用于MEMS器件的可动质量块的阻尼系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于MEMS器件(1)的可动质量块(2)的阻尼系统，系统能够防止质量块(2)与MEMS器件(1)的表面元件(3)之间的直接接触，阻尼系统包括：位于质量块(2)与表面元件(3)之间的机械缓冲器(4)；用于锁定/解锁缓冲器(4)的系统(5)，系统包括朝向缓冲器(4)定向的一个分支(51)，分支具有止挡端部(53)和能够使分支(51)枢转的销接合部(54)，锁定/解锁系统(5)限定质量块(2)的两个后续位置。

Damping System of Movable Mass Block for MEMS Devices

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于MEMS器件的可动质量块的阻尼系统
本专利技术涉及具有小尺寸可动元件、特别是在微机电系统(MicroElectro-MechanicalSystems，MEMS)内作为小尺寸惯性传感器的机械系统的设计。
技术介绍
MEMS器件的不可靠性和脆弱性的其中一个主要原因在于所述可动元件在振动事件或冲击期间与固定表面进行接触。这种接触一方面可以通过静电相互作用或范德华力而导致可动元件的键合。另一方面，这些可动元件和相邻元件例如在MEMS器件的急剧坠落期间可能由于剧烈和/或反复冲击而损坏。当运动中的元件具有较大质量或大的移位幅度时，这些问题更加相关：在两种情况下，当质量块发生移位时增加了可动主体的动能，并且增加了可动系统在与相对的固定表面碰撞期间的损坏风险。在诸如加速器或陀螺仪的高级惯性系统内尤其是这种情况，这种系统必须包括高惯性和大的移位幅度的质量块，以降低信噪比。为了限制键合风险，本领域已知的是，在MEMS传感器可动主体的表面上实施刚性阻挡元件，以便减小可动主体与位于该可动主体的轨迹上的固定支撑件之间的接触区域的表面。实际上，在键合的源处的相互作用的强度与所述接触表面成比例。然而，该表面越小，在该表面上集中的机械约束就越多，增加在阻挡处机械故障的风险。为了不再突然停止可动主体对着固定支撑件的行程，而是为了阻尼可动主体的行程以使该可动主体的移位减速然后停止，已经提出了将柔性和可变形的弹性或塑料阻挡器而不是刚性和不可变形的阻挡元件引入到MEMS传感器中。以下出版物：S.W.Yoon，S.Lee，N.C.Perkins和K.Najafi的“使用集成的新型冲击保护技术的改进冲击保护(Shock–ProtectionImprovementUsingIntegratedNovelShock-ProtectionTechnologies)”，微电机系统期刊，第20卷，第4期，第1016-1031页，2011年8月，提出了具有弹性或塑料性能的阻挡件，以减小梁在MEMS系统内的硬表面上的冲击力。然而，塑料性质的阻挡元件的设计在用于制造机械部件的方法中引起了额外的复杂性。此外，在运动中与具有纯弹性性能的阻挡器发生接触的可动元件的动能主要转换为阻挡器的势能。当可动主体的动能达到零时，高弹性的阻挡器可以将阻挡器的大部分势能恢复为可动主体的动能，能量耗散很小。因此，阻挡器可能使可动主体再次移动并且可导致可动结构在相邻表面上的多次回弹，这存在机械破坏的风险。为了克服这个问题，已经提出了将这种弹性阻挡器锁定在其由可动主体移位的位置，同时该弹性阻挡器以势能的形式存储了可动主体的一部分动能，使得这种势能未返回到可动主体。读者将能够参考以下出版物：K.Xu，N.zhu，X.Zhang，W.Su，W.Zhang和Y.Hao的“基于MEMS兼容锁定阻挡器的新型冲击保护方法(AnovelshockprotectionmethodbasedonMEMScopliantlatchingstopper)”,2016年IEEE微电子机械系统(MEMS)国际会议会刊，2016年，第1125-1128页。在此实施的弹性阻挡器包括位于从阻挡器表面突出的部分上的一对钩，该一对钩可以与安装在面向阻挡器的壁上的钩配合。当朝向壁的质量块与阻挡器发生接触时，阻挡器变形，然后一旦该阻挡器到达临界变形幅度，该阻挡器就被钩机械地锁定在该阻挡器的变形位置。因此，当可动主体返回到其初始位置时，阻挡器被止挡并且不能够将其弹性势能传递到可动主体。