CN101091198A - 可复位的闩锁mems震动传感器装置和方法 - Google Patents

Abstract

可复位的闩锁MEMS震动传感器提供在不消耗电能的情况下记录外部震动极值的能力。该装置包括震动敏感悬挂验证块、弹簧负载触点、闩锁以及用于装置复位的致动器。该装置可通过调整设计、连线或编程而在不同的震动级别触发。该装置可由允许其尺寸小型化的简单的微加工工艺来制造以用于嵌入和便携的应用。在工作期间，该装置不消耗静态功率。可将该装置构造成在到达震动极值的时间闭合一个电路、转换中断信号或转换装置之间的某些其它的电触发信号，或者可将其构造成闩锁并在发生震动极限后的某一时间轮询它。

Description

可复位的闩锁MEMS震动传感器装置和方法

相关申请的引用

本申请要求2004年10月15日提交的名为“Resettable Latching MEMS ShockSensor”的美国临时专利申请第60/619,496号，以及2005年8月11日提交的名为“Resettable Latching MEMS Shock Sensor”的美国非临时专利申请第11/201,485号的优先权，其内容通过引用结合于此。

政府许可证权利

本发明是在由防务部高级研究计划局(“DARPA”)授予的合同MDA972-03-C-0010的政府支持下进行的。政府对本发明具有一定的权利。

背景

发明领域

本发明一般涉及震动传感器和监测震动的方法。更具体地，本发明涉及利用微机械悬挂验证块结构的低功率及无功率的微机电震动传感器。

发明背景

将微型传感器嵌入产品、系统、贮存器和集装箱以及其它物品中可允许对这些物品的监测以确定状况、维护需要、寿命和其它物品特性。来自微型震动传感器的信息可告知用户物品是否受到可导致损坏的震动级别。此外微型震动传感器可用于将更加复杂的传感系统从低功率的休眠模式“唤醒”以收集一组更加完整的环境数据。

当前进行这种类型的检测的电池供电的嵌入式传感器系统通常需要确定一定级别的震动何时达到的低功率法。诸如运输和海运监测、加热和空气调节以及食品存储等很多其它应用将得益于以完全无功率的传感器监测震动环境的能力。此外，这些应用将得益于轮询该传感器以确定是否达到震动极值然后复位该传感器用于后面的使用的能力。在任一种情况下，超低功率的传感器甚至是不消耗静态功率的传感器将减小总的系统功耗足以允许嵌入式传感器以在便携电池供电的应用中或在从环境中提取少量的能量的系统中工作很多年。

低功率和无功率的震动传感器普遍存在。然而，它们是诸如汽车安全带中使用的连接锁之类的大尺度装置。这些装置以类似的方式工作并提供与本发明类似的功能，但却不具有适于与微型装置集成的形状因数，且不可利用与微电子或微机电系统(“MEMS”)装置兼容的技术制造。

加速度计形式的微尺度震动传感器同样存在，但开发低功率震动传感器的大部分先前的工作集中在使标准微型装置的功耗最小化，并利用低功率模拟电子装置来确定特定的震动级别何时达到。然后装置和系统产生低阻抗逻辑电平信号，用于输入到休眠的微控制器中。基本的问题在于这一系统必须对传感器和模拟触发电路连续地供电，造成对电池的恒定的功耗。即使采用最新的低功率装置和最大容量的电池，对任何传感器连续供电的系统将仅工作5-10年。

随着嵌入式微型传感器变小，并且随着电池在尺寸和容量上减小，低功率和无功率的装置的使用将变得更关键。此外，在不增加功耗的情况下传感器功能的最大化将增强嵌入式传感系统的能力。

其它发明采用悬挂验证块微制造装置来测量震动，并用于开关，但到本发明为止，仅有一个具有结合具有机械闩锁功能的低功率或无功率工作的本发明的优点。美国专利第6,737,979号公开了一种实现了具有机械闩锁功能的机械震动传感器的低功率或无功率工作的目标的MEMS震动传感器。在该现有技术发明中，正如本发明一样，可移动验证块和闩锁装置在衬底的表面上形成。当传感器受到足够大的震动时，验证块移动并与闩锁装置闩锁，且闩锁情况由外部电路检测。

