微机电结构及其机械性能的调控方法与流程

本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种微机电结构及其机械性能的调控方法。

背景技术：

微机电系统(mems)是在微电子技术基础上发展起来的，融合了微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。mems是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。

常见的产品包括mems加速度计、mems麦克风、微马达、微泵、微振子、mems光学传感器、mems压力传感器、mems陀螺仪、mems湿度传感器、mems气体传感器等等以及它们的集成产品。

mems产品的敏感结构芯片通常采用类似集成电路制造的方式，在晶圆上通过光刻，腐蚀，薄膜沉积，离子注入，外延，晶圆键合等微加工工艺制作而成，并通过增大晶圆尺寸所产生的规模效应提升加工的一致性，并降低单颗芯片的成本。

当前业界主流mems产线的晶圆直径为6到8英寸，每片晶圆上包含数百至数万颗mems芯片。而对于一些定位高端的mems产品而言，售价较高但市场需求数量较少，并且时常需要针对特种应用环境来单独定义细分的产品型号，细分品种较多，且每种细分型号的出货量都不大。若针对每种细分型号单独流片，对生产和运营管理都会造成较大的障碍。

针对以上的问题，对于细分品种较多且需求量不大的产品，现有技术中，通常采用多目标晶圆(mpw)的方式来加工，即在同一片晶圆上同时加工多种不同设计但加工工艺类似的mems芯片。采用此种方法显著减少了每一片晶圆上单独某一种设计芯片的数量，但由于不同设计性能的结构不可避免的存在关键尺寸差异，在同一片晶圆上加工多种设计的芯片时，无法优化加工工艺至完美匹配每一种设计的要求，采用此方法加工的晶圆上的芯片通常难以保证一致性，良率较低，显著增加了测试标定，筛选有效芯片的成本。

鉴于此，亟需提供一种新的微机电结构及其机械性能的调控方法以解决以上缺陷。

技术实现要素：

基于此，本发明提供一种微机电结构及其机械性能的调控方法，通过外加激励信号和锁止组件的配合来改变微机电结构的机械结构，将同一种设计的结构芯片改造出不同的机械性能，以解决现有技术中需要采用不同加工设计在同一片晶圆上形成不同的mems结构芯片的问题。

本发明提供了一种微机电结构机械性能的调控方法，包括：

对电极上电，驱动质量块在垂直第一方向上运动，其中第一方向为所述微机电结构的结构功能方向；

当所述质量块在垂直第一方向上发生的位移增大至触发锁止组件的两部分锁定，以使得所述质量块上的部分锁止组件与所述质量块在垂直第一方向的运动路径上的另一部分锁止组件锁合，所述质量块连接固定于垂直第一方向的运动路径上的另一部分锁止组件后在垂直第一方向上停止运动，所述微机电结构在第一方向上的机械性能改变。

优选的，所述锁止组件包括设于所述质量块上的锁扣以及与所述锁扣锁合的锁槽。

优选的，所述锁扣包括自所述质量块朝向所述锁槽延伸的连接杆以及设于所述连接杆远离所述质量块一端的锁头，所述锁头为头部朝向所述锁槽的三角形，

所述锁槽包括固设于所述衬底上的锚接块、自所述锚接块朝向所述锁扣延伸的两个连接臂以及自所述连接臂远离所述锚接块一侧的锁钩，两个所述锁钩朝向相对对方一侧延伸，两个所述锁钩、两个所述连接臂以及所述锚接块围设形成容设所述锁头的容置腔。

本发明还提供了一种微机电结构，包括：

衬底；

质量块，设于所述衬底上；

悬臂梁，至少两个所述悬梁臂围设于所述质量块外，所述悬梁臂一端固定连接于所述衬底且另一端与所述质量块相连，以将所述质量块悬置于所述衬底上；

第一电极，与所述质量块通过电容连接，驱动所述质量块在第一方向上往复运动或检测所述质量块在第一方向上的运动加速度；

第二电极，与所述质量块通过电容连接，驱动所述质量块在垂直第一方向上运动；

锁止组件，部分设于所述质量块上，另一部分设于所述衬底上且与设于所述质量块上的部分相对设置，所述锁止组件的两部分设于所述质量块在垂直第一方向上运动的路径上；

在所述第二电极上外加电信号，驱动所述质量块在垂直第一方向上发生位移，当位移增大至触发锁止组件的两部分锁定，使质量块固定，以改变所述质量块在第一方向上的位置进而改变所述微机电结构的结构。

