一种MEMS加速度计负泊松比抗冲击止挡装置及其使用方法

本发明属于mems加速度计的，具体涉及一种mems加速度计负泊松比抗冲击止挡装置及其使用方法。

背景技术：

1、微机电(micro-electro-mechanical systems，简称mems)加速度计是微机电系统中一种常见的传感器元件。随着应用范围的逐步拓宽，微机电加速度计也从最早的仅限于军事和航空航天领域使用，逐渐应用至电子器件、医疗设备和汽车安全等领域。

2、mems惯性传感器在使用中经常会遇到冲击载荷的作用，当外界冲击力过大且直接作用在器件的机械结构上时，会引起结构断裂或碎屑等问题。在结构设计方面提升mems惯性器件的抗冲击能力主要有两种方式：一种是提升器件敏感结构的刚度，该方式会在提升惯性器件抗冲能力的同时降低结构的灵敏度，从而影响器件性能；另一种是增加止档限位结构，通过限定运动部件的位移达到限定结构应力的目的，该方法对器件性能影响较小，因此得到广泛应用。

3、目前，mems惯性传感器领域关于抗冲击止挡结构按照刚度不同可以分为刚性止挡和弹性止挡两种。刚性止挡的优点是无论外界冲击载荷有多大，都能够保证敏感结构的最大位移在允许范围内，避免结构位移太大导致的破坏。但刚性止档的缺点是自身的刚度太大，敏感元件与止档结构碰撞过程中碰撞接触时间很短，导致瞬时冲击作用力的幅值可能过大，接触部位的局部应力超过材料的断裂强度产生碎片、裂纹等，在器件后续使用过程中存在安全隐患。同时激烈的碰撞还会引起敏感结构和止档之间的多次碰撞或震荡过程，影响到器件的可靠性。弹性止档优点是通过增加活动元件和止档结构的接触时间有效降低了冲击力的峰值，避免了激烈碰撞过程可能导致的结构损伤。同时弹性止档通过自身变形吸收了运动部件的部分能量，也减少了敏感结构产生震荡的概率，为工作在冲击环境中的惯性器件提供有效保护。但是弹性止档的缺点是弹性止档的限定位移取决于外界冲击载荷的大小和止档自身的刚度，当外界冲击载荷很大时，弹性止档可能因为自身变形太大而不能有效实现限位的功能。为了达到位移限定的目的，弹性止档通常设计的刚度很高，这又将导致弹性止档的优势不能完全发挥。

技术实现思路

1、本发明正是针对现有技术中存在的问题，综合刚性止挡和弹性止挡的优缺点，提供一种mems加速度计负泊松比抗冲击止挡装置及其使用方法，包括止挡锚区、止挡凸块和负泊松比穿孔结构，所述止挡锚区固定在玻璃基底层上，负泊松比穿孔结构由在质量块上的矩形切缝形成；所述止挡凸块与负泊松比穿孔结构相连，且围绕止档锚区的中心点上下对称分布。当外界有冲击载荷作用时，不仅可以有效的起到缓冲作用，而且通过合理的设计可以改善限位效果。能量吸收比传统的抗冲击止挡结构高，减小震荡过程所需时间，且不会占用额外的芯片尺寸，对mems加速计性能影响较小。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种mems加速度计负泊松比抗冲击止挡装置，包括止挡锚区、止挡凸块和负泊松比穿孔结构，所述止挡锚区固定在玻璃基底层上，负泊松比穿孔结构由在质量块上的矩形切缝形成；所述止挡凸块与负泊松比穿孔结构相连，且围绕止档锚区的中心点上下对称分布。

3、作为本发明的一种改进，所述负泊松比穿孔结构的矩形切缝组成多个单胞结构，所述每个单胞结构呈“工”字形。

4、作为本发明的另一种改进，所述单胞结构呈多行的阵列型分布，每相邻行的单胞数量相差为一。

5、作为本发明的另一种改进，所述每行单胞结构的壁厚相同。

6、作为本发明的又一种改进，所述止挡锚区止挡凸块之间存在间隙，所述间隙的距离小于加速度计可动结构的最大限定位移。

7、为了实现上述目的，本发明还采取的技术方案是：一种具有抗冲击止挡装置的mems加速度计，至少包括硅结构层和玻璃基底层，所述硅结构层通过锚点悬置于玻璃基底上；

8、所述硅结构层包括质量块、双端固定音叉谐振器、杠杆放大机构、支撑梁、抗冲击止档装置和锚点，整体呈轴对称结构；其中，质量块分别连接杠杆放大机构和支撑梁，所述支撑梁为u型梁；双端固定音叉谐振器以硅结构层中心水平对称形成差分结构，其一端通过杠杆放大机构与质量块相连接，另一端通过杠杆锚点固定；所述杠杆放大机构通过锚点固定在玻璃基底层上。

