成的共价键结合力称为粘附力，这两个界面之间的粘附力远远超过质量块3a的弹性恢复力，从而造成质量块3a无法回弹到其平衡位置，不管是短时间还是永久性的粘连，对MEMS惯性器件来说都是致命性的。
对于惯性器件的粘连问题，曾经有人提出用静电力来解决。即在MEMS惯性器件中，设计解粘连的电极，当发生粘连时，对质量块施加一个与粘附力方向相反的静电力，从而将质量块和止挡结构分立。但在具体实施中，这种方案的实施效果非常差。要使该静电力超过粘附力，需要施加至少几十伏的电压，这无疑会增加ASIC芯片设计的难度，同时需要设计足够大的电容来提供合适的静电力，这就需要消耗MEMS芯片大量的面积，所以，静电力接触粘连的方式一直被弃用。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供一种惯性传感器的解粘连结构的新技术方案。
根据本实用新型的第一方面，提供了一种惯性传感器的解粘连结构，包括位于惯性传感器质量块运动方向上的止挡机构；还包括位于惯性传感器质量块运动方向上的驱动装置，相对于止挡机构固定安装的驱动装置包括用于与质量块接触的顶针组件；其中，所述驱动装置被配置为：当质量块与止挡机构发生粘连时，所述驱动装置发生位移，驱动顶针组件将质量块与止挡机构分离。
优选地，还包括固定锚点，所述驱动装置包括连接在固定锚点上的加热组件，所述顶针组件连接在加热组件上。
优选地，所述加热组件为通过金属材料或多晶硅材料制成的电阻。
优选地，所述驱动装置包括连接在加热组件上的热膨胀组件，所述热膨胀组件的热膨胀系数大于加热组件的热膨胀系数；所述顶针组件连接在膨胀组件上。
优选地，所述热膨胀组件为有机聚合物。
优选地，所述驱动装置包括弹性梁，所述弹性梁的两端分别连接在固定锚点的两侧，所述弹性梁与热膨胀组件贴合在一起，所述顶针组件连接在弹性梁上。
优选地，所述固定锚点、弹性梁、顶针组件均为单晶硅材料。
优选地，所述止挡机构为连接在固定锚点上的止挡块；且所述止挡块至质量块之间的距离小于顶针组件至质量块之间的距离。
优选地，所述驱动装置为压电陶瓷。
本实用新型的解粘连结构，当质量块与止挡机构粘连在一起后，控制驱动装置发生位移，从而使顶针组件朝向质量块的方向移动，并最终驱动质量块与止挡机构分离，从而实现了质量块的解粘连，提高了惯性传感器的使用寿命。本实用新型的解粘连结构，可以借用质量块外侧的冗余边框结构来设计，从而不会增加芯片的占用面积，不会影响MEMS芯片的整体尺寸。
本实用新型的发明人发现，在现有技术中，惯性传感器在受到较大冲击作用力的时候，质量块会与其止挡机构发生粘连的问题，从而导致惯性传感器失效。因此，本实用新型所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本实用新型是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。
图1是现有技术中惯性传感器的一种结构示意图。
图2是本实用新型惯性传感器的结构示意图。
图3是本实用新型解粘连结构工作时的结构示意图。
图4是本实用新型解粘连结构的另一实施结构示意图。
图5是本实用新型解粘连方法的流程示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1、图2，本实用新型提供了一种应用在惯性传感器中的解粘连结构，当惯性传感器发生粘连时，可通过该解粘连结构让惯性传感器的可动结构与固定结构分离开。本实用新型所述的惯性传感器为用于测量惯性信号的传感器，其可以是MEMS加速度计或者MEMS陀螺仪等本领域技术人员所熟知的惯性测量器件。
图1示出了本实用新型惯性传感器的一种实施结构，其包括衬底以及位于衬底上方的质量块3，其中，所述衬底上设置有锚定部2，通过该锚定部2将质量块3弹性支撑在衬底的上方。具体地，所述质量块3通过弹性扭梁1连接在锚定部2的侧壁上，两条弹性扭梁1对称地分布在锚定部2的两侧，该锚定部2可以位于质量块3的结构中心位置。两条弹性扭梁1分布在质量块3的X轴中线方向上，当该质量块3受到Y轴方向的惯性作用力时，使得质量块3可在Y轴方向上移动。本实用新型的惯性传感器，还包括用于获得检测信号的电容结构，其包括固定在衬底上的固定电极6，该固定电极6可通过锚点固定在衬底上，质量块3本身可作为电容结构的可动电极，使得固定电极6与质量块3构成了用于检测信号变化的电容结构。当外界有惯性力作用时，质量块3会发生相应的位移，从而改变其与固定电极6之间的间距或者正对面积，使得惯性传感器的电容结构输出相应变化的电信号。上述结构均属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