优选的，所述锁止组件包括设于所述质量块上的锁扣以及设于所述衬底上且与所述锁扣扣合的锁槽；

当所述质量块在垂直第一方向上运动，带动所述锁扣运动至所述锁槽内部，所述锁槽锁定所述锁扣将所述质量块固定在所述锁槽位于所述衬底上的位置。

优选的，所述锁扣包括自所述质量块朝向所述锁槽延伸的连接杆以及设于所述连接杆远离所述质量块一端的锁头，所述锁头为头部朝向所述锁槽的三角形，

所述锁槽包括固设于所述衬底上的锚接块、自所述锚接块朝向所述锁扣延伸的两个连接臂以及自所述连接臂远离所述锚接块一侧的锁钩，两个所述锁钩朝向相对对方一侧延伸，两个所述锁钩、两个所述连接臂以及所述锚接块围设形成容设所述锁头的容置腔。

优选的，所述锁扣和所述锁槽中的至少一个在所述第一方向上能够发生弹性形变。

优选的，所述质量块呈方形，四个所述悬臂梁与所述质量块的四个顶点一一对应相连。

优选的，所述悬臂梁包括设于所述衬底上的锚点以及连接所述锚点和所述质量块顶点的弹性元件，当静止时，四个所述悬梁臂的弹性元件的长度相同。

优选的，所述质量块沿第一方向延伸的两侧边分设有第一可动梳齿，

所述第一电极包括固定在所述衬底上的第一固定块和设于所述第一固定块上的第一固定梳齿，

所述第一固定梳齿对应伸入所述第一可动梳齿的间隙；

和/或，所述质量块沿垂直第一方向延伸的两侧边分设有第二可动梳齿，

所述第二电极包括固定在所述衬底上的第二固定块和设于所述第二固定块上的第二固定梳齿，

所述第二固定梳齿对应伸入所述第二可动梳齿的间隙；

和/或，所述第二电极包括对称设置的两个。

本发明的有益效果在于，提供了一种微机电结构及其机械性能的调控方法，所述调控方法包括：对电极上电，驱动质量块在垂直第一方向上运动，其中第一方向为所述微机电结构的结构功能方向；当所述质量块在垂直第一方向上发生的位移增大至触发锁止组件的两部分锁定，以使得所述质量块上的部分锁止组件与所述质量块在垂直第一方向的运动路径上的另一部分锁止组件锁合，所述质量块连接固定于垂直第一方向的运动路径上的另一部分锁止组件后在垂直第一方向上停止运动，所述微机电结构在第一方向上的机械性能改变。通过以上方式，在外加的第二电极的驱动下，能够不可逆的改变质量块在第一方向上运动时支撑悬臂梁的总刚度，形成不同性能的微机电结构。

附图说明

图1为本发明实施例的微机电结构的结构示意图；

图2为图1所示微机电结构中锁止组件的结构示意图；

图3为微机电结构机械性能的调控方法流程图；

附图中各标号的含义为：

微机电结构100；衬底1；质量块2；第一可动梳齿21；第二可动梳齿22；悬臂梁3；锚点31；弹性元件32；第一电极4；第一固定块41；第一固定梳齿42；第二电极5；第二固定块51；第二固定梳齿52；锁止组件6；锁扣61；连接杆611；锁头612；锁槽62；锚接块621；连接臂622；锁钩623。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1至图3所示，其为本发明的一种实施例的微机电结构的结构示意图。微机电结构100包括衬底1、设于所述衬底1上的质量块2、围设于所述质量块2外的四个悬臂梁3、与所述质量块2通过电容连接的第一电极4、与所述质量块2通过电容连接的第二电极5以及部分设于所述质量块2上且另一部分设于所述衬底1上的锁止组件6。各悬梁臂3一端固定连接于所述衬底1且另一端与所述质量块2相连，以将所述质量块2悬置于所述衬底1上；当所述微机电结构100为执行器时，所述第一电极4用于驱动所述质量块2在第一方向上往复运动，当所述微机电结构100为传感器时，所述第一电极4用于检测所述质量块2的运动加速度；所述第二电极5驱动所述质量块2在垂直第一方向上运动；所述锁止组件6的两部分相对设置，且设于所述质量块2在垂直第一方向上运动的路径上，用于固定所述质量块2。

