[发明专利]一种采用SMA的元件级MEMS器件主动隔振器

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统MEMS的技术领域，具体涉及一种采用SMA（Shape Memory Alloy,形状记忆合金）的元件级MEMS器件主动隔振器，其利用SMA材料变弹性模量特性，基于MEMS加工工艺的元件级MEMS主动隔振器。

背景技术

微机电系统MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是集微机械与微电子功能于一体的微型机电器件或系统，基于MEMS技术的器件（如MEMS传感器、驱动器）由于其体积小、重量轻、灵敏度高而广泛应用，尤其是在汽车和电子行业。很多MEMS器件往往需要在恶劣的振动环境下工作，如普通汽车使用的MEMS传感器将长期承受0-400Hz的随机振动载荷，而航天器上使用的MEMS器件在发射过程中将承受20-2000Hz的随机振动载荷。恶劣的振动环境严重影响了MEMS器件的性能，甚至造成MEMS器件的损坏。

振动环境对于MEMS器件的影响根据其严重程度可分为三类：1）输出精度下降。这类影响一般是针对MEMS传感器而言的，在环境振动噪声不太大时，外界的振动会激发MEMS传感器内部敏感结构的振动，从而导致输出精度下降。例如，薄膜压电压力传感器在10g的振动条件下，其输出精度会下降10-12%。2）输出错误。在较大振动噪声环境中，MEMS传感器由于振动影响，会在没有测量信号输入的情况下产生输出，造成错误的输出。比如在100g振动载荷作用下，MEMS陀螺仪在没有转动运动的情况下，会给出3.5°/s输出结果。3）MEMS器件结构损坏。在大振动载荷作用下，或者振动频率和MEMS器件的共振频率相同时，会发生MEMS器件的结构性损坏。

由此可见，轻微的振动环境会对MEMS器件的输出结果造成影响，而恶劣的振动环境则会造成永久性的结构损坏。因此，需要对MEMS器件进行隔振，保证MEMS器件能在恶劣的振动工作环境下正常工作。

针对MEMS器件在恶劣振动环境下应用面临的问题，目前国内外主要采用元件级（Component Lever）隔振器对MEMS器件进行隔振，它采用MEMS加工技术制造出微弹簧—质量—阻尼系统，直接对单个MEMS器件进行隔振，这种隔振器可以和MEMS器件一起封装，两者作为一个元件安装到IC电路上，使用非常方便。

近年来，国内外报道了多个元件级MEMS隔振器，从其工作原理可分为被动和主动隔振器两种。在被动隔振器方面，美国的Reid等人首先采用MEMS技术在硅片上加工出MEMS隔振器，如图1所示（参见J.R.Reid,V.M.Bright,J.A.Kosinski,A micromachined vibration isolation system for reducing the vibration sensitivity of surface transverse wave resonators,Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,IEEE Transactions on,vol.45,pp.528-534,1998.），该隔振器由四个微弹性支承2将微隔振平台3和连接框架4连接起来，需要进行隔振的MEMS器件1则连接在隔振平台上。该平台的四个微弹性支承起到了弹性连接的作用，使得整个系统的共振频率大大降低，当环境的振动频率高于系统共振频率时，环境通过隔振器传递到MEMS器件1上的振动便会大大减弱，从而起到隔振的作用。在主动隔振器方面，Kim等于2009年在被动隔振器的基础上，通过静电驱动器主动调节隔振器的刚度和阻尼，设计了MEMS主动隔振器，如图2所示（参见S.J.Kim,C.Chen,G.Flowers,R.Dean,Active vibration control and isolation for micro-machined devices,in ASME Conference on Smart Materials,Adaptive Structures and Intelligent Systems,SMASIS2008,October28,2008-October30,2008,Ellicott City,MD,United states,2008,pp.657-664.），该主动隔振器由微弹性支承将微隔振平台3和连接框架4连接起来，被隔振的MEMS器件1则安装在微隔振平台3上，静电驱动器6可以对微隔振平台3施加吸力或斥力，调节隔振器的刚度和阻尼，位移传感器5用于监测微隔振平台3的振动幅度，和静电驱动器6通过外部控制电路形成闭环控制，实现对隔振器刚度和阻尼的主动调节。