一种基于mems开关的usb漏电保护芯片的制作方法

文档序号:10571900
一种基于mems开关的usb漏电保护芯片的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于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。
【专利说明】
一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片
【技术领域】
[0001 ]本发明属于电气安全技术领域,涉及一种基于MEMS开关的USB漏电保护芯片及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]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技术领域是必不可少的。
[0003]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一一电流型漏电保护器,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。

【发明内容】

[0004]本发明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。
[0005]本发明采用以下技术方案:
[0006]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。
[0007]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。
[0008]进一步,所述聚磁铁芯为铁氧体磁芯。
[0009]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。
[0010]进一步,所述的驱动单元为电荷栗升压模块,输入电压为3.3V,输出电压为12V。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]进一步,所述的MEMS开关是双向可动、两级并联结构。
[0015]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。
[0016]进一步,所述的隔离触点为隔离栅结构。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]—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:
[0020](I)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;
[0021 ] (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;
[0022 ] (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;
[0023](4)淀积多晶硅,淀积完之后,多晶硅完全覆盖磷硅玻璃层;
[0024](5)刻蚀最上层的磷硅玻璃层,形成表面结构;
[0025](6)在步骤(5)被刻蚀的位置淀积金属层和氮化硅,形成焊盘、触点电极和隔离触占.V ,
[0026](7)腐蚀磷硅玻璃层。
[0027]与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:本发明在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。本发明安装在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】】
[0028]图1是本发明芯片的磁场产生单元示意图。
[0029]图2是霍尔效应原理示意图。
[0030]图3是本发明磁场检测单元示意图。
[0031 ]图4的本发明芯片的MEMS开关的电极结构不意图D
[0032]图5是本发明芯片的MEMS开关结构示意图。
[0033]图6是本发明芯片的MEMS开关制备工艺流程示意图。
[0034]图7是本发明芯片的整体结构示意图。
[0035]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】】
[0036]为了克服上述缺陷和问题,本发明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,通过电荷栗来驱动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。
[0037]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。
[0038]本发明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,符合本发明的要求。
[0039]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,本发明中仅取Vbus和GND,绕制在聚磁铁芯上,具体地说,请参阅图1,USB接口的Vbus和GND线绕制在聚磁铁芯上分为两层,其中Vbus线在上层,GND线在下层,且Vbus线和GND线的走线完全一致。因为充电过程中,D+和D-差分信号线不工作,无电流通过,所以通过Vbus和GND线的电流的大小相等,方向相反,所以产生的磁场方向相反,刚好相互抵消,宏观上表现为聚磁铁芯中无磁场;若发生了漏电,其中电流会通过人体或者是设备外壳向大地分流,则其流入与流出的电流的大小不相等,产生磁场,通过铁氧体磁芯聚磁,霍尔元件检测,产生的信号就可以作为触发MEMS开关动作信号。
[0040]请参阅图2,对霍尔效应原理进行简要说明。如图所示,当电流Ic流过处于磁场B中的导体或者半导体时,由于磁场对导体中的内部电子和空穴施加方向相反的洛伦磁力的作用,在导体的两个端面产生电势差VH,即为霍尔电压,这一现象称为霍尔效应。本发明通过霍尔兀件检测Vbus和GND线在铁氧体磁芯的总磁通,判断是否存在漏电。
[0041]请参阅图3,本发明中检测磁场的检测单元主要由霍尔元件、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,恒流源给霍尔元件供电,放大电路对霍尔元件的输出电压进行放大,比较电路对放大后的电压进行判断,产生触发信号。霍尔元件是基于霍尔效应的半导体元件。从宏观上,霍尔效应的现象为:在均匀磁场B中放入一块板状金属导体,当电流垂直于磁场B方向流过导体时,在垂直于电流和磁场的方向导体的两侧会产生一个横向电场,该电场称为霍尔电场。为了能够得到磁场信息,霍尔元件的位置固定在铁氧体磁芯正上方,当有磁场时,磁力线能够垂直于霍尔元件,这样可以得到最大的输出电压。因此,为了能够得到磁场信息,霍尔元件的位置固定在Co铁氧体磁芯正上方,当有磁场时,磁力线能够垂直于霍尔元件,这样可以得到最大的输出电压,该信号用于触发电荷栗升压模块输出激励电压。
