微電子機械系統開關、運動傳感器及運動傳感方法

2023-05-10 05:19:06 1

專利名稱：微電子機械系統開關、運動傳感器及運動傳感方法
技術領域：
本發明涉及一種微電子機械系統器件及採用該器件的傳感器及傳感方法，具體涉 及一種微電子機械系統開關、採用該微電子機械系統開關的傳感器及傳感方法。
背景技術：
目前，有大量的電子系統採用電池供電，需對系統的功耗作出嚴格限制，一個常用 的辦法就是在不使用該系統的時候，使系統進入「睡眠」狀態，即使系統休眠，以降低功耗。 系統需要判斷何時進入休眠狀態，而在休眠狀態時，又需要判斷何時解除休眠狀態，特別是 為了解除休眠狀態，需要有一低功耗的感應模塊在休眠狀態下維持工作，以等待發出喚醒 命令。系統被放置起來的時候往往是可以休眠的時候，因此迫切需要一個低功耗的運動 傳感器。特別是在某些應用中，系統大部分時間都處於休眠狀態，一個超低功耗的運動傳感 器可以大大延長系統的待機時間。微電子機械系統(MEMQ技術是指對微米/納米材料進行設計、加工、製造、測量和 控制的技術，可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系 統。這種微電子機械系統不僅能夠採集、處理與發送信息或指令，還能夠按照所獲取的信 息自主地或根據外部的指令採取行動。使用微電子技術和微加工技術(包括矽體微加工、 矽表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術)相結合的製造工藝，製造出各種性能優異、價格低 廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統。目前，MEMS開關主要有懸浮臂接觸式和並聯電容式兩種形式，其中，懸浮臂接觸式 開關由懸臂、金屬接觸點和靜電驅動機械部分組成，由靜電力使相對剛性的懸臂自由端與 襯底材料的傾斜度改變，造成與襯底分離間隙的大小，形成「開」、「關」狀態。這種開關需要 外加電壓驅動，不能用於運動傳感。

發明內容
本發明目的是提供一種微電子機械系統開關，可以用於傳感運動或重力方位情 況，同時提供包括該微電子機械系統開關的運動傳感器及運動傳感方法。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是一種微電子機械系統開關，包括基 片、錨和懸梁，所述錨固定在基片上，所述懸梁的一端為與錨連接的固定端，所述懸梁的另 一端為自由端，懸梁的自由端連接有一質量塊，在所述質量塊四周，至少一側設有接觸壁， 質量塊與接觸壁間具有間隙；所述質量塊與懸梁自由端具有向接觸壁方向運動的自由度， 在質量塊與接觸壁相互接觸時，該微電子機械系統開關導通。本發明設計了受重力或其它力的作用可以彎曲的懸梁，懸梁一端與錨相連，另一 端與一質量塊相連，採用質量塊的結構增加懸梁的彎曲度，在質量塊兩側或一側放置接觸 壁，在懸梁達到一定程度彎曲時，質量塊可以與接觸壁相接觸，形成低阻抗通路，達到開關 導通的效果。其中，錨和質量塊可以是任意形狀的，根據使用場合需要，懸梁可以設有彎曲結構，接觸壁的形狀和方位也可以變化。進一步的技術方案，在所述質量塊相對的兩側，各設有一所述接觸壁，所述質量塊 與兩側的接觸壁之間，分別具有間隙。根據需要，兩側的接觸壁可以是分開的，也可以是通 過其它方式連在一起的。上述技術方案中，所述懸梁的寬度小於質量塊的寬度。優選的技術方案，所述懸梁的寬度在Ium到3um之間，懸梁的長度在500um到 3000um 之間。質量塊與接觸壁之間的間隙寬度在Ium到3um之間。作為上述技術方案的一種具體應用，一種微電子機械系統運動傳感器，包括至少 一個上述的微電子機械系統開關。