CN100536055C - 可调控接触时间的微型惯性电学开关 - Google Patents
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Abstract
一种可调控接触时间的微型惯性电学开关，属于微机电系统技术领域。本发明中，带有悬臂梁阵列的质量块电极由质量块以及固定在其上的悬臂梁阵列构成，悬臂梁阵列位于多孔弹性梁固定电极下方，支撑层位于绝缘衬底上方、质量块下方，弹簧支撑座以及多孔弹性梁支撑座固定在绝缘衬底上、位于质量块周围，连体蛇形弹簧与质量块相连，并被弹簧支撑座悬空，多孔弹性梁固定电极被多孔弹性梁支撑座悬空、位于质量块上方、与悬臂梁阵列之间有间隙。本发明很好地改善了可动质量块电极与弹性梁固定电极间的接触效果，且可方便地调节微型惯性开关两电极间的接触时间，增进了带有连体蛇形弹簧质量块在外界加速度作用下运动的协调性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电工程技术领域的微型开关，具体涉及一种可调控接触时间的微型惯性电学开关。
背景技术
以微机电系统技术为基础设计和制造的惯性开关因其具有体积小、成本低及批量生产等优点备受关注。以往的微型惯性开关，不论是垂直驱动还是水平驱动，因其加工方法是在传统的集成电路制造技术上发展而来，很多情况下开关的制备是以硅衬底为基础进行电镀的，由于电镀过程中不可避免的内应力，这就决定了整个器件的高度不可能太厚，为了有足够大的质量块来感应外界的加速度作用，最终导致器件的整体面积较大，这个问题在水平驱动的惯性开关中更为明显。微型惯性电学开关的设计多数采用悬臂梁或弹簧连接质量块电极去接触另一固定电极的形式。但是，如何处理好质量块电极碰撞到另一固定电极的接触效果和随后的高速反弹问题，以及保证悬臂梁或弹簧连接的质量块这一机构在外加速度作用下的快速协调动作一直是人们努力的方向，结果各种用以改善上述不足的微型惯性电学开关设计不断被提出。
经对现有技术的文献检索发现，Ma Wei等在《Journal of Micromechanicsand Microengineering》(《微机械与微工程杂志》，2003年13卷第3期892-899页)发表了题为“Design and characterization of inertia-activatedelectrical micro-switches fabricated and packaged using low-temperaturephotoresist molded metal-electroplating technology”(“用低温金属电镀技术制造与封装的惯性驱动微型电学开关的设计与表征”)的论文，提出以硅衬底为基础，在其上电镀金属的方法来实现微型惯性开关的制备，该微型惯性开关是以悬臂梁连接的质量块作为电极之一，另一电极位于质量块下方的衬底上、或者与质量块在同一个平面。质量块电极与直接位于基底上的另一固定电极碰撞接触时，由于两者的刚度都很大，以至于接触效果不良，而且接触时间短暂，接触时间不可调节，再加上高速回弹的质量块没有任何边界防护，可能会导致器件受损。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可调控接触时间的微型惯性电学开关，实现对微型惯性电学开关接触时间的调节，对器件的意外损伤起到保护作用。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：带有悬臂梁阵列的质量块电极、多孔弹性梁固定电极、连体蛇形弹簧、绝缘衬底、支撑层、弹簧支撑座以及多孔弹性梁支撑座。