CN112551474B - 一种具有面内止挡的mems可动结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有面内止挡的MEMS可动结构，包括固定锚区、可动结构弹性梁、质量块框架、质量块、止挡弹性梁、止挡块、质量块梳齿、驱动梳齿以及驱动梳齿锚点。采用弹性梁支撑止挡块，当质量块位移过大与弹性梁碰撞时，弹性梁形变提供缓冲，避免结构损伤。止挡块与质量块连接在相同的固定锚区上，具有相同的电位，不会发生电学短路。在弹性梁不同位置设计不同尺寸的止挡块，质量块位移过大时首先与伸长量最大的止挡块接触，位移继续增大时，质量块才与其他止挡块接触，使大冲击下止挡块弹性梁刚度提高，降低冲击位移，满足不同大小冲击止挡需求，避免结构损伤。降低止挡结构与质量块间接触面积，避免结构在清洗过程中由于液体表面张力造成吸附粘连。

Description

一种具有面内止挡的MEMS可动结构
技术领域
本发明属于微机电***(MEMS)制造技术领域，具体涉及一种MEMS器件结构。
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、弹簧梁、锚点、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陀螺和MEMS谐振加速度计是其中典型的代表。可动MEMS结构在受到外界冲击或驱动力过大时，在运动方向会产生大位移，位移过大可能造成结构断裂。在可动MEMS结构运动方向上设计止挡结构可以避免位移过大，防止结构损坏。另外可动MEMS结构在刻蚀后的清洗环节，由于液体表面张力，易产生吸附。采用弹性止挡块设计，止挡面积小，能够避免结构吸附粘连。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提出一种具有面内止挡的MEMS可动结构，避免可动MEMS结构在运动方向受到大冲击或大驱动力时，由于结构位移过大造成结构断裂。同时避免可动结构在刻蚀后清洗环节，由于液体表面张力造成的结构吸附粘连问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种具有面内止挡的MEMS可动结构，包括固定锚区、可动结构弹性梁、质量块框架、质量块、止挡弹性梁、第一止挡块、第二止挡块、第三止挡块、质量块梳齿、驱动梳齿以及驱动梳齿锚点；
质量块通过质量块框架和可动结构弹性梁连结到固定锚区，固定于衬底上，并通过电极引出到结构外部；第一止挡块、第二止挡块和第三止挡块按照距离固定锚区由远及近的顺序依次设置在止挡块弹性梁上，止挡块弹性梁连结到固定锚区；
驱动梳齿连结到驱动梳齿锚点，固定于衬底上，并通过电极引出到结构外部；质量块框架上连结有质量块梳齿，质量块梳齿与驱动梳齿间构成正对面积可变的驱动电容。
进一步的，在质量块梳齿和驱动梳齿构成的驱动电容上，施加高压直流和高频交流信号，对质量块框架及质量块提供静电力，使其在水平方向振动；调节高频交流信号的频率，使其与结构固有振动频率一致，产生共振，达到最大振幅。
进一步的，结构固有振动频率由可动结构弹性梁与可动结构总质量决定。
进一步的，当MEMS可动结构在水平方向上受到冲击或驱动力过大，造成位移过大时，质量块会与第一止挡块、第二止挡块和第三止挡块产生接触；止挡块弹性梁发生弹性形变，起到缓冲和降低冲击力的作用，避免结构损伤，并防止结构粘连。
进一步的，所述第一止挡块、第二止挡块、第三止挡块与质量块连结在相同的固定锚区上，具有相同的电位，结构撞击时不会发生电学短路。
进一步的，所述第一止挡块、第二止挡块和第三止挡块具有不同的尺寸，距离固定锚区越远的止挡块伸出止挡块弹性梁的长度越长，当质量块运动位移过大时，首先接触到第一止挡块，由第一止挡块提供支撑力，同时支挡块弹性梁弯曲进行缓冲；
位移继续增大，质量块接触到第二止挡块，第一止挡块和第二止挡块共同提高支撑力，第一止挡块与第二止挡块之间止挡块弹性梁形变保持，形变量等于两止挡块伸出止挡块弹性梁长度差；第二止挡块与固定锚区间形变继续增大，弹性梁刚度提高；