阻挡器不能在可动主体附近被释放并引起回弹。然而，该解决方案以及现有技术中已知的其他类似的解决方案具有不可多次使用的严重缺点，阻挡器的止挡被设计成是不可逆的。对于机械结构的新的冲击或振动事件的发生，保持在止挡位置的阻挡器系统不再保证其吸收机械冲击的功能，甚至可能使该效果恶化。当阻挡器处于止挡位置时，增加了可动主体的自由偏移幅度并且可以增加该可动主体的动能冲击能。国际专利申请WO2006/127035A2公开了一种可以在MEMS器件中实施的冲击传感器，该冲击传感器包括可平移移动的质量块。该质量块设置有可与棘轮接合的钩，以在冲击事件之后将质量块保持在锁定位置并且检测一定水平的冲击。该文献提供了一种用于对质量块进行解除止挡的附加元件，该附加元件呈可作用在棘轮上的解锁致动器的形式。因此，可重复使用冲击传感器以检测一连串冲击事件。然而，在此不确保吸收可动主体与相对元件之间的冲击的功能。在该文献中实施的器件的复杂性和体积使其难以与吸收由可动主体所经受的冲击的元件相关联。另外，在该文献中描述的重启致动器由主动(例如热或电容)控制来控制，并且该文献没有提出在被动控制模式中的纯机械解决方案。因此，需要一种用于锁定在机电微结构中的弹性阻挡器的解决方案，该解决方案还通过被动或主动控制提供了解锁阻挡器的步骤，而不会在设计中引起过度的复杂性。
技术实现思路
本专利技术通过适配于小尺寸系统的机械设计和机械元件的巧妙尺寸而提出了一种在MEMS型器件中有相关用途的用于控制微机械结构的弹性阻挡器的锁定/解锁的系统，该系统可以在被动以及主动控制模式下工作。根据本专利技术的阻挡器结合根据本专利技术的锁定/解锁系统提供了机械滞后回线，阻挡器相对于其阻尼的可动质量块的移位幅度具有非线性机械性能。然而，如下文中将要描述的，随后的解锁步骤解决了在第一次冲击事件之后通过将阻挡器止挡在锁定位置所引入的不可逆性，可以对该解锁步骤进行主动或被动地控制。根据第一方面，本专利技术涉及一种用于这种器件的可动质量块的阻尼系统，系统能够防止质量块与MEMS器件的表面元件之间的直接接触，质量块可沿第一方向相对于表面元件平移地移动，阻尼系统包括：-具有弹性性能的机械阻挡器，该机械阻挡器位于质量块与表面元件之间，所述阻挡器当其处于静止位置时沿第二方向定向，与锁定/解锁系统相关联的是以下元件：·分支，该分支朝向阻挡器定向，该分支终止于止挡端部，·枢轴连接件，该枢轴连接件能够使分支沿垂直于板的平面的旋转轴线枢转，MEMS器件的元件布置在该板上，锁定/解锁系统沿质量块的平移方向界定质量块的两个位置：-中心位置，-第一端位置，在第一端位置，质量块相对于其中心位置更靠近相对表面元件，然后阻挡器沿锁定位置压向表面元件，分支被构造成通过止挡端部将阻挡器止挡在该锁定位置，解锁系统进一步被构造成使得锁定/解锁系统能够围绕枢轴连接件旋转直至使得阻挡器未被保持在锁定位置的位置。在对应于锁定/解锁系统的被动机械控制的一个实施例中，如图1至图9中所示，在此提供了一种锁定/解锁系统，该锁定/解锁系统进一步包括杆，该杆固定到分支并且与分支沿相同的枢轴连接件旋转，阻尼系统进一步包括固定到质量块的突出元件，该突出元件从质量块朝向该杆延伸出，使得当质量块从中心位置转换到第二端位置时，杆通过突出元件的平移移动而驱动，并且使锁定/解锁系统围绕枢轴连接件旋转直至使得阻挡器未被保持在锁定位置的位置。在对应于在此未示出的阻挡器的锁定和解锁的主动控制的第二实施例中，可以通过致动器确保对锁定/解锁系统围绕其枢轴连接件的旋转操作进行控制，该致动器例如与MEMS器件的相对表面的致动器相关联。这些致动器可以例如是电激活静电梳状驱动器，以调节锁定/解锁系统与相对表面之间的距离，从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于MEMS器件(1)的可动质量块(2)的阻尼系统，所述系统能够防止所述质量块(2)与所述MEMS器件(1)的表面元件(3)之间的直接接触，所述质量块(2)能够沿第一方向(D1)相对于所述表面元件(3)平移地移动，所述阻尼系统包括：‑具有弹性性能的机械阻挡器(4)，所述机械阻挡器位于所述质量块(2)与所述表面元件(3)之间，所述阻挡器(4)当处于静止位置(PBR)时沿第二方向定向，‑用于锁定/解锁所述阻挡器(4)的系统(5)，所述