在微机电系统(MEMS)装置中耦合折叠弹簧的制作方法

本公开涉及在微机电系统(mems)装置中将质量块耦合基板的弹簧。

背景技术：

多种微机电系统(mems)装置包括可移动地耦合基板的质量块。这种装置采用使质量块耦合基板的一系列耦合结构，例如直梁耦合器、t形锚、螺旋弹簧或折叠弹簧。

技术实现要素：

描述了微机电系统(mems)装置，包括：质量块，通过设置在质量块的相对侧上的折叠弹簧可移动地连接到基板，其中耦合器将折叠弹簧中的两个耦合在一起。在一些实施方式中，耦合器是棒并且可以是刚性的。因此，耦合器限制折叠弹簧相对于彼此的运动。按照这种方式，质量块的运动可能被限制在优选的类型和频率上。

在某些实施方案中，提供微机电系统(mems)装置，包括：基板；通过第一和第二折叠弹簧可移动地耦合所述基板的质量块，其中质量块沿着所述第一折叠弹簧和/或所述第二折叠弹簧的压缩方向设置在所述第一和第二折叠弹簧之间；和使所述第一折叠弹簧耦合所述第二折叠弹簧的棒。

在某些实施方案中，提供微机电系统(mems)装置，包括：基板；通过第一和第二折叠弹簧可移动地耦合所述基板的质量块，其中质量块沿着所述第一折叠弹簧和/或所述第二折叠弹簧的压缩方向设置在所述第一和第二折叠弹簧之间；和用于使第一折叠弹簧耦合第二折叠弹簧的构件。

在某些实施方案中，提供被构造于采集能量的系统。所述系统包括：储能装置；和能量采集器，耦合储能装置和被构造为向所述储能装置递送电力。能量采集器包括：基板；通过第一和第二折叠弹簧可移动地耦合所述基板的质量块，其中质量块沿着所述第一折叠弹簧和/或所述第二折叠弹簧的压缩方向设置在所述第一和第二折叠弹簧之间；和使所述第一折叠弹簧耦合所述第二折叠弹簧的棒。

附图说明

将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施例。应当理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在其出现的所有图中由相同的附图标记表示。

图1a是根据本发明的实施方案的微机电系统(mems)惯性装置的透视图，其具有通过折叠弹簧弹簧式连接到基板的质量块，其中棒将两个折叠弹簧耦合在一起。

图1b是图1a的mems惯性装置的顶视图。

图1c、1d和1e图1a-1b的mems惯性装置的三种不同操作模式。

图2a是根据本发明的实施方案的mems惯性装置的透视图，其具有通过折叠弹簧弹簧式连接到基板的质量块，其中多个棒将折叠弹簧中两个的多个折叠耦合在一起。

图2b是图2a的mems惯性装置的顶视图。

图2c、2d和2e描述图2a-2b的mems惯性装置的三种不同操作模式。

图2f是与图1a所示相比包括用于折叠弹簧的替代形状的mems装置的顶视图。

图3是引入本文所述类型的mems惯性装置的系统。

图4根据本发明的非限制性实施方案描述具有图3所示类型的传感器系统的汽车。

具体实施方式

本发明的方面提供了一种微机电系统(mems)装置，其具有通过耦合在质量块的相对侧上的两个折叠弹簧耦合到基板的可移动质量块，质量块通过耦合器耦合在一起。两个弹簧可以是具有蛇形形状的折叠弹簧，沿着质量块的运动方向延伸，并且所述耦合器可以是沿着从弹簧之一到另一个的运动方向延伸的棒。棒可以是刚性的，从而限制两个弹簧相对于彼此的运动。按照这种方式，在mems装置的正常操作条件下可能会抑制折叠弹簧的不期望的振动模式。

在一些实施方案中，弹簧可以包括多个折叠。多个耦合器可以将一个弹簧耦合到另一个弹簧，例如通过将一个弹簧的相应折叠连接到另一弹簧。在一些实施例中，耦合器可能都是刚性棒。

在一些实施方案中，mems装置是一种能够从可移动质量块运动中获得能量的能量采集装置。在至少一些实施例中，期望质量块从其平衡位置的位移是大的，例如大于200微米。位移越大，可能收获的能量越多。这里描述的耦合器将两个折叠弹簧联接在一起可以有助于这种弹簧在mems装置中的使用，其中质量块旨在经历大的位移。耦合器可以允许在mems装置的优选振动模式下的大位移，同时抑制与不想要的振动模式相关联的位移。