本发明对美国专利第6,737,979号(“979发明”)中公开的技术提供几个改进。首先，在“979发明”中，每一个分离的装置设计可仅检测一个范围的震动级别，因为验证块和闩锁之间的距离不可变。在本发明中，闩锁距离是可变的，因此可将传感器编程以检测变化的震动级别。第二，在“979发明”中，在验证块和闩锁之间形成的用于检测震动级别的唯一电触点是通过闩锁自身的。正如以下详细讨论的，本发明提供与闩锁分离的触点使得“触发”条件(即，验证块与触点接触)可在闩锁前进行(并检测)，如果用户需要的话。以此特征，可将本发明编程以检测小于闩锁震动级别的震动级别。第三，尽管“979发明”提供不闩锁的功能使得传感器可再使用，但本发明以在闩锁期间不向闩锁施加负荷的机械连接对该功能进行改进，从而减小必需的闩锁力并增加传感器的灵敏度。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种低功率微制造震动传感器，其中传感器的灵敏度可调节。

本发明的另一个目的是提供一种低功率微制造震动传感器，它允许与闩锁功能分离且不同的震动级别的检测(即，触发事件与闩锁事件分离)。

本发明的又一个目的是提供一种具有在闩锁期间不向闩锁施加机械负荷的不闩锁装置的微制造震动传感器。

本发明用通过微制造的弯曲件连接到衬底的微制造验证块来实现这些目的。验证块包括触点区和闩锁区。触点区和闩锁区各自以固定在衬底上的弹簧负载触点和弹簧负载闩锁来记录。在足够大小的震动负荷下，验证块移位以使触点区与弹簧负载触点在一起并强制验证块上的闩锁与弹簧负载闩锁接合。在闩锁后，触点维持闭合，允许电压源连接到微控制器的输入，或允许外部电路的完成。然后，热、电容或其它致动器可用于分离闩锁并将验证块返回到其原始位置。传感器除向微控制器实际提供触发信号或在任何复位操作期间外将使用几乎0功率。传感器可在稍后的时期中维持闩锁以用于询问，即使系统失去电源，且可将传感器复位以检测下一事件。

为了概括本发明的目的，本文描述了本发明的某些方面、优点和新颖的特征。应该理解未必所有的这些优点都依照本发明的任一个特定的实施例来实现。因此，本发明可以以实现或优化如本文所教示的一个优点或一组优点的方式来具体化或实现，而不必实现如本文所教示或建议的其它优点。

本领域的技术人员将参考附图并从以下实施例的详细描述容易地明白本发明的这些或其它实施例，本发明不限于公开的任何特定的实施例。

附图简述

图1是震动传感器及其组件的示意图。

图2A是用于根据本发明的过程的实施例的高级流程图。

图2B-2F示出制造本发明的一个实施例的过程的步骤。

图3是在其正常状态并准备感测震动极值的传感器的所示实施例的俯视图。

图4是在已到达震动极值后在其闩锁和接触状态中的传感器的所示实施例的图。

图5示出用于传感器的设计的参数的定义。

图6是传感器的电互连的图。

图7示出具有允许在较低震动级别操作的震动敏感触点的本发明的实施例。

图8示出具有用于多种震动级别的检测的多个触点的本发明的实施例。

在本说明书和附图中参考符号的重复使用旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。

详细描述

本发明的所示实施例在从刚性衬底上释放的一厚层硅或其它导电材料中制造。在这一厚层材料中，制造了验证块、一组弯曲件、多个触点、多个闩锁和爪结构、多个致动器以及多个锚和焊盘。

