CN208937605U - 一种蜂窝状微止挡结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种蜂窝状微止挡结构，包括传导框架和支撑框架夹持在其中的蜂窝结构，所述传导框架朝向外部的一面具有一向外凸出的碰撞凸点。通过层叠的蜂窝结构将冲击应力分散开，在质量块与微止挡结构碰撞接触后蜂窝状微止挡结构既变形缓冲吸收冲击能量，又避免微止挡结构变形产生的应力集中现象。

Description

一种蜂窝状微止挡结构

技术领域

本实用新型涉及电子领域，具体涉及一种微器件的抗冲击过载微机械结构。

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。

在部分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。

实用新型专利申请《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。实用新型专利申请《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 decelerationwithin mems structure》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USPatent 6065341《Semiconductor Physical Quantity Sensor With Stopper Portion》、美国专利US Patent 4882933《Accelerometer with integral bidirectional shockprotection and controllable viscous damping》、美国专利US Patent 5721377《Angular Velocity sensor with built-in Limit stops》等提出了不同结构形式的抗冲击过载的微止挡结构。

实用新型专利申请《一种抗高过载的MEMS陀螺》提出在陀螺质量块的四周对称分布带有防撞凸点的固定块，同时在质量块中心掏空区域设置带有防撞凸点的中心固定块，质量块采用网格空腔设计，提高陀螺抗过载能力。然而固定止挡的缺点是，当质量块在大冲击过载环境下，与固定止挡发生碰撞接触后。固定式止挡由于刚度很大，不容易发生较大的变形，碰撞能量难以通过较大的形变将能量吸收，导致质量块与止挡接触部位应力很大，容易发生破碎、断裂等失效。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的问题，本专利提供了一种蜂窝状微止挡结构，防止质量块与止挡结构碰撞接触后的冲击能量造成止挡的破碎、断裂等，避免了固定式和梁式止挡结构变形产生的应力集中现象。

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。

当外界存在强冲击时，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上固定梳齿发生碰撞，或梁结构因大幅度的偏移、偏转发生断裂。为避免强冲击条件下，薄弱的梳齿结构由于碰撞发生失效或梁结构由于大幅形变发生断裂失效，需限制质量块在强冲击条件下的位移或偏转。

通常采用固定式微止挡结构限制质量块的位移，但固定止挡的缺点是刚度很大，当质量块与固定止挡发生碰撞接触后，固定止挡不容易发生变形，碰撞能量难以通过止挡的形变将能量吸收，导致质量块与止挡接触部位应力很大，容易发生破碎、断裂等失效。改进的减速梁式微止挡结构，可以通过碰撞接触后的减速梁结构的变形来缓冲吸收冲击能量，降低接触部位应力。但减速梁微止挡结构的根部仍然存在应力集中的问题，在碰撞接触过程中减速梁微止挡结构的根部存在断裂失效可能。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种蜂窝状微止挡结构，其特征是，包括传导框架和支撑框架夹持在其中的蜂窝结构，所述传导框架朝向外部的一面具有一向外凸出的碰撞凸点。

所述碰撞凸点朝向MEMS惯性传感器的质量块。

所述支撑框架固定在基底上。

所述碰撞凸点在接触碰撞过程中，将碰撞受力经传导框架传递至蜂窝结构，使蜂窝结构发生形变。

所述蜂窝结构在横向上具有一层或多层交错排列的蜂窝。

所述蜂窝结构为圆形、椭圆形或多边形结构交错排列。

所述蜂窝结构为正多边形结构交错排列。

所述蜂窝结构为正六边形结构交错排列。

对称分布在质量块的两侧。

本实用新型所达到的有益效果：

本专利提出了一种蜂窝状微止挡结构，蜂窝状微止挡结构主要由碰撞接触凸点、蜂窝状结构组成。通过交错层叠的蜂窝结构将冲击应力分散开，在质量块与微止挡结构碰撞接触后蜂窝状微止挡结构既变形缓冲吸收冲击能量，又避免微止挡结构变形产生的应力集中现象。

合理的碰撞接触凸点设计既保证微止挡结构与质量块接触部分不会因接触面积过小而产生应力集中而破碎，又要保证接触面积不过大而导致质量块与微止挡结构粘连。

附图说明

图1为电容式MEMS加速度计结构示意图。

图2 为固定微止挡结构示意图。

图3为减速梁微止挡结构俯视示意图。

图4为蜂窝状微止挡结构示意图。

图5为蜂窝状微止挡结构示意图。

图6为蜂窝状微止挡结构层数示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

下面结合附图对本实用新型的一种实现形式作进一步描述。

以电容式MEMS加速度计为例，如图1所示，两根支撑梁102a和102b一端连接质量块101，将质量块101悬浮在基底（图中未显示）上。支撑梁102a的另一端固定面103a和支撑梁102b的另一端固定面103b分别连接到锚点结构（图中未显示）实现结构固定。当外界输入与梁结构垂直的水平面内加速度时，质量块沿加速度输入方向偏移，通过布置在质量块周围的电极（图中未显示），可以检测出质量块的位移，进而实现加速度检测。