位移进一步增大时，质量块与第三止挡块接触，三个止挡块共同提供支撑力，第一止挡块与第三止挡块间形变保持，形变量等于两止挡块伸出止挡块弹性梁长度差，第一止挡块与固定锚区间形变继续增大，弹性梁刚度进一步提高。
进一步的，所述第一止挡块、第二止挡块和第三止挡块伸出止挡块弹性梁的长度正比于其与固定锚区距离。
进一步的，所述第一止挡块、第二止挡块和第三止挡块设置为等间距。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)采用弹性梁支撑止挡块结构，当质量块与止挡块碰撞时，弹性梁形变提供缓冲，减小冲击力，避免结构损伤。
(2)止挡块与质量块连接在相同的固定锚区上，两者具有相同的电位，不会发生电学短路。
(3)在弹性梁不同位置设计不同尺寸的止挡块，质量块位移过大时首先与伸长量最大的止挡块接触，位移继续增大时，质量块才与其他止挡块接触。大冲击下止挡块弹性梁刚度提高，降低冲击位移，满足不同大小冲击止挡需求，避免结构损伤。
(4)降低支挡结构与质量块间的接触面积，避免结构在清洗过程中由于液体表面张力造成吸附粘连。
附图说明
图1是本发明具有面内止挡的MEMS可动结构示意图
具体实施方式
结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明提出了一种具有面内止挡的MEMS可动结构，包括固定锚区1、可动结构弹性梁2、质量块框架3、质量块4、止挡弹性梁5、第一止挡块6、第二止挡块7、第三止挡块8、质量块梳齿9、驱动梳齿10以及驱动梳齿锚点11；
质量块4通过质量块框架3和可动结构弹性梁2连结到固定锚区1，固定于衬底上，并通过电极引出到结构外部；第一止挡块6、第二止挡块7和第三止挡块8按照距离固定锚区1由远及近的顺序依次设置在止挡块弹性梁5上，止挡块弹性梁5连结到固定锚区1；
驱动梳齿10连结到驱动梳齿锚点11，固定于衬底上，并通过电极引出到结构外部；质量块框架3上连结有质量块梳齿9，质量块梳齿9与驱动梳齿10间构成正对面积可变的驱动电容。
在质量块梳齿9和驱动梳齿10构成的驱动电容上，施加高压直流和高频交流信号，对质量块框架3及质量块4提供静电力，使其在水平方向振动；调节高频交流信号的频率，使其与结构固有振动频率一致，产生共振，达到最大振幅。
优选的，结构固有振动频率由可动结构弹性梁2与可动结构总质量决定。
优选的，本发明实施例中的具有面内止挡的MEMS可动结构为对称结构，沿过质量块中心的轴线上下对称同时左右对称。质量块4上下两侧均连接有质量块框架3，质量块框架3再通过止挡块弹性梁5连结到固定锚区1，构成电连通。
优选的，当MEMS可动结构在水平方向上受到冲击或驱动力过大，造成位移过大时，质量块4会与第一止挡块6、第二止挡块7和第三止挡块8产生接触；止挡块弹性梁5发生弹性形变，起到缓冲和降低冲击力的作用，避免结构损伤，并防止结构粘连。
本发明采用弹性梁支撑止挡块结构，当质量块与止挡块碰撞时，弹性梁形变提供缓冲，减小冲击力，避免结构损伤。
优选的，所述第一止挡块6、第二止挡块7、第三止挡块8与质量块4连结在相同的固定锚区1上，具有相同的电位，结构撞击时不会发生电学短路。
优选的，所述第一止挡块6、第二止挡块7和第三止挡块8具有不同的尺寸，距离固定锚区1越远的止挡块伸出止挡块弹性梁5的长度越长，当质量块4运动位移过大时，首先接触到第一止挡块6，由第一止挡块6提供支撑力，同时支挡块弹性梁5弯曲进行缓冲；
位移继续增大，质量块4接触到第二止挡块7，第一止挡块6和第二止挡块7共同提高支撑力，第一止挡块6与第二止挡块7之间止挡块弹性梁5形变保持，形变量等于两止挡块伸出止挡块弹性梁5长度差；第二止挡块7与固定锚区1间形变继续增大，弹性梁刚度提高；
位移进一步增大时，质量块4与第三止挡块8接触，三个止挡块共同提供支撑力，第一止挡块6与第三止挡块8间形变保持，形变量等于两止挡块伸出止挡块弹性梁5长度差，第一止挡块6与固定锚区1间形变继续增大，弹性梁刚度进一步提高。
优选的，所述第一止挡块6、第二止挡块7和第三止挡块8伸出止挡块弹性梁5的长度正比于其与固定锚区1距离。
优选的，所述第一止挡块6、第二止挡块7和第三止挡块8设置为等间距。