進一步的技術方案，包括多個所述微電子機械系統開關，各微電子機械系統開關 的懸梁之間構成不為零的夾角方式排列。一般地，可以將各開關按某種形式的陣列排列，由 於各開關之間具有不為零的夾角，當發生大於某一角度的移動，或者大於某一加速度的運 動時，開關陣列的狀態會發生改變。一種優選的技術方案是，設有3個所述微電子機械系統開關，各微電子機械系統 開關的懸梁之間按照相互垂直的方式排列。此時，不論如何擺放，至少有一個開關的懸梁 與水平面之間的夾角大於或等於45度，開關陣列按照合適的方式排列，可保證在任何情況 下，該系統都可以監測到一定角度的運動，或者一定角度的移動。上述運動傳感器可以製作成集成電路。本發明同時提供了一種運動傳感方法，根據所需傳感的運動方向或受力方向，設 置一個或多個上述的微電子機械系統開關，監測微電子機械系統開關的導通狀態的變化， 判斷是否有運動發生。在不導通時，開關上沒有電流流過，而在導通時也僅需要微量電流用 於驅動很小的負載電容以提供信號，因而實現了超低功耗的運動傳感。本發明中，錨、懸梁、質量塊、接觸壁的材料給可以是單晶矽或者其它材料。錨可以 是任意形狀，質量塊可以是任意形狀，懸梁可以是直線或曲線，接觸壁可以是任意形狀。錨、 懸梁、質量塊、接觸壁各自的數量至少一個，但不限於一個。由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點
1.本發明通過在懸梁的自由端設置質量塊，由質量塊運動與接觸壁接觸實現開關的導 通，因而不需要外加電壓驅動，可以用於運動傳感。2.本發明通過開關狀態來檢測是否有運動發生，在無運動的情況下，開關保持不 變，可以不需要電流流動；在運動觸發開關動作的情況下，開關上也只需很少的電量流過， 來驅動很小的負載電容，具有超低功耗的特點，特別適合用於喚醒工作模塊。3.本發明實現的晶片面積可以很小，對於不同的應用，根據系統可能會移動的角 度的大小，可以放置不同數量的開關形成陣列，來實現一定範圍的運動檢測。4.本發明的微電子機械系統開關輸出為數位訊號，便於應用。


圖1是本發明中MEMS開關的一個實施例的俯視圖； 圖2是圖1的剖面示意圖；圖3是本發明中MEMS開關的一個實施例受重力處於導通狀態的俯視圖； 圖4是本發明中MEMS開關的另一個實施例的俯視圖； 圖5是圖4中開關尺寸測量的示意圖6是由圖4中的開關以陣列方式構成的MEMS運動傳感器的一個實施例的俯視圖； 圖7是圖6中MEMS運動傳感器在重力作用下，位置改變引起的輸出狀態改變示意圖。圖8是用於產生輸出信號頻率的時鐘電路。圖9是將圖6中開關陣列的結果轉換成單個電平輸出的電路。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述，在附圖中，為了圖示說明目的，一 些元件的尺寸被放大，不是按比例繪製的
實施例
圖1與圖4分別圖示了根據本發明的兩個MEMS開關的實施例的俯視圖，其中包括，錨 10，懸梁11，質量塊12，接觸壁13，接觸壁與質量塊之間的間隙15，懸梁深入質量塊內部與 質量塊的間隙14(非必須的)。其中錨10固定在基片上，懸梁11 一端固定在錨10上，另一 端與質量塊12相連，懸梁11與質量塊12下面不與基片相連，可以移動，懸梁11選擇深入 質量塊12的內部，這樣可以在保持懸梁11長度的情況下，縮小面積。接觸壁13通過某處 固定在基片上，在本實施例中，均直接固定在下面的基片上，接觸壁13與質量塊12之間的 間隙15是必須的。圖2是圖1中實施例的剖面圖，此實施例是在SOI工藝上實現的，20為基片，21為 兩層矽之間的二氧化矽，22為二氧化矽21被刻蝕之後的空隙。