为MEMS以及NEMS机械结构形成枢轴的机械连接部制造技术

本发明专利技术涉及一种在微机电和/或纳机电结构(S)的两个部分(2、4)之间的机械连接部(6)，该机械连接部形成用于轴线旋转的枢轴(Y)，并且包括两个第一梁(20.1、20.2)和两个第二梁(22.1、22.2)，第一梁的轴线与所述枢轴(Y)的轴线平行，所述第一梁被配置为在扭转条件下工作，第二梁的轴线与第一梁的轴线正交，所述第二梁(22.1、22.2)被配置为在弯曲条件下工作，第一梁(20.1、20.2)和第二梁(22.1、22.2)中的每个在其端部处连接至所述结构(S)的所述两个部分(2、4)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】为MEMS以及NEMS机械结构形成枢轴的机械连接部
本专利技术涉及一种在能够相对于彼此枢转的两个部分之间为MEMS(“微机电系统”)以及NEMS(“纳机电系统”)结构形成机械连接的枢轴。
技术介绍
在先有技术中，有两种技术方案在MEMS和NEMS结构中形成枢转连接部。第一个解决方法实现梁，这些梁连接例如固定部分和活动部分并且在弯曲条件下工作。梁彼此平行，并且枢转连接部的轴线与梁的轴线垂直。第二个解决方法实现对准梁，例如，两个对准梁，这些梁连接固定部分和活动部分并且在扭转条件下工作。枢转连接部的轴线和梁的轴线重合。例如，用作陀螺仪或加速计的MEMS和NEMS结构将活动部分用作检测装置，分别通过科里奥利力或加速度移动。这些结构可经受几种类型的机械干扰。第一干扰类型是惯性冲击：冲击在MEMS结构上生成高惯性力：大部分规格的MEMS或NEMS传感器需要抵抗10000g(1g＝9.8m/s2)的冲击力。从机械观点看，在结构上产生的应变是施加给该结构的惯性中心的单纯力量，即，没有力矩，其强度为F＝ma，m是质量，并且a是加速度。在枢转连接部的旋转轴线上，还可生成高力矩。第二干扰类型是磁性冲击：MEMS或NEMS磁力计具有活动元件，该元件可由磁场B移动。活动元件可包括具有磁化力矩M的磁性材料。在具有场B时，生成机械力矩并且该机械力矩等于MxB。如果磁场具有高强度，那么机械应力可损坏MEMS结构。第三干扰类型是干扰运动：在传感器具有不均匀的运动时，任何MEMS或NEMS传感器受到惯性力。这些力量可生成MEMS或NEMS结构的无用的运动。这些力矩可从传感器中在测量信号中产生干扰信号，例如，磁力计或压力传感器对加速度的敏感性、交叉敏感性等。然而，由弯曲梁或扭转梁形成的枢转连接部不能使平移运动的所有幅度沿着这三个空间方向减小并且不能关于与枢转连接部的轴线正交的方向进行旋转运动。换言之，根据这些自由度，仅仅由任一种梁形成的枢转连接部不确保具有高刚度。而且，MEMS和NEMS系统的微型化造成使用越来越小的连接梁，以便在该系统的不同元件之间保留高性能运动连接。然而，这些梁的横向横截面的减小会减小其横向刚度。然后，沿着横向方向与刚度1/k的倒转成比例的位移敏感性在这些条件下变得更高。在由传感器传送的信号中，可发生这些干扰位移。例如，如果检测装置为电容型，包括连接至活动结构的活动电极以及连接至固定结构的电极，那么在最通常的情况下，电容取决于所有自由度。例如，由于放置具有相反的依赖性的电容的电桥，所以测量方法能够减小该干扰信号，但是使测量方法更复杂。此外，应变仪可整合到系统中，以便检测在这两种结构之间的运动。这些应变仪的尺寸低于梁的尺寸，并且这些应变仪可具有的机械刚度高于形成枢转连接的梁的机械刚度，这是因为其具有小得多的长度。实际上，需要高纵向刚度，以便抵抗枢转连接的旋转运动：在仪表中生成的应力通过这种方式与旋转运动成比例。如果发生冲击，那么沿着这三个方向的这些高刚度可引起问题，这是因为具有最高刚度的元件刚好是抵抗由冲击力生成的力量的元件：结果，具有比形成枢轴的梁的尺寸更小的尺寸的应变仪和连接元件的退化风险越来越大，因此，MEMS或NEMS的退化风险也越来越大。