图1示出本发明的一个实施例的示意性图。本发明利用经由锚6通过验证块弯曲件5附连到衬底(未示出)的微制造验证块结构1。验证块结构1包括触点区2和闩锁3。在震动负荷下，验证块的惯性产生力，Fg，该力使块移位足以强制闩锁3与经由锚6通过爪弯曲件8附连到衬底的薄型爪4上的类似的闩锁接合。该力还导致验证块触点区2与经由锚6通过触点弯曲件9附连到衬底的触点7接触。在闩锁后，触点维持闭合，然后震动传感器可由外部电路(未示出)询问。热、电容或其它致动器(以下讨论的)可用于产生力，Fa，并分离爪4并将验证块1返回到其原始位置。

图2A示出用于制造用于本发明的一个实施例的悬挂式验证块结构的过程的高级工艺流程。尽管以下的讨论集中在以本文讨论的过程制造硅结构，但可采用材料的其它组合和其它工艺。

采用图2B和2C的过程，原材料是具有由2微米厚的二氧化硅层21分离的处理层20和100微米厚的活性硅层22的绝缘体上的硅(“SOI”)晶片26。注意图2C，它更详细地示出了步骤12，首先SOI晶片26以光刻胶23利用标准的平板印刷术来图案化以限定悬挂验证块24的覆盖区(在图2D中示出)。如图2D所示，它示出制造过程的步骤13，深硅反应离子蚀刻限定了悬挂验证块24的结构。

如图2E所示(步骤14)，在转移硅图案后，硅层之间的二氧化硅层21用各向同性氧化物蚀刻来去除，这允许层21的部分尤其是锚和结合焊盘(未示出)下的部分将结构维持并固定到衬底上。在验证块24和其它组件从衬底释放后，利用将金属25放置在结构的侧壁上的工艺用金属层系统成一定角度地覆盖整个装置，如图2F所示(步骤15)。该金属是关键的因为它形成了传感器所使用的触点。

图3示出本发明的一个实施例，它包括在验证块1的相对侧上的闩锁/触点的两“镜像”组，以监测y轴正向和负向的震动级别，并根据外部震动的级别提供闩锁信号和可编程触发信号。例如，震动级别可能不足以导致闩锁接合(由此提供“闩锁信号”)，但可能足以使触点2和7接触(为了本说明书的目的将这种接触情况讨论为“触发信号”)。验证块1通过将其自身在+y和-y方向上移位来响应震动级别。验证块1上的闩锁3以关于震动级别(在该震动级别期望震动传感器闩锁)选择的预定的距离与爪4分离。如果达到该震动级别，则验证块1和闩锁3将移动使闩锁3和爪4接合所需的距离。十分柔软的梁50允许爪4在与验证块1的运动垂直的方向上容易地移动，并与闩锁3接合，这可防止验证块1返回其起始状态。在该点处，震动传感器在其闩锁状态，并且在验证块1和爪4之间存在闭合接触。该闭合接触可起作用，以向微控制器发信号或允许由外部读取器查询。图4示出闩锁状态的震动传感器。

此外，如图3所示，当验证块1通过震动偏移时，闩锁3的侧壁上的验证块触点2可与触点7连接。触点侧壁(2和7)的表面被设计成提供可靠且低电阻的接触。连接到触点7的触点致动器51允许触点2和7之间的距离改变。触点致动器51通过在基本垂直验证块1的运动方向的方向(+或-x方向)上偏移(在施加通过外部电路的电流后，未示出)来实现这一改变。传感器改变触点2和7之间的距离的能力修改了形成接触所需的震动级别，并由此向用户提供可由程序控制的可能性。当触点7连接到闩锁触点2时，可闭合电路，这可将信号提供给微控制器或由外部读取器询问。用于形成验证块触点2和触点7之间的接触的震动级别可或可不与用于闩锁的震动级别相同，这取决于触点致动器51的设置。在本发明的另一个实施例中，闩锁震动也可通过经由复位致动器53的调节以类似于以上所讨论的触点致动器51的方式改变闩锁3和爪4之间的距离来调节。因此，在不同的实施例和应用中可能有其中触点2和7在闩锁(经由闩锁3和爪4)发生前形成接触的情况。相反，也可能有其中在触点2和7形成接触前闩锁(经由闩锁3和爪4)发生的情况。