本发明实施例中的质量块2为正方形，当然质量块2也可以为长方形、圆形等其他形状，并不局限以上例子；四个所述悬臂梁3均匀分布，围设成正方形，质量块2位于围设的正方形正中央，且质量块2的正方形的对角线与悬臂梁3围设的正方形的对角线重叠；且四个悬臂梁3分别设于围设的正方形的四个顶点，一端对应连接顶点对应的衬底位置，另一端连接质量块2的正方形顶点，进而使得悬臂梁得延伸方向与第一方向的夹角为45°，在本发明实施例中第一方向为质量块2其中两个侧边的延伸方向。当然，在其他实施例中，悬臂梁3的数量可以设置为其他偶数个，至少设有两个悬臂梁3，即设有一对悬臂梁3。且悬臂梁的方向不局限于本实施例中的方向。优选的，悬臂梁3包括设于所述衬底1上的锚点31以及连接所述锚点31和所述质量块2顶点的弹性元件32，当静止时，与质量块2四个顶点相连的四个弹性元件32的长度相同。质量块2通过斜45°方向的悬臂梁3连接至衬底1上，悬臂梁3同时在第一方向和垂直第一方向这两个方向具备较低的刚度，而在平面外的第三方向具备较高的刚度。当然四个悬臂梁3与质量块2的设置可以不局限本发明图示结构，只要能够让悬臂梁3使质量块2具有两个方向的自由度即可，即正常结构的第一方向的自由度和垂直第一方向的自由度。

在一个可选的实施方式中，所述质量块2沿第一方向延伸的两侧边分设有第一可动梳齿21，所述第一电极4包括固定在所述衬底1上的第一固定块41和设于所述第一固定块41上的第一固定梳齿42，所述第一固定梳齿42对应伸入所述第一可动梳齿21的间隙，使得第一电极4与所述质量块2之间通过电容连接。可选的，所述质量块2沿垂直第一方向延伸的两侧边分设有第二可动梳齿22，所述第二电极5包括固定在所述衬底1上的第二固定块51和设于所述第二固定块51上的第二固定梳齿52，所述第二固定梳齿52对应伸入所述第二可动梳齿22的间隙，使得第二电极5与所述质量块2之间通过电容连接。可选的，本发明实施例中所述第二电极5包括对称设置的两个。

在一个可选的实施方式中，锁止组件6包括设于所述质量块2上的锁扣61以及设于所述衬底1上且与所述锁扣61扣合的锁槽62。当所述质量块在垂直第一方向上运动，带动所述锁扣运动至所述锁槽内部，所述锁槽锁定所述锁扣将所述质量块固定在所述锁槽位于所述衬底上的位置。

可选的，所述锁扣61包括自所述质量块2朝向所述锁槽62延伸的连接杆611以及设于所述连接杆611远离所述质量块2一端的锁头612，所述锁头612为头部朝向所述锁槽62的三角形。所述锁槽62包括固设于所述衬底1上的锚接块621、自所述锚接块621朝向所述锁扣61延伸的两个连接臂622以及自所述连接臂622远离所述锚接块621一侧的锁钩623，两个所述锁钩623朝向相对对方一侧延伸，两个所述锁钩623、两个所述连接臂622以及所述锚接块621围设形成容设所述锁头612的容置腔。当第二电极5对所述质量块2施加外加的驱动信号时，给予质量块2一个在垂直第一方向上运动的力，在该力的作用下，质量块2上的锁扣61朝向衬底1上的锁槽62运动，若施加的该力足够大，质量块2在垂直第一方向上产生足够大的位移，能够使得锁扣61的锁头612在加速度的作用下运动进锁槽62的容置腔内，锁头612靠近连接杆611一端与锁钩623相抵接，使得锁扣61无法回复到原来位置，锁止组件6锁定质量块2，进而使质量块2在垂直第一方向上的位置产生变化，以改变微机电结构100内部结构和设计。可选的，所述锁扣61和所述锁槽62中的至少一个在所述第一方向上具有弹性形变，使得锁止组件6能够保持第一方向的弹性。