图1a是具有通过折叠弹簧弹性地连接到基板的质量块的mems装置的透视图，根据本发明的实施方案，将两个折叠弹簧连接在一起。mems装置100包括质量块102、具有空腔105的基板104、具有各个锚定点108a、108b、108c和108d的四个折叠弹簧106a、106b、106c和106d以及两个耦合器110a和110b。图1b是图1a的结构的俯视图，为了便于说明省略了基板104。

质量块102可以具有任何合适的尺寸和形状，并且可以由任何合适的材料形成。作为示例，质量块102可以是矩形(例如，正方形)，并且可以由硅形成。在一些实施方案中，质量块102由与基板104相同的材料形成。例如，基板104可以是硅基板，并且质量块102可以通过合适的微加工技术(例如，光刻和蚀刻)从基板104形成。作为非限制性示例，质量块102可以具有在0.3mm和3mm之间的厚度t1或者该范围内的值中的任何值或范围。作为非限制性示例，质量块102可以具有3mm至20mm之间的长度l1或者该范围内的值中的任何值或范围。

作为非限制性实例，基板104可以是硅基板或者可以由其它半导体材料形成。在一些实施方案中，基板104形成晶片的一部分，使得可以使用晶片级制造技术同时在晶片上形成mems装置100的多个实例。在这样的实施例中，可以从晶片切割各个mems装置。空腔105可以使用合适的微加工技术形成在基板104中，使得质量块102悬挂在空腔105上方。应当理解，替代实施例不包括基板中的空腔，因为存在相对于基板104实现可移动质量块的替代方式。

折叠弹簧106a-106d可以在本文中被称为“手风琴式弹簧”、“折叠式弹簧”、“折叠系绳”或其他类似的术语，在该非限制性示例中基本上彼此相同，并且每个包括单个折叠。在替代实施例中，折叠弹簧可以包括多于一个的折叠，其示例在图2a中示出并在下面进一步描述。从图1a和1b可以看出，一对折叠弹簧包括在质量块102的相对侧上。包括折叠弹簧106a和106b的第一对位于可移动质量块102的一侧，包括折叠弹簧106c和106d的第二对位于该物体的相对侧上，使得质量块102位于折叠弹簧对之间。

折叠弹簧106a-106d可以沿y轴伸展(或压缩)(图2)，允许质量块102沿该方向移动。弹簧106a-106d在相应的固定点108a-108d处联接到基板104，固定点108a-108d是固定的。锚点可以对应于相应折叠弹簧106a-106d的端部。在一个实施例中，锚点可以表示向下延伸到基板的表面的柱。替代配置是可能的。例如，在一些实施例中，由锚点108a-108d表示的折叠弹簧的端部可替代地终止在基板104的侧面(或侧壁)上。

折叠弹簧106a-106d可以具有任何合适的尺寸。例如，参考图1a，折叠弹簧可以具有在10微米到2mm之间的厚度t2或者该范围内的值中的任何值或范围，作为非限制性示例。参考图1b，它们可以具有在200微米到3mm之间的y方向上的长度l2或者该范围内的值中的任何值或范围，并且总曲折长度将更长。长度ls可以确定质量块的可能的位移，并且因此可以具有适当的值以提供质量块的期望量的位移，例如在150微米和2mm之间。提供折叠弹簧的折叠距离质量块的片段的长度ld可以是长度ls的大约一半。折叠弹簧106a-106d在x-y平面中的宽度w1可以沿长度变化。例如，质量块102附近的宽度可能更大，靠近锚点的距离较小。替代配置是可能的。可以选择宽度为w1的值以提供mems装置的期望谐振频率。在一些实施方案中，宽度w1可以在1微米至300微米之间或者是该范围内的值中的任何值或范围。

可以选择折叠弹簧的尺寸以允许质量块在y方向上的大的位移。例如，可以选择折叠弹簧的长度和锚定点相对于质量块的定位，以允许折叠弹簧在0.3mm和5mm之间、在1mm和3mm之间或者在该范围内的值中的任何值或范围内膨胀和压缩，因此，在一些实施例中，质量块102的运动范围可以在这些范围内或更大的距离内。这种大的位移在各种应用中可能是有益的，例如在mems装置100是从质量块102的运动收集能量的能量采集器时。