[0042]本发明中驱动MEMS开关单元工作的驱动单元由电荷栗升压型转换芯片及其外围电路组成,用于提供MEMS开关动作所需要的较高的驱动电压,输入电压为3.3V,输出电压为12V。电荷栗是一种运用电荷在电容中的积累来产生高压的电路。随着低功耗的需求越来越高,电源电压不断降低,电荷栗的应用也变得越来越广泛。在本发明中,电荷栗升压型转换芯片将3.3V电压栗升到12V,使之达到MEMS开关模块的驱动电压的要求。使用电荷栗可以简化驱动电路。
[0043]本发明的MEMS开关单元是由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。每个MEMS开关的基本结构包括电极4、折叠弹簧梁5、可动隔离触点7、静触点8和自锁弹性梁6。可动隔离触点7设置有隔离栅,实现驱动电路和工作电路的电气隔离。静触点8分为两段,当可动隔离触点7与静触点8接触时,工作电路导通;当可动隔离触点7与静触点8分离时,工作电路断开。请参阅图4和图5,电极的基本单元结构形状是矩形梳齿状,分为可动电极4-2和固定电极4-1,可动电极4-2由中间的折叠弹簧梁5支撑,固定电极4-1被锚定在衬底上。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。当在可动电极和固定电极上施加激励电压时,这些平板电容就可以提供静电力,驱动可动电极发生位移,从而带动可动隔离触点7运动,使其与静触点8分离,完成“开”的动作;当撤掉施加的激励电压,静电力也随之消失。
[0044]请参阅图5,本发明中,MEMS开关单元由2个静电驱动的MEMS开关组成,设计成双向可动、两级并联结构,即可动电极极板两面都有叉齿,与两个固定电极相对应;两级并联的结构可以在同等电压下提供更大的静电力,可以有效地降低驱动电压,本发明的MEMS开关的驱动电压为10-15V。可动电极接地,固定电极根据需要接地或者是接驱动单元输出的激励电压,当有一个固定电极接激励电压时,可动电极在静电力的作用下,向固定电极的方向移动。在MEMS开关通过表面微加工工艺制造完成后,其是处于“常开”状态,而本发明要求在使用中是“常闭”状态。所以需要在其中一个固定电极和可动电极上施加激励电压,使开关的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。隔离触点为隔离栅结构,可以实现驱动电路和工作电路之间的电气隔离,因为在MEMS开关结构中,可动电极接地,而工作电路的电平不确定,如果无隔离结构,则会使工作电路直接接地,电路无法正常工作,同时若发生故障,MEMS开关也无法正常打开,所以隔离栅结构是必须的。当发生故障时,折叠弹簧梁提供的弹性力和静电力的合力使触点分离,打开MEMS开关,断开充电电路。
[0045]本发明的MEMS开关的制造工艺为标准表面微加工工艺,通过淀积、光刻刻蚀、腐蚀等工艺流程制备。制备流程分为以下流程:淀积氧化娃;淀积氣化娃;淀积多晶娃;光刻法刻蚀多晶硅薄膜,形成互连线;淀积磷硅玻璃;光刻法刻蚀磷硅玻璃层,形成支撑孔;LPCVD法淀积多晶硅;光刻法刻蚀多晶硅,形成表面结构;淀积金属层和氮化硅,形成焊盘、触点电极和隔离栅;腐蚀磷硅玻璃层,实现整体结构。其中氧化硅薄膜的作用是缓解氮化硅的应力;氮化硅薄膜由于其稳定的化学性能和电学性能,其作用是作为电隔离层和腐蚀隔离层,但是其存在机械应力比较差的问题,所以在硅基底和氮化硅层之间需要淀积氧化硅层;磷硅玻璃的作用是作为牺牲层;LPCVD法是低压化学气相沉积法,其制备多晶硅的原理是在约40Pa的低气压、600-660°C的高温条件下,SiH4分解为Si和H2,其中,硅淀积下来,形成多晶硅薄膜层。
[0046]图6为本发明芯片的MEMS开关制造工艺流程示意图。本发明的MEMS开关的制造工艺为标准表面微加工工艺,通过淀积、光刻刻蚀、腐蚀等工艺流程制备。制备流程分为10个主要步骤:
[0047](I)清洁硅衬底表面,然后在硅衬底上淀积氧化硅,淀积的氧化硅尺寸与硅衬底尺寸相同,但厚度不同;
[0048](2)在(I)的基础上淀积氮化硅,淀积的氮化硅尺寸与氧化硅尺寸相同;
[0049](3)在(2)的基础上淀积多晶硅,淀积的多晶硅尺寸与氮化硅尺寸相同;
[0050](4)光刻法刻蚀多晶硅薄膜,形成互连线,其中,刻蚀的截止面为氮化硅层;
[0051 ] (5)在(4)的基础上淀积磷硅玻璃,淀积的磷硅玻璃完全覆盖多晶硅表面;
[0052](6)光刻法刻蚀磷硅玻璃,形成支撑孔,其中,刻蚀的截止面为多晶硅层;
[0053](7)在(6)的基础上,通过LPCVD法淀积多晶硅,淀积的多晶硅完全覆盖磷硅玻璃表面;
[0054](8)光刻法刻蚀多晶娃,形成表面结构;
[0055](9)在步骤(8)中刻蚀的位置淀积金属层和氮化硅,形成焊盘、触点结构和隔离栅结构;
[0056](10)腐蚀磷硅玻璃层,实现整体结构。
[0057]请参阅图7,本发明的磁场产生单元、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,提高集成度,便于使用。厚膜工艺是指把专用的集成电路芯片与相关的电阻、电容元件集成在同一基板上,在其外部采用统一的封装形式,形成模块化单元。通过厚膜工艺封装的好处是提高了电路的绝缘性能、阻值精度,减少了外部温度、湿度对其的影响,所以厚膜电路比独立焊接的电路有更强的外部环境适应性能;同时通过厚膜工艺集成在同一芯片载体上,减小了所占用的空间,更有利于在各种设备中应用。该芯片可以应用于各种通过USB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;在无故障时,不影响正常充电和数据传输功能。同时,该芯片的加工制造采用标准工艺,便于小型化、高集成度的批量生产。
【主权项】
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栗升压模块,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。7.根据权利要求6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。8.根据权利要求7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。9.根据权利要求7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开关的可动电极极板两面都有叉齿,与两个固定电极相对应。10.根据权利要求7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。
【文档编号】H01R13/703GK105932490SQ201610399207
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】张国钢, 陈前, 刘竞存, 耿英三, 王建华
【申请人】西安交通大学
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