将震动传感器设计成在读取传感器或用于向外部系统提供信号后复位。如图3所示，本发明包括形成至复位致动器53的唯一的机械连接的爪4上的机械连接52。当震动传感器未闩锁并准备感测震动事件时，复位致动器不与机械连接52或爪4接触。当震动事件发生时，验证块1上的闩锁3与爪4形成接触并强制爪4在基本垂直于验证块1的运动的方向上移动。如果震动足够大，则闩锁3将推动爪4直到闩锁发生。设计机械连接52使得复位致动器53在闩锁期间不将机械负荷施加到爪4。在没有这一机械连接52的情况下，复位致动器53将向闩锁运动施加刚性阻力，使得低震动级别的感测很难。尽管图3示出这一机械连接52的一个实施例，但本发明范围内的其它机械设计也可实现在没有来自复位致动器53的阻力的情况下允许闩锁发生的目标。

尽管传感器处于闩锁状态，如图4所示，但可强制复位致动器53偏移使得复位致动器53与机械连接52接合并拉动爪4远离闩锁3。本发明所示实施例将在特定量的电流流过装置时偏移的热致动器用于复位致动器53。当致动器53与爪4接合时，来自复位致动器53的力将拉动爪4远离验证块1。当施加足够大的力时，闩锁3和爪4分离，从而释放验证块1并允许其返回其初始位置。在该点处，传感器准备好监测另一个震动事件。

图5定义了用于设计检测特定级别的震动的传感器的一个实施例的主要参数。验证块的质量定义了惯性力，并由以下表达式给出：

m＝ρ*wm*lm*t，

其中m是质量，ρ是材料的密度，wm是验证块宽度，lm是验证块长度，而t是验证块厚度。

然后在加速度作用下块上产生的惯性力由以下表达式给出：

F＝m*a，

其中F是惯性力，m是验证块的质量，而a是施加的加速度，

悬架的刚度提供抵抗惯性力的力。刚度由以下表达式给出：

$k=2*\mathrm{kb}=\frac{2*E*t*{\mathrm{wb}}^3}{{\mathrm{lb}}^3},$

其中k是整个悬架刚度，kb是悬架中一根梁的刚度，E是制造装置的材料的杨氏模量，wb是悬架中梁的宽度，lb是悬架中梁的长度，而t是材料的厚度。

忽略闩锁摩擦力的影响，验证块在所施加的加速度的作用下移动的距离由以下表达式给出：

$y=\frac{F}{k}$

如果验证块偏移大于闩锁间隙加爪的尖端两端的距离，则装置将闩锁，并由以下闩锁条件表达：

$a>\frac{k*(1g+\mathrm{lp})}{m}$

以下的表1包含闩锁给定的一组设计参数和100μm的材料厚度以及7μm的闩锁间隙的传感器所需的震动级别。

震动级别	弯曲件宽度，wb	弯曲件长度，lb	验证块宽度，wm	验证块长度，lm
					20g	3.5μm	800μm	1500μm	1100μm
250g	5μm	800μm	515μm	515μm
					500g	6.5μm	800μm	545μm	545μm
1000g	8.5μm	800μm	581μm	581μm

表1-设计参数与震动触发级别的表

在本发明的一个实施例中，震动传感器用于唤醒嵌入式感应应用中的微控制器。在另一个实施例中，该装置用于其中传感器连接到用于集装箱或产品的经历的震动环境的远程测定的RFID标签或其它发送器的独立的应用。用于诸如温度、湿度和化学物浓度之类的其它环境变量的类似的装置可利用本文公开的原理来开发。

图6示出用于在经历某一震动级别时将嵌入式微控制器从休眠模式唤醒的本发明的实施例的配线示意图。在本实施例中，将电压差施加到致动器53和51的两端。在工作中将单偏置信号施加到装置的验证块1。偏置信号可以是电压或电流，这取决于所使用的读出电路的类型。到外部触点和爪的连接可作为连接偏置信号的输出。可将这些输出连接到微控制器中断线路、无线收发器、执行某些功能的大型电路或几个其它连接和电路。