mems装置可以包括不同于106a-106d的折叠弹簧。也就是说，折叠弹簧106a-106d的形状是非限制性的例子。另外的示例在图2f中示出并在下面进一步描述。

如图1a-1d所示，耦合器110a和110b将质量块102的相对侧上的折叠弹簧连接在一起。在该示例中，耦合器110a将折叠弹簧106a和106c耦合在一起，而耦合器110b将折叠弹簧106b和106d耦合在一起。在该示例中，耦合器110a和110b基本上是直的。它们可以具有任何合适的尺寸以提供期望的刚性程度。例如，它们可以具有与折叠弹簧相同的厚度t2，但是可以具有大于宽度w1的宽度w2。在一些实施方案中，宽度w2大于w1的2到20倍、大于w1的2到10倍或是该范围内的值中的任何值或范围。可以选择宽度w2为基本上足以抵抗耦合器110a和110b在x或z方向上的弯曲，并且在mems装置100的典型操作条件下能够在y方向上抵抗拉伸或压缩。例如，宽度w2可以在50和500微米之间或是该范围内的值中的任何值或范围。耦合器110a和110b在耦合到折叠弹簧的耦合点处的宽度w3可以大于宽度w2。在一些实施方案中，宽度w3是w2的1.5到5倍之间，尽管还有其他选择。耦合器110a和110b的长度l3足以围绕质量块102延伸。例如，长度l3可以在质量块102的长度l1的1.25到3倍之间。在耦合器和折叠弹簧的耦合点处，长度l4可能足以在弹簧和耦合器之间提供强大的机械耦合。在一些实施方案中，l4在300微米到1.5毫米之间，尽管有可能采用替代方案。

应当理解，在至少一些实施例中，包含耦合器110a和110b并不显著增加mems装置100的尺寸。如上所述，在一些实施例中，耦合器的宽度可以在50微米和500微米之间。来自质量块102的x方向上的耦合器的偏移d1可以在20微米到300微米之间或是该范围内的任何值。因此，在至少一些实施例中，耦合器110a和110b的存在可以在x方向上向装置添加小于长度l1的30％。在一些实施方案中，通过包括耦合器110a和110b，在x方向上加入比长度l1小20％或小10％。因此，可以通过相对小的增加装置尺寸来实现耦合器的益处。

如图所示，在一些实施例中，提供了耦合折叠弹簧的向外表面的耦合器。然而，并不是所有实施例在这方面都受到限制，因为耦合器可以被配置为以折叠弹簧的向内相对的部分联接的替代配置。图2a中示出了一个例子，并在下面进一步描述。

耦合器110a和110b可以由任何合适的材料形成，并且在一些实施例中由与它们耦合的折叠弹簧相同的材料形成。例如，它们可以由相同的图案化和蚀刻工艺形成。

图1c、1d和1e示出了图1a-1b的mems装置100的三种不同的操作模式。为了简化说明，这些图省略了基板104。

图1c示出了与质量弹簧系统的基本振动模式相关联的mems装置100的位移。在该示例中，质量块沿着y轴移动，更具体地，图1c示出了质量块102在负y方向上从其平衡位置移位的状态。在这种状态下，折叠弹簧106a和106b沿着y方向压缩，折叠弹簧106c和106d沿y方向膨胀。可以看出，耦合器110a和110b不膨胀或收缩，使得折叠弹簧的耦合折叠之间的距离保持相同。也就是说，折叠弹簧106a的耦合点与折叠弹簧106c的耦合点之间的距离与mems装置100的平衡状态保持不变。同样地，折叠弹簧106b的耦合点与折叠弹簧106d的耦合点之间的距离与平衡状态保持不变。

在一些实施方案中，图1c所示的运动表示mems装置100的期望运动。例如，响应于经历振动、加速度或某些其他感兴趣的条件，质量块可能希望沿着y方向经历大的位移。在一些实施方案中，位移产生由合适的电极检测并由合适的电路捕获和存储的电信号。因此，质量块的运动可以转换为收获的电能。在替代实施例中，mems装置100可以是诸如加速度计或陀螺仪的传感器，并且质量块102可以响应于诸如mems装置100的加速或旋转的关注条件而移位。可以检测位移，从而提供有经验的状况的指示。在其他实施例中，mems装置可以是致动器。在一些实施方案中，系统可以包括多个这样的mems装置，其被配置为从收割机、传感器和致动器中选择的不同类型的装置。

图1d示出了质量块102沿z轴移动的振动模式。特别地，图1d示出了质量块102在正z方向上从其平衡位置移位的状态。耦合器110a和110b可以防止折叠弹簧106a-106d响应于质量块的这种运动而自由地扭转，并且因此可以抑制示出的振动模式。