9、为了实现上述目的，本发明还采取的技术方案是：一种具有抗冲击止挡装置的mems加速度计的使用方法，通过调节抗冲击止档装置中单胞结构尺寸参数来控制单胞结构刚度。

10、与现有技术相比，本发明具有的技术优势及技术效果是：

11、(1)本发明通过在敏感质量块上剪切具有负泊松比效应的穿孔板作为止挡结构，该止挡结构占用面积小，无需额外芯片面积即可实现抗冲击性能。

12、(2)本发明中具有负泊松比效应的穿孔结构由矩形切缝组成，呈“工”字形；通过自身的结构变形起到缓冲作用，且可调节切缝结构参数改变止挡结构刚度。

13、(3)冲击过程中，与传统结构不同的是负泊松比结构在平台区的应力并不是围绕着恒定值波动，而是随着应变增大而不断升高，能够大幅提高平台应力，从而吸收碰撞时产生的巨大能量，降低碰撞应力峰值和碰撞次数，减小硅微谐振式加速度计震荡过程所需时间，进而减小冲击对mems加速度计可靠性的影响。

14、(4)当止挡结构受到冲击载荷作用时，发生负泊松比效应，材料会向冲击部位收缩，使得结构局部密度增大，具有更好的抗压强度，能够更好地承受载荷。

15、(5)本发明的负泊松比止挡装置，避免了梁式止挡结构的应力集中问题，提高了mems加速计的抗冲击能力。

技术特征：

1.一种mems加速度计负泊松比抗冲击止挡装置，其特征在于：包括止挡锚区、止挡凸块和负泊松比穿孔结构，所述止挡锚区固定在玻璃基底层上，负泊松比穿孔结构由在质量块上的矩形切缝形成；所述止挡凸块与负泊松比穿孔结构相连，且围绕止档锚区的中心点上下对称分布。

2.根据权利要求1所述的一种mems加速度计负泊松比抗冲击止挡装置，其特征在于：所述负泊松比穿孔结构的矩形切缝组成多个单胞结构，所述每个单胞结构呈“工”字形。

3.根据权利要求2所述的一种mems加速度计负泊松比抗冲击止挡装置，其特征在于：所述单胞结构呈多行的阵列型分布，每相邻行的单胞数量相差为一。

4.根据权利要求3所述的一种mems加速度计负泊松比抗冲击止挡装置，其特征在于：所述每行单胞结构的壁厚相同。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种mems加速度计负泊松比抗冲击止挡装置，其特征在于：所述止挡锚区止挡凸块之间存在间隙，所述间隙的距离小于加速度计可动结构的最大限定位移。

6.具有如权利要求2所述抗冲击止挡装置的mems加速度计，其特征在于：至少包括硅结构层和玻璃基底层，所述硅结构层通过键合层悬置于玻璃基底上；

7.如权利要求6所述mems加速度计的使用方法，其特征在于：通过调节抗冲击止档装置中单胞结构尺寸参数来控制止挡装置刚度。

技术总结
本发明公开了一种MEMS加速度计负泊松比抗冲击止挡装置及其使用方法，包括止挡锚区、止挡凸块和负泊松比穿孔结构，所述止挡锚区固定在玻璃基底层上，负泊松比穿孔结构由在质量块上的矩形切缝形成；所述止挡凸块与负泊松比穿孔结构相连，且围绕止档锚区的中心点上下对称分布。当外界有冲击载荷作用时，不仅可以有效的起到缓冲作用，而且通过合理的设计可以改善限位效果。能量吸收比传统的抗冲击止挡结构高，减小震荡过程所需时间，且不会占用额外的芯片尺寸，对MEMS加速计性能影响较小。

技术研发人员：黄丽斌,尹靖靖,丁徐锴,赵立业
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9