所述的带有悬臂梁阵列的质量块电极由质量块以及固定在质量块上的悬臂梁阵列构成，悬臂梁阵列位于多孔弹性梁固定电极下方，支撑层位于绝缘衬底上方、质量块下方，弹簧支撑座以及多孔弹性梁支撑座固定在绝缘衬底上、位于质量块周围，连体蛇形弹簧与质量块相连，并被弹簧支撑座悬空，多孔弹性梁固定电极被多孔弹性梁支撑座悬空、位于质量块上方，多孔弹性梁固定电极与悬臂梁阵列之间有间隙。当外界足够大的负加速度沿绝缘衬底上表面法线方向作用于本发明开关时，或者足够大的正加速度沿绝缘衬底下表面法线方向作用于本发明开关时，带有悬臂梁阵列的质量块电极将接触到多孔弹性梁固定电极，实现对外电路的接通。
所述的绝缘衬底，可以是石英衬底、玻璃衬底等绝缘衬底。
所述的支撑层是在绝缘衬底上直接电镀镍或铜等金属形成的，由一系列纵向和横向分布的短柱阵列而成，短柱可以有不同的形状和尺寸，阵列的形式也可有各种形式，如短柱可以做成长方体或圆柱体，阵列时一部分在绝缘衬底上、连体蛇形弹簧下方纵向阵列，间隔为80-120微米，另一部分在绝缘衬底上、质量块下方横向阵列成4行×5列，支撑层的短柱截面积不宜太小，一般至少为15微米×70微米，以防止最后器件释放时脱落，高度适当，一般为3-20微米，能够对高速弹回的连体蛇形弹簧和质量块电极起到一定的支撑作用。
所述的连体蛇形弹簧是通过电镀镍或铜等金属形成的一匝或多匝的结构，其线宽为5-50微米，厚度为4-50微米，蛇形弹簧弯曲部分的半圆内径为20-100微米，连接蛇形弹簧弯曲部分的半圆间的竖直长为50-500微米，单个弹簧之间连体的长度为10-200微米。本发明中的连体蛇形弹簧相对于以往单一弹簧或悬臂梁分布在质量块周围的设计，其优点在于在受到外界加速度作用后，连体蛇形弹簧悬空和质量块电极的运动能够保持一致性、协调性，有利于开关的稳定可靠。
所述的弹簧支撑座是通过电镀镍或铜等金属形成的方形或者弧形柱状结构，其形状和尺寸因绝缘衬底的形状变化而变化。
所述的带有悬臂梁阵列的质量块电极是通过多次叠层电镀镍或铜等金属形成的方形或圆形体结构。
所述质量块位于支撑层上方、多孔弹性梁下方，由连体蛇形弹簧将其连接并悬空，质量块的尺寸和形状因绝缘衬底的形状变化而变化，当为长方体时，其尺寸为长300-1000微米、宽300-1000微米、高50-500微米，在制作过程中质量块电极可在其中间挖出一系列的孔以方便最后的释放。
所述的悬臂梁阵列是通过在质量块上电镀镍或铜等金属形成的方形体结构，也可通过弧面烘胶后再电镀的方法形成，其尺寸和形状因绝缘衬底的形状变化而变化，当悬臂梁阵列中的悬臂梁为长方体时，其尺寸为长20-100微米、宽10-30微米、高5-10微米，在制作过程中悬臂梁阵列需要用正胶做牺牲层来释放得到。悬臂梁支撑座用来支撑悬臂梁阵列中的悬臂梁，悬臂梁支撑座的形状和结构与悬臂梁阵列中的悬臂梁匹配，当悬臂梁支撑座为长方体时，其尺寸为长10-50微米、宽10-30微米、高3-6微米。这种位于质量块电极上的悬臂梁阵列可有效地降低质量块电极与固定电极碰撞时两者间的接触刚度，起到一定的缓冲作用，有利于改善两电极的接触效果。
所述的多孔弹性梁固定电极，为室温下采用电镀镍或铜等金属制作的多孔弹性梁，可以为一根或多根，梁和孔的形状及尺寸可以有多种变化。多孔弹性梁位于悬臂梁阵列上方，并固定在多孔弹性梁支撑座上，多孔弹性梁支撑座比带有悬臂梁阵列的质量块电极高出10-40微米，作为多孔弹性梁固定电极与带有悬臂梁阵列的质量块电极间的间隙，多孔弹性梁支撑座典型的高度尺寸为140-180微米。这种多孔弹性梁作为固定电极减小了整体梁的结构刚度，在受到质量块电极的碰撞时，可有效地降低两者间的接触刚度，起到一定的缓冲作用，有利于改善两电极的接触效果，且便于制作过程中器件最后的释放。