尽管示出了本发明的几个实施例和形式，但显然本领域的技术人员可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明的实施例进行其它各种修改。例如，利用在触点、多个可移动触点和不同的致动器类型上的改变的表面特征的传感器的其它构造是可能的。

图7所示的本发明的一个特定的实施例将第二验证块41的侧壁40用作移动触点以与传感器的主闩锁验证块1上的触点42连接。当施加震动负荷时，移动触点41将在闩锁操作期间移动偏离主验证块1，从而减小满足闩锁条件所需的力的量。在闩锁发生后并从装置去除震动负荷后，移动触点41将返回到原初始位置并与装置的主闩锁验证块1上的触点42连接。这种构造在设计其中惯性力可能不足以克服固定的电触点产生的制动力的低震动触发装置时是有用的。

图8所示的另一个实施例包括多个触点70和多个闩锁71以允许一个传感器可在验证块1受到的多个震动级别下触发和闩锁。

装置的另一个实施例(未示出)采用用于复位功能的电容性致动器代替热致动器。电容性致动器消耗较少的功率但仅适于较低的力和较低的震动级别应用。该构造需要验证块上的另外的电容性致动器以将其移动到不与爪接触，从而消除保持爪与闩锁接触的摩擦。然后另一个电容性致动器将爪移位，其后释放验证块上的致动器，然后爪释放，在该点处传感器是未闩锁的，并准备好另一个感测操作。

此外，用于该装置的其它制造工艺是可能的。实现具有1)可形成电接触的导电侧壁以及2)大量的悬挂惯性块的单个厚微机械结构层的任何制造工艺。示例包括硅、二氧化硅、镍、钛和其它导体的批量微机械加工和晶片结合制造方法，以及利用电镀金属的LIGA类型制造工艺。

可在不背离如本文所述的本质特性的情况下将本发明提供为其它特定形式和实施例。所述的实施例在所有的方面仅视为说明性的而不是以任何方式限制的。以下的权利要求而不是上述的描述表示本发明的范围。

如上所述以及附图所示，本发明包括微机电式震动传感器。尽管描述了本发明的特定的实施例，然而，应该理解本发明不限于此，因为本领域的技术人员特别是根据上述的教示可进行修改。因此，所附权利要求预期覆盖结合了体现本发明的精神和范围的这些特征或改进的任何这种修改。

Claims (25)

1.一种微机电震动传感器装置，包括：

可移动验证块，包括：

第一机械闩锁以及

第一电触点；以及

包括第二机械闩锁的爪，所述第二机械闩锁被设置在离所述第一机械闩锁一闩锁距离处，所述闩锁距离对应于闩锁阈震动级别；以及

被设置在离所述第一电触点一电接触距离处的第二电触点，所述电接触距离对应于电接触阈震动级别；其中

当所述验证块经历闩锁阈震动级别的方向上的震动级别时，所述第一机械闩锁向所述第二机械闩锁移动且所述第一电触点向所述第二电触点移动；以及

当所述震动级别达到所述闩锁阈震动级别时所述第一机械闩锁与所述第二机械闩锁接合；以及

当所述震动级别达到所述电接触阈震动级别时，所述第一电触点与所述第二电触点接触。

2.如权利要求1所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述第一电触点在所述第一机械闩锁与所述第二机械闩锁接合前与所述第二电触点接触。

3.如权利要求1所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，还包括解闩锁装置以将所述第二机械闩锁从所述第一机械闩锁释放。

4.如权利要求3所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述解闩锁装置包括机械上耦合到所述爪的第一致动器。

5.如权利要求1所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，还包括机械耦合到所述爪的第一致动器，用于将第一机械闩锁从所述第二机械闩锁解开。

6.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述第一致动器机电连接到所述爪，以移动所述第二机械闩锁从而改变所述闩锁距离。

7.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，还包括机电连接到所述第二电触点的第二致动器，以移动所述第二电触点从而改变所述电接触距离。

8.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述第一致动器在闩锁期间不接合所述爪。

9.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述第一致动器在闩锁期间不向所述爪施加机械负荷。

10.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述第一致动器接合所述爪以将所述第二机械闩锁从所述第一机械闩锁解开。