本发明通过在弹性梁不同位置设计不同尺寸的止挡块，质量块位移过大时首先与伸长量最大的止挡块接触，位移继续增大时，质量块才与其他止挡块接触。大冲击下止挡块弹性梁刚度提高，降低冲击位移，满足不同大小冲击止挡需求，避免结构损伤。同时，三个止挡块的设计，能够降低支挡结构与质量块间的接触面积，避免结构在清洗过程中由于液体表面张力造成吸附粘连。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未详细说明的部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种具有面内止挡的MEMS可动结构，其特征在于：包括固定锚区(1)、可动结构弹性梁(2)、质量块框架(3)、质量块(4)、止挡弹性梁(5)、第一止挡块(6)、第二止挡块(7)、第三止挡块(8)、质量块梳齿(9)、驱动梳齿(10)以及驱动梳齿锚点(11)；
质量块(4)通过质量块框架(3)和可动结构弹性梁(2)连结到固定锚区(1)，固定于衬底上，并通过电极引出到结构外部；第一止挡块(6)、第二止挡块(7)和第三止挡块(8)按照距离固定锚区(1)由远及近的顺序依次设置在止挡块弹性梁(5)上，止挡块弹性梁(5)连结到固定锚区(1)；
驱动梳齿(10)连结到驱动梳齿锚点(11)，固定于衬底上，并通过电极引出到结构外部；质量块框架(3)上连结有质量块梳齿(9)，质量块梳齿(9)与驱动梳齿(10)间构成正对面积可变的驱动电容。
2.根据权利要求1所述的具有面内止挡的MEMS可动结构，其特征在于：在质量块梳齿(9)和驱动梳齿(10)构成的驱动电容上，施加高压直流和高频交流信号，对质量块框架(3)及质量块(4)提供静电力，使其在水平方向振动；调节高频交流信号的频率，使其与结构固有振动频率一致，产生共振，达到最大振幅。
3.根据权利要求2所述的具有面内止挡的MEMS可动结构，其特征在于：结构固有振动频率由可动结构弹性梁(2)与可动结构总质量决定。
4.根据权利要求2所述的具有面内止挡的MEMS可动结构，其特征在于：当MEMS可动结构在水平方向上受到冲击或驱动力过大，造成位移过大时，质量块(4)会与第一止挡块(6)、第二止挡块(7)和第三止挡块(8)产生接触；止挡块弹性梁(5)发生弹性形变，起到缓冲和降低冲击力的作用，避免结构损伤，并防止结构粘连。
5.根据权利要求4所述的具有面内止挡的MEMS可动结构，其特征在于：所述第一止挡块(6)、第二止挡块(7)、第三止挡块(8)与质量块(4)连结在相同的固定锚区(1)上，具有相同的电位，结构撞击时不会发生电学短路。
6.根据权利要求5所述的具有面内止挡的MEMS可动结构，其特征在于：所述第一止挡块(6)、第二止挡块(7)和第三止挡块(8)具有不同的尺寸，距离固定锚区(1)越远的止挡块伸出止挡块弹性梁(5)的长度越长，当质量块(4)运动位移过大时，首先接触到第一止挡块(6)，由第一止挡块(6)提供支撑力，同时支挡块弹性梁(5)弯曲进行缓冲；
位移继续增大，质量块(4)接触到第二止挡块(7)，第一止挡块(6)和第二止挡块(7)共同提高支撑力，第一止挡块(6)与第二止挡块(7)之间止挡块弹性梁(5)形变保持，形变量等于两止挡块伸出止挡块弹性梁(5)长度差；第二止挡块(7)与固定锚区(1)间形变继续增大，弹性梁刚度提高；
位移进一步增大时，质量块(4)与第三止挡块(8)接触，三个止挡块共同提供支撑力，第一止挡块(6)与第三止挡块(8)间形变保持，形变量等于两止挡块伸出止挡块弹性梁(5)长度差，第一止挡块(6)与固定锚区(1)间形变继续增大，弹性梁刚度进一步提高。
7.根据权利要求6所述的具有面内止挡的MEMS可动结构，其特征在于：所述第一止挡块(6)、第二止挡块(7)和第三止挡块(8)伸出止挡块弹性梁(5)的长度正比于其与固定锚区(1)距离。
8.根据权利要求7所述的具有面内止挡的MEMS可动结构，其特征在于：所述第一止挡块(6)、第二止挡块(7)和第三止挡块(8)设置为等间距。
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