图1e示出了质量块102围绕y轴旋转的振动模式。特别地，图1e示出了质量块102从其围绕y轴的平衡位置逆时针旋转的状态。耦合器110a和110b可以防止折叠弹簧106a-106d响应于质量块的这种运动而自由地扭转，并且因此可以抑制示出的振动模式。

图1d和1e示出了在至少一些实施例中可能是不期望的运动，因此所示出的振动模式可以被认为是虚假模式。再次，在一些实施例中，质量块102可能期望沿着y轴展现图1c所示的运动。在这种情况下，抑制图1d和1e所示运动的发生可能是有益的。耦合器110a和110b可以导致图1d和1e所示的振动模式的谐振频率在频域中从图1c所示的振动模式的谐振频率充分地移位，使得它们不太可能发生在mems装置100的典型操作期间。换句话说，耦合器110a和110b可以通过在折叠弹簧之间提供刚性连接来抑制或完全地防止图1d和1e所示的位移类型。在一些实施方案中，与图1c和图1所示的振动模式相关的谐振频率明显高于图1c所示的振动模式的谐振频率。例如，图1d和1e的振动模式可以具有比图1c的振动模式的谐振频率大200hz到3khz或该范围内的值中的任何值或范围的谐振频率。在一些实施方案中，质量弹簧系统的第二和更高阶振动模式可能具有比一阶振动模式的共振频率大2至20倍的谐振频率。

如前所述，将质量块耦合到基板的折叠弹簧可以包括多于一个折叠。在这样的实施例中，本文所述类型的一个或多个耦合器可将两个折叠弹簧的一个或多个折叠物连接在一起。图2a和2b示出了非限制性示例。

mems装置200包括前面结合图1a和1b描述的许多相同的部件，所以在这里不再详细描述那些部件。然而，不同之处在于，提供多重折叠弹簧206a、206b、206c和206d以将质量块102耦合到基板104。此外，mems装置200包括六个耦合器210a、210b、210c、210d、210e和210f。

在该示例中，与图1a的单折叠折叠弹簧相反，折叠弹簧206a-206d中的每一个具有三个折叠。耦合器210a-210f将相对的折叠弹簧的相应褶皱连接在一起。也就是说，耦合器210a-210c将折叠弹簧206a和206c的相应折叠连接在一起，而耦合器210d-210f将折叠弹簧206b和206d的各个折叠耦合在一起。耦合器可以具有任何合适的尺寸以提供期望的刚性程度。例如，耦合器210a-210f的长度、厚度和宽度可以在前面关于耦合器110a和110b列出的范围内或是任何其它合适的尺寸。

从图2a和2b可以看出，耦合器210b、210c、210e和210f的形状可以彼此基本上相同，但是210b和210e可以具有与210c和210f不同的长度，以允许不同折叠的耦合折叠弹簧。耦合器210a和210d具有与其它耦合器不同的形状，因为它们将折叠弹簧的彼此面对的表面耦合。换句话说，耦合器210a和210d具有环绕折叠弹簧的环绕段。例如，耦合器210a包括环绕段212a和212b，耦合器210d包括环绕段212c和212d。因此，在一些实施例中提供了耦合折叠弹簧的折叠，所述折叠弹簧彼此面向不同方向。例如，耦合器210b耦合到由段211c、211d和211e构成的折叠弹簧206c的折叠部分，该部分211c、211d和211e面向与由分段211a、211b和211c组成的耦合器210a耦合的折叠弹簧206c的折叠方向不同的方向。

从图2a和2b应当理解，在一些实施例中，提供了耦合相对折叠弹簧的每个折叠的耦合器。然而，并不是所有实施例在这方面都受到限制。例如，图2a和2b所示的mems装置的替代结构可以具有两个耦合器或四个耦合器，而不是六个。在替代实施例中可以省略耦合器210b和210e。

图2c、2d和2e示出了图2a-2b的mems装置的三种不同的操作模式。图2c示出质量块在y方向上移动的质量弹簧系统的振动模式。特别地，图2c示出了质量块102在负y方向上从其平衡位置移位的状态。折叠弹簧206a和206b压缩，折叠弹簧206c和206d展开。耦合器210a-210f不会膨胀或压缩，因此耦合弹簧的各个折叠之间的距离不变。在一些实施方案中，图2c所示的振动模式表示mems装置200的基本振动模式。

