[发明专利]微机电Z轴面外止挡件

说明书

技术领域

本发明涉及微机电结构，并且更具体地讲涉及采用z轴面外止挡件的系统、装置和方法，其中所述止挡件控制成以微不足道的静电干扰来保护该结构免受力学冲击影响。该微机电结构不易受机械冲撞影响，并且表现出可以由减振件所实施的静电力造成的微不足道的偏差。

背景技术

微机电结构（MEMS）广泛用作为传感器，以测量加速度、旋转、压力和多种其它物理参数。MEMS器件通常利用微机加工工艺在硅基板上形成，并且因此具有几个微米的特征结构尺寸。这种小型化的器件将机械运动转换成可以表明所感兴趣的参数的程度的电信号。一种典型的MEMS器件是微机加工的电容式加速度计，其包括检验质量块（proof mass）。检验质量块在硅基板上方悬置，并且经由弹性元件被锚固，其中所述弹性元件被构造成提供期望的机械位移或振动。各种不同的MEMS器件已经在从消费产品到极端环境中所采用的专门产品范围内的应用中被广泛利用，并且迄今，MEMS器件可以容易地在汽车部件、移动电话、游艺装置、医疗器械以及军用装置中找到。

任何MEMS器件为了成功的商业化必须维持可接受程度的冲撞健壮性（shock robustness）。MEMS器件基本上依赖于其微结构的机械响应，并且这种结构不可避免地易于受到由周围环境耦合的机械振动和冲撞影响。然而，冲撞是可以潜在地使得器件性能降级并造成永久结构损害的一个主要的环境影响。如果MEMS器件并不具有足够的免疫力以抵抗可以在其应用中经历的冲撞，则可靠性容易打折扣并且迟早将会出现失效。

冲撞的形式为脉冲形机械载荷，其源自于短时间段内的较大的力。根据冲撞的源，冲撞的幅度可以显著地改变，范围从自由落体碰到地面的1g到某些极端状态下的10000g或更大。较高的冲撞程度要求MEMS器件采用更复杂的抗冲撞技术，并且通常导致更高的制造成本。在MEMS器件的应用并不需要过分健壮的情况下，将MEMS器件设计成过分健壮是一种浪费。大体上，MEMS器件必须根据其所将用于的特定应用被工程设计，从而能够以合理的代价提供合理程度的冲撞健壮性。

在一些现有技术中，弹性元件被工程设计成增加MEMS器件的健壮性，从而其可以承受更大的冲撞载荷。专门的媒介也可以被采用以填充包封MEMS器件的封装部，并且冲撞载荷在到达器件之前被显著地衰减。然而，这些技术直接地影响了结构，并且也连累了常规操作状态下的器件性能。存在保护MEMS器件免受冲撞同时维持其常规器件性能的需求。

发明内容

本发明的各个实施例涉及微机电结构，并且更具体地讲涉及采用控制成保护结构免受机械冲撞以及静电干扰影响的z轴面外止挡件的系统、装置和方法。该微机电结构更不易受机械冲撞影响，并且表现出可以由冲撞止挡件造成的静电干扰引起的微不足道的偏差。

本发明的一个方面是一种微机电结构，其包括传感器基板；检验质量块；帽基板以及多个平衡止挡件。检验质量块经由至少一个弹性元件在所述传感器基板上方悬置。所述检验质量块响应于所述结构的加速度而移位和倾斜。所述帽基板粘接至所述传感器基板以形成一封闭所述检验质量块的容腔。所述帽基板进一步包括多个冲撞止挡件，所述冲撞止挡件在所述检验质量块上方布置，以在冲撞载荷出现的情况下在特定的位置将所述检验质量块推回。多个平衡止挡件中的每个在所述检验质量块下方联接，所述多个平衡止挡件中的每个平衡止挡件根据所述多个冲撞止挡件中的一个冲撞止挡件的位置被布置并且通过平衡电压被电驱动。因此，所述多个平衡止挡件中的每个平衡止挡件在所述检验质量块上产生静电力和力矩，以平衡由对应的冲撞止挡件产生的力和力矩。

本发明的一个方面是以微不足道的静电干扰为代价保护微机电结构免受机械冲撞影响的方法。多个冲撞止挡件在帽基板上集成，所述帽基板粘接至传感器基板以形成一容腔，来封闭检验质量块。在所述检验质量块下方布置多个平衡止挡件。每个平衡止挡件根据所述多个冲撞止挡件中的一个冲撞止挡件的位置被布置。所述多个平衡止挡件中的每个平衡止挡件随后电联接至平衡电压，以使得在所述检验质量块上产生第一静电力和力矩，以平衡由对应的冲撞止挡件产生的第二力和力矩。

本发明的特定特点和优点已经大体上在该发明内容部分中描述；然而，附加的特征、优点和实施例在这里提出或者将对于本领域技术人员考虑到附图、说明书以及权利要求书而言是明显的。因此，应当理解本发明的范围并不应当由发明内容部分中所公开的具体实施例来限制。

附图说明