本MEMS開關實施例的製造 中，先對上層的矽進行刻蝕，產生錨10，懸梁11，質量塊12，接觸壁13，間隙14，間隙15，然 後再對懸梁11，質量塊12的下方進行刻蝕，產生空隙22。圖3是圖1中實施例受重力作用，MEMS開關導通的情況。圖3中，開關平面與水 平面垂直，懸梁11與重力方向存在一定夾角Θ。在質量塊12的重力的作用下，懸梁11，發 生彎曲，質量塊12發生位移，當質量塊12的位移量達到間隙15的大小時，質量塊12與間 隙13相接觸，形成低阻抗通路，從而MEMS開關處於導通狀態。如果重力作用下，質量塊12 的位移小於間隙15的寬度，質量塊12與接觸壁13沒有接觸，則開關處於斷開狀態。圖5為上述MEMS開關的一種詳細實施例。將開關平面與水平面垂直，懸梁11與 重力方向的夾角為θ，質量塊的質量為m，懸梁的楊氏模量為Ε，則懸梁受重力作用發生彎 曲，質量塊的位移可以用下式計算
權利要求
1.一種微電子機械系統開關，包括基片、錨(10)和懸梁(11)，所述錨(10)固定在基片 上，所述懸梁(11)的一端為與錨(10)連接的固定端，其特徵在於所述懸梁(11)的另一端 為自由端，懸梁(11)的自由端連接有一質量塊(12)，在所述質量塊(1 四周，至少一側設 有接觸壁(13)，質量塊(1 與接觸壁(1 間具有間隙(1 ；所述質量塊(1 與懸梁自由 端具有向接觸壁(π)方向運動的自由度，在質量塊(12)與接觸壁(1 相互接觸時，該微 電子機械系統開關導通。
2.根據權利要求1所述的微電子機械系統開關，其特徵在於在所述質量塊相對的兩 側，各設有一所述接觸壁，所述質量塊與兩側的接觸壁之間，分別具有間隙。
3.根據權利要求1所述的微電子機械系統開關，其特徵在於所述懸梁的寬度小於質 量塊的寬度。
4.根據權利要求1所述的微電子機械系統開關，其特徵在於所述懸梁的寬度在Ium 到3um之間，懸梁的長度在500um到3000um之間。
5.根據權利要求1或2所述的微電子機械系統開關，其特徵在於質量塊與接觸壁之 間的間隙寬度在Ium到3um之間。
6.一種微電子機械系統運動傳感器，其特徵在於包括至少一個權利要求1所述的微 電子機械系統開關。
7.根據權利要求6所述的微電子機械系統運動傳感器，其特徵在於包括多個所述微 電子機械系統開關，各微電子機械系統開關的懸梁之間構成不為零的夾角方式排列。
8.根據權利要求6所述的微電子機械系統運動傳感器，其特徵在於設有3個所述微 電子機械系統開關，各微電子機械系統開關的懸梁之間按照相互垂直的方式排列。
9.一種運動傳感方法，其特徵在於根據所需傳感的運動方向或受力方向，設置一個 或多個權利要求1所述的微電子機械系統開關，監測微電子機械系統開關的導通狀態的變 化，判斷是否有運動發生。
全文摘要
本發明公開了一種微電子機械系統開關，包括基片、錨和懸梁，所述錨固定在基片上，所述懸梁的一端為與錨連接的固定端，其特徵在於所述懸梁的另一端為自由端，懸梁的自由端連接有一質量塊，在所述質量塊四周，至少一側設有接觸壁，質量塊與接觸壁間具有間隙；所述質量塊與懸梁自由端具有向接觸壁方向運動的自由度，在質量塊與接觸壁相互接觸時，該微電子機械系統開關導通。本發明還公開了採用上述開關的運動傳感器及運動傳感方法。本發明不需要外加電壓驅動，可以用於運動傳感；具有超低功耗的特點，特別適合用於喚醒工作模塊。
文檔編號G01P13/00GK102064039SQ20101056131
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者李秉緯 申請人:蘇州擴達微電子有限公司