提供与枢转连接的旋转轴垂直的应变仪。由于其高纵向和横向刚度，所以应变仪可防止干扰运动，然而，可通过补偿的方式经受可破坏的高应力。例如，如果冲击低于10000g(这是常用值)，那么可损坏应变仪，因此，该系统会失效。为了解决抗冲击性这一问题，一种解决方案包括在活动部件的附近蚀刻限位器，接近具有最大位移幅度的结构区域。最大的位移幅度具有尽快阻止由机械冲击生成的运动的功能：一旦阻止该部分，就分布在脆弱的机械元件(例如，应变仪)上生成的应力并且其增幅非常小。应逐个情况地进行尺寸测量，以确保该结构的抗冲击性。然而，该解决方案不能解决在任何情况下提出的问题。在损坏期间进行的运动可具有远远低于一微米的幅度，这是极限，在该极限之下，难以蚀刻在限位器与活动结构之间的间距。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的在于，为MEMS和NEMS结构提供枢转连接部，其能够抵抗对任何MEMS或NEMS结构形成机械干扰。本专利技术的目的由在第一部分和第二部分之间的机械连接部实现，第二部分用于围绕旋转轴线相对于第一部分枢转，该连接部至少包括第一梁和第二梁，这些梁的轴线相交并且在结构平面内限定具有增大的硬度的枢转轴线。在一个实施例中，第一梁与旋转轴线平行并且在第一活动部分和第二部分之间延伸，并且至少第二梁与旋转轴线垂直并且在第一部分和第二活动部分之间延伸。第一梁在扭转条件下工作，并且第二梁在弯曲条件下工作。在另一个实施例中，所产生的枢转轴线与由第一梁和第二梁的轴限定边界的角平分线垂直。这些类型的梁的组合沿着三个空间方向提供高平移刚度并且围绕与旋转轴线的方向不同的两个空间方向提供高旋转刚度。在发生冲击的情况下，那么应变仪收到保护。并且该梁组合能够获得对测量值的高敏感性。一方面，所提供的机械连接部能够减小关于除了枢转连接部的轴线以外的轴线进行的不期望的平移运动和旋转运动的幅度，因此，这能够使机械结构对其他潜在的外部干扰源(例如，磁力计的加速度或在加速计的情况下的横向轴的惯性力)不太敏感，这些不期望的运动能够在加速计中导致交叉敏感性。另一方面，该机械连接部为系统提供更高的机械冲击强度。机械连接部的这种性能对需要保存高质量以保持高敏感性的惯性型传感器领域非常感兴趣，但是其连接元件试图小型化，这就造成其变得更脆弱。然后，由于根据本专利技术，枢转连接部沿着补充的另外5个自由度具有高刚度，所以更脆弱的机械连接元件(例如，纳米应变仪)收到保护。在现有技术中，具有包括最大刚度的应变仪并且这些应变仪确实支持这些机械冲击。换言之，机械连接部的枢转轴线源自至少一个在扭转条件下工作梁的旋转轴线以及至少一个在弯曲条件下工作的梁限定的旋转轴线。在第一实施例中，优选地，由至少一个在扭转条件下工作的梁形成的旋转轴线和由至少一个在弯曲条件下工作的梁形成的旋转轴线重合。为此，扭转梁与固定和/或活动部分的至少一个锚固部位于弯曲梁的中心附近。在第二实施例中，优选地，在第一梁和第二梁的轴线之间形成的角度等于90°。因此，本专利技术的一个主题是一种在微机电和/或纳机电结构的两个部分之间形成具有旋转轴线(Y)的枢轴的机械连接部，包括至少一个第一梁和至少一个第二梁，第一梁和第二梁中的每个在其端部处连接至所述结构的所述两个部分，所述第一梁和第二梁具有在交叉点处相交并且在其间限定角的轴线，并且所述第一梁和第二梁在弯曲和扭转条件下工作，从而所述机械连接部的枢转轴线垂直于所述角的二等分线并且与所述第一梁和第二梁相交，以便使所述部分能够围绕所述枢转轴线旋转地移位并且防止所述部分沿着该轴线平移地移位。优选地，所述第一梁和第二梁的轴线的交叉点与所述部分中的任一个的惯性中心重合或者接近所述部分中的任一个的惯性中心。由这两个梁的轴线限定边界的角有利地在20°与160°之间。更有利地，该角等于90°。