本实用新型提供的一种惯性传感器的解粘连结构，包括位于质量块3运动方向上的止挡机构，通过该止挡机构可对质量块3的运动进行限位。在本实用新型一个具体的实施方式中，该止挡机构包括设置在质量块3外围的固定锚点4，以及位于固定锚点4内壁上的止挡块5。所述固定锚点4可以采用与质量块3相同的材料，例如单晶硅材料；这就使得，可对同一单晶硅层进行刻蚀，以形成本实用新型所述的固定锚点4、止挡块5、质量块3。当质量块3发生较大位移的时候，处于其运行方向上的止挡块5会与质量块接触在一起，以阻止质量块3的继续移动。
本实用新型的解粘连结构，还包括位于惯性传感器质量块3运动方向上的驱动装置，该驱动装置相对于止挡机构固定安装，例如其可以安装在衬底上，当然也可以安装在固定锚点4上。所述驱动装置包括用于与质量块3接触的顶针组件10；其中，所述驱动装置被配置为：当质量块3与止挡机构发生粘连时，所述驱动装置发生位移，驱动顶针组件10将质量块3与止挡机构分离。
本实用新型的驱动装置主要为顶针组件10的移动提供驱动力，其可以压电陶瓷，利用压电陶瓷的压电效应将电能转换为机械能，从而驱动顶针组件10发生位移。在本实用新型一个具体的实施方式中，所述驱动装置为连接在固定锚点4上的加热组件9，所述顶针组件10连接在加热组件9上。当对加热组件进行加热的时候，由于热胀冷缩的原理，使得加热组件9自身会发生膨胀，从而驱动与其连接的顶针组件10朝向质量块3的方向发生位移。本实用新型的加热组件9可以是通过金属材料或多晶硅材料制成的电阻，该加热组件9可直接设置在固定锚点4上位于质量块3一侧的侧壁上。本实用新型优选的是，在制作的时候，可以首先对固定锚点4进行刻蚀，形成凹槽，然后在该凹槽内沉积金属层或者多晶硅材料层；需要注意的时候，当固定锚点4采用单晶硅等导电材料的时候，为了保证固定锚点4与加热组件9之间的绝缘，需要预先设置绝缘层，该绝缘层可以是氧化硅或者本领域技术人员所熟知的其它绝缘材料。
在本实用新型进一步优选的实施方式中，参考图4，所述驱动装置还包括连接在加热组件9上的热膨胀组件11，该热膨胀组件11的热膨胀系数大于加热组件9的热膨胀系数，所述顶针组件10连接在膨胀组件11上。当对加热组件9进行加热的时候，热量从加热组件9传递至热膨胀组件11上，使得热膨胀组件11可以发生较大位移的膨胀变形，从而可以驱动与其连接的顶针组件10发生朝向质量块3方向的位移。本实用新型的加热组件9例如可以采用金属铝，其热膨胀系数约为23*10-6/℃，热膨胀组件11可以采用有机聚合物等热膨胀系数较大的材料，有机聚合物的热膨胀系数可以达到(50-200)*10-6/℃，例如PMMA的膨胀系数约为60x10-6/℃。
在本实用新型进一步优选的实施方式中，所述驱动装置还包括弹性梁7，所述弹性梁7的两端分别连接在固定锚点4的两侧，且所述弹性梁7与上述的热膨胀组件11贴合在一起，所述顶针组件10连接在弹性梁7上。本实用新型的弹性梁7、顶针组件10可以是一体成型的，该顶针组件10可以看成是从弹性梁7侧壁上向质量块3方向延伸出来的凸起部；本实用新型的弹性梁7、顶针组件10与上述弹性扭梁1、质量块3、固定锚点4均可在同一单晶硅层上刻蚀形成。弹性梁7的两端连接在固定锚点4的侧壁上，热膨胀组件11可以填充在弹性梁7与加热组件9之间。当质量块3与止挡机构发生粘连时，对加热组件9进行加热，当热量传递至热膨胀组件11上后，热膨胀组件11自身发生膨胀变形，由此驱动弹性梁7发生朝向质量块3方向的弹性变形，最终驱动顶针组件10与质量块3接触在一起，并推动质量块3与止挡机构分离开；之后，停止加热，在热膨胀组件11的冷缩作用及弹性梁7的弹性恢复力下，使得顶针组件10复位。
在本实用新型另一具体的实施方式中，参考图3，所述驱动装置还可以是如下结构：其包括依次连接的发热组件9、绝缘层8、弹性梁7，所述顶针组件10连接在弹性梁7上。绝缘层8可以采用氧化硅材料，通过该绝缘层8使发热组件9与弹性梁7之间绝缘。当对发热组件9进行加热的时候，发热组件9自身发生热膨胀变形，在发热组件9的膨胀变形过程中，驱动弹性梁7以及连接在弹性梁7上的顶针组件10向质量块3的方向发生位移，最终使顶针组件10与质量块3接触在一起，并推动质量块3与止挡块5分离。