当外界输入加速度过大时，质量块在冲击作用下发生大偏移，导致质量块与分布在质量块周围的检测电极发生碰撞，或者质量块的梁结构因大幅度的偏移发生断裂。为避免上述情况的发生，一种方法是在质量块的两侧布置固定止挡结构201a和201b，如图2所示。固定止挡结构201a通过固定面202a固定到基底上，固定止挡结构201b通过固定面202b固定到基底上。质量块在冲击作用下的最大位移是固定止挡结构201a和201b与质量块101之间的距离。由于固定止挡在与质量块的接触碰撞过程中几乎不会变形，因此质量块与固定止挡接触部位应力大，容易发生破碎、断裂等形式的失效。

为避免该情形，另一种方法是采用减速梁式止挡结构，如图3所示。减速梁止挡结构301a由减速梁302a支撑悬浮于固定面303a与303c之间，减速梁止挡结构301b由减速梁302b支撑悬浮于固定面303b与303d之间。当质量块在冲击作用下与减速梁止挡结构接触后，减速梁止挡结构借助于减速梁302a和302b的变形缓冲吸收碰撞能量。减速梁止挡结构通过梁变形减小了止挡结构与质量块接触区域的应力，然而梁结构通过双端固支或单端固支悬浮于基底上，导致在梁与基底的固定端面附近区域存在显著的应力集中情况，存在断裂失效的可能。

本实用新型的蜂窝状微止挡结构如图4、图5所示。蜂窝状微止挡结构400a和400b分布在质量块101的周围。蜂窝状微止挡结构主要由碰撞凸点401、传导框架402、蜂窝结构404和支撑框架403组成。碰撞凸点401在接触碰撞过程中与质量块接触，传导框架402将碰撞凸点401的力分散施加到蜂窝结构404上，蜂窝结构404固定在支撑框架403上，框架403固定在基底上。

当质量块在冲击作用下与蜂窝状微止挡结构的碰撞凸点401接触后，传导框架402将碰撞凸点401的力分散施加到蜂窝结构404上，蜂窝结构404发生形变缓冲吸收冲击能量。通过合理设计蜂窝结构404的尺寸，例如边长、宽度、层数，可以调整蜂窝结构404冲击条件下的形变量，实现既缓冲吸收碰撞能量，又保证止挡结构变形后不发生应力过大而断裂失效。

本实用新型的实现形式中，蜂窝结构404可具有一层或多层蜂窝结构交错排列，本实施例中采用了3层蜂窝结构交错排列：第一层蜂窝结构501、第二层蜂窝结构502和第三层蜂窝结构503，如图6所示。

借助于蜂窝结构可以变形吸收冲击能量的特点，蜂窝状微止挡结构通过缓冲的方式实现对质量块位移的限幅，又利用其网状结构实现了冲击应力的分散，避免了应力集中而导致的结构失效。

蜂窝状微止挡结构内蜂窝结构404采用了正六边形结构交错排列，在其他实施例中也可以为圆形或其他多边形结构交错排列（相邻两层的多边形结构的边不共线）。

蜂窝状微止挡结构的刚度主要由蜂窝状结构的尺寸（例如边长、边厚度）以及蜂窝层数决定，为了取得更好的缓冲吸收碰撞能量及传力效果，蜂窝状结构的边长和宽度等尺寸以及层数的较佳配合数值可以根据需要由数值仿真计算得出，通过数值仿真设计，可以得出最优尺寸。合理的蜂窝状结构的尺寸设计，既保证在质量块与微止挡结构碰撞接触后微止挡结构发生变形，又可以将冲击能量分散到微止挡结构的不同部位，减小应力集中。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种蜂窝状微止挡结构，其特征是，包括传导框架和支撑框架夹持在其中的蜂窝结构，所述传导框架朝向外部的一面具有一向外凸出的碰撞凸点。

2.根据权利要求1所述的一种蜂窝状微止挡结构，其特征是，所述碰撞凸点朝向MEMS惯性传感器的质量块。

3.根据权利要求1所述的一种蜂窝状微止挡结构，其特征是，所述支撑框架固定在基底上。

4.根据权利要求1所述的一种蜂窝状微止挡结构，其特征是，所述碰撞凸点在接触碰撞过程中，将碰撞受力经传导框架传递至蜂窝结构，使蜂窝结构发生形变。

5.根据权利要求1所述的一种蜂窝状微止挡结构，其特征是，所述蜂窝结构在横向上具有一层或多层交错排列的蜂窝。

6.根据权利要求1所述的一种蜂窝状微止挡结构，其特征是，所述蜂窝结构为圆形、椭圆形或多边形结构交错排列。

7.根据权利要求1所述的一种蜂窝状微止挡结构，其特征是，所述蜂窝结构为正多边形结构交错排列。

8.根据权利要求1所述的一种蜂窝状微止挡结构，其特征是，所述蜂窝结构为正六边形结构交错排列。

9.根据权利要求1所述的一种蜂窝状微止挡结构，其特征是，对称分布在质量块的两侧。