图2d示出了质量块102在z方向上移动的操作模式。特别地，图2d示出了质量块102在正z方向上从其平衡位置移位的状态。这里，耦合器210a-210f抵抗与这种振动模式相关联的折叠弹簧的扭转，从而抑制振动的模式。

图2e示出了质量块102围绕y轴旋转的振动模式。特别地，图2e示出了质量块围绕y轴逆时针旋转的状态。耦合器210a-210f也抵抗这种操作模式。

与mems装置100的耦合器110a和110b一样，耦合器210a-210f可以影响某些振动模式的谐振频率。例如，图2d和2e所示的振动模式的谐振频率可能显著高于图2c所示的模式的谐振频率，使得它们在mems装置200的典型操作期间不太可能发生。按照这种方式，耦合器210a-210f可以完全抑制或阻止这种振动模式。作为示例，与图2d和2e的振动模式相关联的谐振频率可以比与图2c的振动模式相关联的谐振频率高200hz到3khz。在一些实施方案中，质量弹簧系统的第二和更高阶振动模式可能具有比一阶振动模式的共振频率大2至20倍的谐振频率。因此，在mems装置200的典型操作期间，可以抑制这种不期望的振动模式。

如前所述，图1a-1d和2a-2e中的折叠弹簧的形状是非限制性实例。折叠弹簧可能呈现不同的形状。图2f中示出了另一个非限制性示例，图2f是mems装置220的俯视图。mems装置220包括质量块222、由分段224a、224b、224c和224d形成的第一折叠弹簧(该第一折叠弹簧将质量块222连接到锚定点226)以及由段228a、228b、228c和228d形成的第二折叠弹簧(该第二折叠弹簧将质量块222耦合到锚点230)。耦合器的232a和232b将折叠弹簧耦合在一起。折叠弹簧的其他形状可以在mems装置中实现，其包括将两个或多个折叠弹簧耦合在一起的耦合器。

本文描述的类型的mems装置可以用于诸如能量采集系统、传感器系统、可调电容器系统和控制系统等各种系统中。图3是包含本文所述类型的mems惯性装置的系统。系统300是包括mems传感器302、功率单元304、传感电路306以及输入/输出(i/o)接口308的传感器系统。mems传感器302可以是mems加速度计、压力传感器、陀螺仪或其他类型的传感器，以传感感兴趣的特征。功率单元304可以包括能量采集装置310、例如前面描述的并作为能量采集装置操作的mems装置100或200，以及储能装置312。储能装置可以是用于储存由能量采集装置310收集的能量的电池、超级电容器或其他合适的结构。采集的能量可用于对控制mems传感器302的操作的传感电路306和/或处理由mems传感器302输出的信号的功率检测电路306。i/o接口308可以是用于与诸如计算机、服务器或其他系统的外部组件通信的有线或无线接口。

包含本文所述类型的mems装置的系统可以在各种设置中实现。作为示例，这样的系统可以在工业设置中使用。例如，工业机械可能产生可由本文所述的mems装置收获的能量的振动。采集的能量可以用于为传感器监测工业机器的性能和/或控制机器的操作的处理器。

作为替代，如图3所示的系统可以在诸如汽车、船只或飞行器的车辆中实现。图4示出了其中汽车400包括传感器单元401和车载计算机402的示例。传感器单元401可以是例如图3所示的系统，包括mems传感器、具有本文所述类型的能量采集器的功率单元、传感器电路和接口电路。传感器单元401可以包括附接到汽车400的合适部分的包装或外壳。作为示例，传感器单元可以沿着驱动方向和/或垂直于驱动方向传感加速度。另外或者可选地，传感器单元401可以被配置为传感垂直加速度，从而监视例如暂停状态。传感器单元401的能量采集器可以从汽车的运动中收集能量。传感器单元401可与车载计算机402通信，并且可向车载计算机提供传感信号。

根据本发明方面的mems装置可以在至少一些实施例中进行自检。例如，具有本文所述类型的耦合折叠弹簧的mems能量采集器可以通过应用合适的驱动信号进行自测试，并且可以评估质量块的所得运动。也可以进行具有耦合折叠弹簧的其他类型的mems装置的自检，而不仅仅是能量采集器。

术语“约”在一些实施方案中可用于表示目标值的±20％内，在一些实施方案中可用于表示目标值的±10％内，在一些实施方案中可用于表示目标值的±5％内，在一些实施例中仍在目标值的±2％内。术语“约”可以包括目标值。