阻尼系统的特征在于，锁定/解锁系统(5)包括：·分支(51)，所述分支朝向所述阻挡器(4)定向，所述分支包括止挡端部(53)，·枢轴连接件(54)，所述枢轴连接件能够使所述分支(51)沿基本上垂直于所述第一方向(D1)和所述第二方向的旋转轴线(A)枢转，所述锁定/解锁系统(5)沿平移的所述第一方向(D1)限定出所述质量块(2)的以下两个位置：‑所述质量块(2)的中心位置(PMC)，所述质量块(2)被返回装置(21，22)力迫在所述中心位置(PMC)，每个返回装置连接到所述质量块并且连接到所述MEMS器件的相对于所述表面元件(3)固定的结构，‑第一端位置(PM1)，在所述第一端位置，所述质量块(2)相对于所述质量块的中心位置(PMC)更靠近所述表面元件(3)，所述阻挡器(4)沿锁定位置(PBV)压向所述表面元件(3)，所述分支(51)被构造成通过所述分支的止挡端部(53)将所述阻挡器(4)止挡在所述锁定位置(PBV)，所述锁定/解锁系统能够围绕所述枢轴连接件(54)旋转直至使得所述阻挡器(4)未被保持在所述锁定位置(PBV)的位置。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.21 FR 16612961.一种用于MEMS器件(1)的可动质量块(2)的阻尼系统，所述系统能够防止所述质量块(2)与所述MEMS器件(1)的表面元件(3)之间的直接接触，所述质量块(2)能够沿第一方向(D1)相对于所述表面元件(3)平移地移动，所述阻尼系统包括：-具有弹性性能的机械阻挡器(4)，所述机械阻挡器位于所述质量块(2)与所述表面元件(3)之间，所述阻挡器(4)当处于静止位置(PBR)时沿第二方向定向，-用于锁定/解锁所述阻挡器(4)的系统(5)，所述阻尼系统的特征在于，锁定/解锁系统(5)包括：·分支(51)，所述分支朝向所述阻挡器(4)定向，所述分支包括止挡端部(53)，·枢轴连接件(54)，所述枢轴连接件能够使所述分支(51)沿基本上垂直于所述第一方向(D1)和所述第二方向的旋转轴线(A)枢转，所述锁定/解锁系统(5)沿平移的所述第一方向(D1)限定出所述质量块(2)的以下两个位置：-所述质量块(2)的中心位置(PMC)，所述质量块(2)被返回装置(21，22)力迫在所述中心位置(PMC)，每个返回装置连接到所述质量块并且连接到所述MEMS器件的相对于所述表面元件(3)固定的结构，-第一端位置(PM1)，在所述第一端位置，所述质量块(2)相对于所述质量块的中心位置(PMC)更靠近所述表面元件(3)，所述阻挡器(4)沿锁定位置(PBV)压向所述表面元件(3)，所述分支(51)被构造成通过所述分支的止挡端部(53)将所述阻挡器(4)止挡在所述锁定位置(PBV)，所述锁定/解锁系统能够围绕所述枢轴连接件(54)旋转直至使得所述阻挡器(4)未被保持在所述锁定位置(PBV)的位置。2.根据权利要求1所述的阻尼系统，其中，所述锁定/解锁系统(5)进一步包括杆(52)，所述杆固定到所述分支(51)并且能够沿所述枢轴连接件(54)旋转，所述阻尼系统进一步包括突出元件(23)，所述突出元件固定到所述质量块(2)，且从所述质量块(2)朝向所述杆(52)突出，所述杆(52)和所述突出元件(23)被构造成使得，当所述质量块(2)从所述中心位置(PMC)转换到第二端位置(PM2)时，所述杆(52)通过所述突出元件(23)的平移移动所驱动，并且所述杆使所述锁定/解锁系统(5)围绕所述枢轴连接件(54)旋转直至使得所述阻挡器(4)未被保持在所述锁定位置(PBV)的位置。3.根据权利要求1或2所述的阻尼系统，所述阻尼系统进一步包括位于所述分支(51)附近的致动器，所述致动器能够通过主动控制驱动所述分支，从而使所述分支围绕所述枢轴连接件(54)旋转直至使得所述阻挡器(4)未被所述分支保持在所述锁定位置(PBV)的位置。4.根据权利要求3所述的阻尼系统，其中，位于所述分支附近的所述致动...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪尧姆·杰罗姆·弗朗索瓦·利赫，
申请(专利权)人：赛峰集团，原子能和替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：法国,FR