本实用新型的解粘连结构，当质量块与止挡机构粘连在一起后，控制驱动装置发生位移，从而使顶针组件朝向质量块的方向移动，并最终驱动质量块与止挡机构分离，从而实现了质量块的解粘连，提高了惯性传感器的使用寿命。本实用新型的解粘连结构，可以借用质量块外侧的冗余边框结构来设计，从而不会增加芯片的占用面积，不会影响MEMS芯片的整体尺寸。
本实用新型的解粘连结构，优选的是，所述止挡块5至质量块3之间的距离小于顶针组件10至质量块3之间的距离；在受到较大冲击的作用力时，质量块3只会与止挡块5发生碰撞或者粘连，而不会与顶针组件10发生碰撞或粘连。
本实用新型的解粘连结构设置有多个，分布在质量块3可能发生的运动方向上。在解粘连的时候，为了使质量块3可以受到均匀的驱动力，顶针组件10正对质量块3的中部位置；当然也可以是，在质量块的同一运动方向上设置多个顶针组件10，该多个顶针组件10沿着质量块3的中部对称分布。
本实用新型还提供了一种惯性传感器的解粘连方法，参考图5，其包括以下步骤：
采样步骤：获取惯性传感器的输出信号；
判断步骤：判断惯性传感器的输出信号是否为交变信号；在该判断步骤中，如果质量块处于粘连的状态，则其不会再对外界的惯性作出相应的位移变化，也就是说，则该惯性传感器此时输出的信号是固定不变的；如果质量块没有处于粘连的状态，其该质量块会对外界的惯性作出相应的位移变化，也就是说，则该惯性传感器此时输出的信号是交变的信号；基于此，可以根据惯性传感器输出信号的类型，来判断其质量块是否处于粘连的状态；
执行步骤：
如果惯性传感器的输出信号为非交变信号，则控制驱动装置发生位移，所述驱动装置在发生位移的过程中驱动质量块向解粘连的方向运动；
如果惯性传感器的输出信号为交变信号，则结束解粘连。
在本实用新型一个具体的实施方式中，所述驱动装置为例如电阻结构的发热组件，当惯性传感器的输出信号为非交变信号，判断质量块为粘连状态，此时对发热组件施加电流，使其自身由于温度升高而发生膨胀变形，当然也可以是通过发热组件把热量传递给热膨胀组件，通过热膨胀组件的膨胀变形，驱动质量块往解粘连的方向运动。
虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种惯性传感器的解粘连结构，其特征在于：包括位于惯性传感器质量块(3)运动方向上的止挡机构；还包括位于惯性传感器质量块(3)运动方向上的驱动装置，相对于止挡机构固定安装的驱动装置包括用于与质量块(3)接触的顶针组件(10)；其中，所述驱动装置被配置为：当质量块(3)与止挡机构发生粘连时，所述驱动装置发生位移，驱动顶针组件(10)将质量块(3)与止挡机构分离。
2.根据权利要求1所述的解粘连结构，其特征在于：还包括固定锚点(4)，所述驱动装置包括连接在固定锚点(4)上的加热组件(9)，所述顶针组件(10)连接在加热组件(9)上。
3.根据权利要求2所述的解粘连结构，其特征在于：所述加热组件(9)为通过金属材料或多晶硅材料制成的电阻。
4.根据权利要求2所述的解粘连结构，其特征在于：所述驱动装置包括连接在加热组件(9)上的热膨胀组件(11)，所述热膨胀组件(11)的热膨胀系数大于加热组件(9)的热膨胀系数；所述顶针组件(10)连接在膨胀组件(11)上。
5.根据权利要求4所述的解粘连结构，其特征在于：所述热膨胀组件(11)为有机聚合物。
6.根据权利要求4所述的解粘连结构，其特征在于：所述驱动装置包括弹性梁(7)，所述弹性梁(7)的两端分别连接在固定锚点(4)的两侧，所述弹性梁(7)与热膨胀组件(11)贴合在一起，所述顶针组件(10)连接在弹性梁(7)上。
7.根据权利要求6所述的解粘连结构，其特征在于：所述固定锚点(4)、弹性梁(7)、顶针组件(10)均为单晶硅材料。
8.根据权利要求7所述的解粘连结构，其特征在于：所述止挡机构为连接在固定锚点(4)上的止挡块(5)；且所述止挡块(5)至质量块(3)之间的距离小于顶针组件(10)至质量块(3)之间的距离。
9.根据权利要求1所述的解粘连结构，其特征在于：所述驱动装置为压电陶瓷。
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