一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片制造技术

本发明专利技术涉及一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片。其基本结构由磁场产生单元、磁场检测单元、驱动单元和MEMS开关单元组成，其特点为：磁场产生单元由磁芯和绕制在磁芯的VBUS和GND线组成，其中磁芯采用铁氧体材料；磁场检测单元由霍尔元件、恒流源、放大电路和比较电路组成，霍尔元件是磁敏感元件，用于检测磁场；驱动单元用于提供MEMS开关动作所需要的较高的驱动电压；MEMS开关单元分别设置在USB接口的VBUS和GND线上。该芯片可以应用于通过USB接口充电的设备在充电过程中的漏电保护，一旦有漏电流，MEMS开关自动打开，切断充电电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电气安全
，涉及一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片及其制备方法。
技术介绍
在我们的生活中，离不开各种各样的用电设备。用电设备发生漏电，轻者会损坏设备，重者引起火灾、发生人身伤亡事故。据统计，近些年我国火灾事故中，电器故障导致火灾已经成为了一个重要原因，占到了每年火灾总数的30％，电器故障已经成为消防工作中一个不容忽视的重点问题。同时，人接触发生漏电的用电设备则可能发生触电事故。根据GB/T13870.1-2008(电流对人和家畜的效应第一部分：通用部分)，成人的摆脱电流约为10mA，其中摆脱电流指的是人手握电极能自行摆脱电极时接触电流的最大值。电流超过摆脱电流临界值后，人会感到异常疼痛和恐慌，如果电流流过持续时间过长，则可能造成昏迷、窒息，甚至死亡。在更高的电流情况下，在短时间内，就极有可能会引起心室纤维性颤动，这种情况对人体而言是致命的。这是引起低压触电事故的最主要的原因。所以，漏电保护在电气安全
是必不可少的。在现有技术中，用电设备一般采用过电流保护。在某些情况下，漏电流比较小，线路的总电流小于过电流保护的动作电流，则保护不会被触发，线路不会被切断。所以，漏电流保护不能被过电流保护所替代。同时，现有的漏电流保护技术大多应用于电网供电侧，即现在市场上主流产品——电流型漏电保护器，其基本原理为通过检测输电线路中的剩余电流，从而判断线路是否有漏电，并输出控制信号切断电路。其存在的缺陷是只能应用于交流漏电流的监测和交流系统的保护，同时，因为其安装在电网供电侧，一旦发生漏电保护，漏电保护器会将整个线路切断，在同一线路的其他用电设备因停电无法工作。在通过USB接口充电的设备中，现有
的技术一般是在整流装置(充电头)中增加限流模块，其缺陷同样是无法切断小漏电电流，而且整流装置的电路结构会变得比较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术中的不足之处，提出一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片。本专利技术采用以下技术方案：一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片，包括接在USB接口并产生磁场的磁场产生单元、检测磁场的检测单元、用于在漏电时切断电路的MEMS开关单元，以及驱动MEMS开关单元工作的驱动单元；当设备发生漏电，则磁场产生单元产生磁场，该磁场被检测单元获取，并触发MEMS开关动作。进一步，所述的磁场产生单元为聚磁铁芯，USB接口的VBUS和GND线绕制在聚磁铁芯上。进一步，所述聚磁铁芯为铁氧体磁芯。进一步，所述的检测单元利用霍尔元件检测磁场，该霍尔元件位于聚磁铁芯的正上方，保证当有磁场时，磁力线垂直于霍尔元件。进一步，所述的驱动单元为电荷泵升压模块，输入电压为3.3V，输出电压为12V。进一步，所述的MEMS开关单元由2个静电驱动的MEMS开关组成，分别设置在USB接口的VBUS和GND线上，每一个MEMS开关包括电极和用于实现电气隔离的隔离触点，所述电极形成等效平板电容，当施加激励电压时，所述平板电容提供静电力，驱动电极发生横向位移，完成“开”的动作；当撤掉激励电压，静电力随之消失。进一步，所述的电极包括可动电极和固定电极，其中，可动电极由中间的折叠弹簧梁支撑，固定电极被锚定在衬底上。进一步，所述固定电极和可动电极均为矩形梳齿状，每个梳齿上都有多个多晶硅叉齿，可动电极和固定电极上的多晶硅叉齿相互交错形成许多等效的平板电容。进一步，所述的MEMS开关是双向可动、两级并联结构。进一步，所述的MEMS开关的可动电极极板两面都有叉齿，与两个固定电极相对应。进一步，所述的隔离触点为隔离栅结构。进一步，所述MEMS开关进一步包括有自锁弹性梁，当施加激励电压时，隔离触点接通工作电路，同时突起和自锁弹性梁使开关保持在“常闭”状态。进一步，所述的磁场产生单元、检测单元、MEMS开关单元，以及驱动单元通过厚膜工艺封装于芯片载体内。一种MEMS开关的制备方法，该MEMS开关用于上述USB漏电保护芯片中，包括以下步骤：(1)依次在衬底上淀积氧化硅层、氮化硅层和多晶硅层，然后刻蚀掉部分多晶硅，形成互连线，其中，刻蚀的截止面为氮化硅层；(2)淀积磷硅玻璃层，淀积完之后，磷硅玻璃完全覆盖多晶硅层；(3)以多晶硅层为介质面对磷硅玻璃层进行刻蚀，形成支撑孔；(4)淀积多晶硅，淀积完之后，多晶硅完全覆盖磷硅玻璃层；(5)刻蚀最上层的磷硅玻璃层，形成表面结构；(6)在步骤(5)被刻蚀的位置淀积金属层和氮化硅，形成焊盘、触点电极和隔离触点；(7)腐蚀磷硅玻璃层。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术在USB接口安装磁场产生单元，这样，当漏电时，产生磁场，该磁场被检测单元捕获到，然后产生触发信号以触发MEMS开关动作。本专利技术安装在USB接口，这样，可以针对某个设备起到漏电保护的作用，而不会影