优选地，在所述交叉点与每个梁在所述部分之一上的锚定点之间的距离至少等于第一梁和第二梁的长度的一半，所述交叉点位于上述的所述部分之一所在的一侧。因此，本专利技术的另一个主题是一种在微机电和/或纳机电结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在微机电和/或纳机电结构的两个部分(2、4)之间的形成具有旋转轴线(Y)的枢轴的机械连接部，包括至少一个第一梁(220)和至少一个第二梁(222)，第一梁(20.1、20.2、120)和第二梁(22.1、22.2、122)中的每个在其端部(220.2、222.2、220.1、220.2)处连接至所述结构的所述两个部分(2、4)，所述第一梁和第二梁具有在交叉点(C)处相交并且在其间限定角(α)的轴线，并且所述第一梁和第二梁在弯曲和扭转条件下工作，从而所述机械连接部的枢转轴线(Y)垂直于所述角(α)的二等分线(224)并且与所述第一梁(220)和第二梁(22)相交，以便使所述部分能够围绕所述枢转轴线(Y)旋转地移位并且防止所述部分沿着该轴线(Y)平移地移位。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.12 FR 11614871.一种在微机电和/或纳机电结构的两个部分(2、4)之间的形成具有枢转轴线(Y)的枢轴的机械连接部，包括至少一个第一梁(220)和至少一个第二梁(222)，第一梁(20.1、20.2、120)和第二梁(22.1、22.2、122)中的每个在其端部(220.2、222.2、220.1、220.2)处连接至所述结构的所述两个部分(2、4)，所述第一梁和第二梁具有在交叉点(C)处相交并且在其间限定角(α)的轴线，并且所述第一梁和第二梁在弯曲和扭转条件下工作，从而所述机械连接部的枢转轴线(Y)垂直于所述角(α)的二等分线(224)并且与所述第一梁(220)和第二梁(22)相交，以便使所述两个部分能够围绕所述枢转轴线(Y)旋转地移位并且防止所述两个部分沿着该枢转轴线(Y)平移地移位。2.根据权利要求1所述的机械连接部，其中，所述第一梁和第二梁的轴线的交叉点与所述两个部分(2、4)中的任一个的惯性中心重合或者位于彼此附近。3.根据权利要求1或2所述的机械连接部，其中，所述角(α)在20°与160°之间。4.根据权利要求3所述的机械连接部，其中，所述角(α)等于90°。5.根据权利要求1或2所述的机械连接部，其中，在所述交叉点与每个梁在所述两个部分(2、4)之一上的锚定点之间的距离至少等于第一梁和第二梁(220、22)的长度的一半，所述交叉点(C)位于上述的所述两个部分之一所在的一侧。6.一种在微机电和/或纳机电结构的两个部分之间形成具有枢转轴线(Y)的枢轴的机械连接部，包括平行于所述枢转轴线(Y)提供的至少一个第一梁(20.1、20.2、120)和具有正交于所述第一梁的轴线的轴线的至少一个第二梁(22.1、22.2、122)，所述第一梁被配置为在扭转条件下工作，所述第二梁(22.1、22.2、122)被配置为在弯曲条件下工作，第一梁(20.1、20.2、120)和第二梁(22.1、22.2、122)中的每个在其端部处连接至所述结构的所述两个部分(2、4)，以便使所述两个部分能够沿着所述枢转轴线旋转地移位并且防止所述两个部分沿着该轴线平移地移位，其中，第一梁(20.1、20.2、120)沿着第一旋转轴线在扭转条件下工作，并且第二梁(22.1、22.2、122)在弯曲条件下工作，限定第二旋转轴线，并且其中，所述机械连接部的枢转轴线由所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪尧姆·约丹，迪克·尹泰尔特，帕特里斯·雷伊，阿诺·瓦尔特，
申请(专利权)人：原子能和替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：法国;FR