本发明实施例微机电结构100，其衬底1的材料通常由硅构成，工作原理为在通过接口电路往第一电极4上施加驱动信号，使质量块2在第一方向上以该结构在第一方向上的模态频率振动，其固有频率由质量块2的质量和连接质量块2的悬臂梁3在第一方向上的刚度共同决定。当检测到质量块2在第一方向上有外界加速度时，质量块2发生位移，带动悬臂梁3产生应力，使悬臂梁3在运动的第一方向上的刚度发生改变，进而导致该结构在第一方向上的模态频率发生改变，接口电路的内部振动环路检测到振动频率的改变，并转化为能够表征外界输入加速度的输出信号。

若通过第二电极5施加驱动信号使质量块2在垂直第一方向上产生足够大的位移，使其右侧的锁止组件6满足锁止相对位置，使得锁止组件6的两个部分配合锁定，则锁止组件6相当于额外连接质量块2的悬臂梁3，锁止组件6在垂直第一方向上的刚度会额外叠加进原始的谐振结构中，提高结构在第一方向的模态频率，当检测到外界加速度时，连接质量块2的悬臂梁3在运动的第一方向上的刚度变化率，进而改变了该结构对外界加速度变化的灵敏度。在外加的第二电极的驱动下，锁止组件6锁定后，改变了质量块2在垂直第一方向上的位置，进而永久改变微机电结构100内部结构，形成不同设计和性能的微机电结构100。

基于图1和图2中的微机电结构100，本发明还提供了一种微机电结构100机械性能调控方法，包括以下步骤：

步骤s1，驱动质量块2在垂直第一方向上运动；

具体的，对电极上电，驱动质量块2在垂直第一方向上运动。其中第一方向为所述微机电结构100的结构功能方向。当所述微机电结构100为执行器时，第一方向上为所述质量块2的往复运动方向，当所述微机电结构100为传感器时，第一方向为检测方向。

步骤s2，锁止组件6锁定质量块2在垂直第一方向上的位置，质量块2停止运动，所述微机电结构100在第一方向上的机械性能改变。

当所述质量块2在垂直第一方向上发生的位移增大至触发锁止组件6的两部分锁定，以使得所述质量块2上的部分锁止组件与所述质量块2在垂直第一方向的运动路径上的另一部分锁止组件锁合，所述质量块2连接固定于垂直第一方向的运动路径上的另一部分锁止组件后在垂直第一方向上停止运动，所述微机电结构在第一方向上的机械性能改变。

具体的，锁止组件6包括设于所述质量块2上的锁扣61以及设于所述衬底1上且与所述锁扣61扣合的锁槽62。可选的，所述锁扣61包括自所述质量块2朝向所述锁槽62延伸的连接杆611以及设于所述连接杆611远离所述质量块2一端的锁头612，所述锁头612为头部朝向所述锁槽62的三角形。所述锁槽62包括固设于所述衬底1上的锚接块621、自所述锚接块621朝向所述锁扣61延伸的两个连接臂622以及自所述连接臂622远离所述锚接块621一侧的锁钩623，两个所述锁钩623朝向相对对方一侧延伸，两个所述锁钩623、两个所述连接臂622以及所述锚接块621围设形成容设所述锁头612的容置腔。当第二电极5对所述质量块2施加外加的驱动信号时，给予质量块2一个在垂直第一方向上运动的力，在该力的作用下，质量块2上的锁扣61朝向衬底1上的锁槽62运动，若施加的该力足够大，质量块2在垂直第一方向上产生足够大的位移，能够使得锁扣61的锁头612在加速度的作用下运动进锁槽62的容置腔内，锁头612靠近连接杆611一端与锁钩623相抵接，使得锁扣61无法回复到原来位置，锁止组件6锁定质量块2，进而使质量块2在垂直第一方向上的位置产生变化，以改变微机电结构100内部结构和设计。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。