响其他设备，结构简单，使用方便。【附图说明】图1是本专利技术芯片的磁场产生单元示意图。图2是霍尔效应原理示意图。图3是本专利技术磁场检测单元示意图。图4的本专利技术芯片的MEMS开关的电极结构示意图。图5是本专利技术芯片的MEMS开关结构示意图。图6是本专利技术芯片的MEMS开关制备工艺流程示意图。图7是本专利技术芯片的整体结构示意图。附图中，1-聚磁铁芯，2-铁氧体磁芯，3-霍尔元件，4-电极，4-1-固定电极，4-2-可动电极，5-折叠弹簧梁，6-自锁弹性梁，7-可动隔离触点，8-静触点。【具体实施方式】为了克服上述缺陷和问题，本专利技术采用霍尔元件作为敏感元件检测漏电流产生的磁场，继而判断是否存在漏电，通过电荷泵来驱动MEMS开关，断开漏电回路，上述模块通过厚膜工艺集成于芯片载体内，相比现有的产品，结构简单，运用方便，同时可以切断小漏电电流。该芯片应用范围为基于USB接口充电的用电设备，在设备充电过程中，如果发生漏电，则切断充电线路，不影响供电网中其他用电设备的正常工作，而且还可以检测交直流漏电流。同时，芯片基于标准的表面微加工工艺制作和厚膜集成工艺，便于集成化批量生产，具有独特的优势。一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片，包括接在USB接口并产生磁场的磁场产生单元、检测磁场的检测单元、用于在漏电时切断电路的MEMS开关单元，以及驱动MEMS开关单元工作的驱动单元。磁场产生单元为聚磁铁芯，USB接口的VBUS和GND线绕制在聚磁铁芯上。聚磁模块由包含Co铁氧体磁芯及绕制在磁芯上的导线。本专利技术中的聚磁铁芯采用电阻率比较高的铁氧体材料。由于Co铁氧体具有一些物理方面、化学方面和磁导方面的特性而在磁性材料中占据重要的位置，钴铁氧体磁性材料的矫顽力和电阻率可以达到很大的值，比磁性合金高几十倍，而且它的高频磁导率特别大。虽然相对于软磁材料，铁氧体在磁导率和饱和磁化强度方面都处于劣势，在低频下，其饱和磁导磁化强度仅为软磁合金的1/4左右，但是由于铁氧体材料的高电阻率，使其在高频下，或者弱磁场时，能量损耗小，符合本专利技术的要求。在USB的接口定义中，USB的接口线分为VBUS、D+、D-和GND，其中D+和D-是差分信号线，在数据传输过程中，通过高频信号，在USB3.0接口中，其频率可以达到2.5GHz。为了使USB接口的数据传输功能不受影响，本专利技术中仅取VBUS和GND，绕制在聚磁铁芯上，具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片，其特征在于：包括接在USB接口并产生磁场的磁场产生单元、检测磁场的检测单元、用于在漏电时切断电路的MEMS开关单元，以及驱动MEMS开关单元工作的驱动单元；当设备发生漏电，则磁场产生单元产生磁场，该磁场被检测单元获取，并触发MEMS开关动作。

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片，其特征在于：包括接在USB接口并产生磁场的磁场产生单元、检测磁场的检测单元、用于在漏电时切断电路的MEMS开关单元，以及驱动MEMS开关单元工作的驱动单元；当设备发生漏电，则磁场产生单元产生磁场，该磁场被检测单元获取，并触发MEMS开关动作。2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片，其特征在于：所述的磁场产生单元为聚磁铁芯，USB接口的VBUS和GND线绕制在聚磁铁芯上。3.根据权利要求2所述的一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片，其特征在于：所述聚磁铁芯为铁氧体磁芯。4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片，其特征在于：所述的检测单元利用霍尔元件检测磁场，该霍尔元件位于聚磁铁芯的正上方，保证当有磁场时，磁力线垂直于霍尔元件。5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片，其特征在于：所述的驱动单元为电荷泵升压模块，输入电压为3.3V，输出电压为12V。6.根据权利要求1所述的一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片，其特征在于：所述的MEMS开关单元由2个静电驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国钢，陈前，刘竞存，耿英三，王建华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61