11.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述第一致动器包括热致动器。

12.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述第二致动器包括热致动器。

13.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述第一致动器包括电容性致动器。

14.如权利要求7所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述第二致动器包括电容性致动器。

15.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述闩锁距离约是7微米。

16.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述验证块具有500至1200微米的长度、500至1500微米的宽度以及80至120微米的厚度。

17.如权利要求5所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述验证块还包括：

第三机械闩锁；

第三电触点；

第四机械闩锁；以及

第四电触点；

其中所述第三机械闩锁、第三电触点、第四机械闩锁和第四电触点在验证块上与所述第一机械闩锁、第一电触点、第二机械闩锁和第二电触点相对的一侧上以镜像位置制造，以便使所述装置能够检测负向以及正向上的震动。

18.一种微机电震动传感器装置，包括：

第一可移动验证块，包括：

第一机械闩锁以及

第一电触点；以及

包括第二机械闩锁的爪，所述第二机械闩锁被设置在离所述第一机械闩锁一闩锁距离处，所述闩锁距离对应于闩锁阈震动级别；以及

其中当所述验证块经历所述闩锁阈震动级别的方向上的震动级别时，所述第一机械闩锁向所述第二机械闩锁移动；以及

其中当所述震动级别达到所述闩锁阈震动级别时所述第一机械闩锁与所述第二机械闩锁接合；以及

包括被定位成在所述第一机械闩锁与所述第二机械闩锁闩锁后与所述第一电触点形成电接触的第二电触点的第二可移动验证块。

19.一种微机电震动传感器装置，包括：

可移动验证块，包括：

被设置在离至少一个保持闩锁多个闩锁距离处的多个闩锁，所述多个闩

锁距离对应于多个闩锁震动级别，以及

第一电触点；以及

包括至少一个保持闩锁的至少一个爪；以及

被设置在离所述第一电触点多个电接触距离处的多个第二电触点，所述多个电接触距离对应于多个电接触震动级别；其中

当所述验证块经历在所述多个接触震动级别的方向上的某一震动级别时，所述多个闩锁向所述至少一个保持闩锁移动且所述第一电触点向所述多个电触点移动；以及

当所述震动级别达到所述多个闩锁震动级别中的任一个时所述多个闩锁中的至少一个与所述至少一个保持闩锁接合；以及

当所述震动级别达到所述多个电接触震动级别时，所述第一电触点与所述多个电触点中的至少一个接触。

20.如权利要求19所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，还包括机械耦合到所述至少一个爪的至少一个致动器，用于将所述至少一个保持闩锁从所述多个闩锁解开。

21.如权利要求20所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述至少一个致动器在闩锁期间不与所述至少一个爪接合。

22.如权利要求20所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述至少一个致动器在闩锁期间不向所述至少一个爪施加机械负荷。

23.如权利要求20所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述至少一个致动器是热致动器。

24.如权利要求20所述的微机电震动传感器装置，其特征在于，所述至少一个致动器是电容性致动器。

25.一种利用微机电装置感测震动的方法，包括以下步骤：

制造微机电震动传感器装置，包括

可移动验证块，包括：

第一机械闩锁以及

第一电触点；以及

包括第二机械闩锁的爪，所述第二机械闩锁被设置在离所述第一机械闩锁一闩锁距离处，所述闩锁距离对应于一闩锁阈震动级别；以及

被设置在离所述第一电触点一电接触距离处的第二电触点，所述电接触距离对应于一电接触阈震动级别；其中

当所述验证块经历沿所述闩锁阈震动级别方向的一震动级别时，所述第一机械闩锁向所述第二机械闩锁移动且所述第一电触点向所述第二电触点移动；以及

当所述震动级别达到所述闩锁阈震动级别时，所述第一机械闩锁与所述第二机械闩锁接合；以及

当所述震动级别达到所述电接触阈震动级别时，所述第一电触点与所述第二电触点接触；以及

将所述传感器安装在期望监测震动的位置中。

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