所述的多孔弹性梁支撑座可以制作成长方体状，也可做成圆柱体状，这因绝缘衬底的形状可以变化为不同的尺寸和形状，也是采用室温下多次叠层电镀镍或铜等金属制作。
本发明以微机电系统加工技术为基础，采用室温下在石英或玻璃等绝缘衬底上多次互不干扰叠层电镀整个开关结构的方法制作。本发明在外界加速度作用下，依靠惯性力驱动连体蛇形弹簧悬空的带有悬臂梁阵列的质量块电极运动，从而接触到与其有一定间距的多孔弹性梁固定电极，随后又在弹簧作用力下快速将带有悬臂梁阵列的质量块电极拉回，最终实现对电路瞬间开关。
本发明针对以往微型惯性电学开关在接触效果不佳、质量块电极运动协调性差以及两电极接触后高速反弹方面存在的问题，提出了一种包含连体蛇形弹簧、支撑层、多孔弹性梁固定电极和带有悬臂梁阵列的质量块电极的微型惯性电学开关，很好地改善了可动质量块电极与固定电极间的接触效果，增进了带有连体蛇形弹簧质量块在外界加速度作用下运动的协调性，同时也减小了质量块电极高速反弹对开关器件造成地损坏。通过设计改变质量块电极上悬臂梁阵列中悬臂梁的尺寸和悬空高度，可方便地调节微型惯性电学开关在接通过程中的接触时间。
传统的没有使用多孔弹性梁作为固定电极的微型惯性电学开关，其接触时间通常约为0.1-0.5微妙，而且因为它的可动电极和固定电极都是刚度很大的刚体，无法实现对微开关接触时间的调节。本发明的可调控接触时间的微型惯性电学开关，采用多孔弹性梁作为固定电极，采用带有悬臂梁阵列的质量块作为可动电极，一方面可以减小两电极之间的接触刚度，从而增长接触时间，通常接触时间可增加到20-50微妙，另一方面，采用调节位于质量块上的悬臂梁阵列中悬臂梁长度及悬空高度的方法，可以实现对微型惯性电学开关接触时间的调控，最长可以将微开关的接触时间增长到150-200微妙。
附图说明
图1是实施例1具有一对多孔弹性梁固定电极的可调控接触时间的微型惯性电学开关结构示意图
图2是实施例1的带有悬臂梁阵列的质量块电极结构示意图
图3是实施例1的带方孔弹性梁固定电极结构示意图
图4是实施例1的支撑层结构示意图
图5是实施例2具有一根多孔弹性梁固定电极的可调控接触时间的微型惯性电学开关结构示意图
图6是实施例3具有多匝连体蛇形弹簧的带悬臂梁阵列的质量块电极结构示意图
图7是实施例4采用圆形衬底和质量块的可调控接触时间的微型惯性电学开关结构示意图
图8是实施例5采用悬臂梁阵列作为固定电极的可调控接触时间的微型惯性电学开关结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1具有一对多孔弹性梁固定电极的可调控接触时间的微型惯性电学开关
如图1所示，本实施例可调控接触时间的微型惯性电学开关包括：带有悬臂梁阵列的质量块电极、多孔弹性梁固定电极2、连体蛇形弹簧3、支撑层4、绝缘衬底5、弹簧支撑座6、多孔弹性梁支撑座8；所述带有悬臂梁阵列的质量块电极由质量块1以及固定在质量块1上的悬臂梁阵列9构成。
支撑层4位于绝缘衬底5上方、质量块1下方，弹簧支撑座6固定在绝缘衬底5上、位于质量块1两侧，多孔弹性梁支撑座8也固定在绝缘衬底5上、位于质量块1其余两侧，连体蛇形弹簧3与质量块1相连，并一起被弹簧支撑座6悬空，多孔弹性梁固定电极2被多孔弹性梁支撑座8悬空，并位于质量块1上方，悬臂梁阵列9固定在质量块1上并被悬臂梁支撑座10悬空，悬臂梁支撑座10的高度为3-6微米，与多孔弹性梁固定电极2之间有10-40微米的间隙，连体蛇形弹簧3的匝结构之间连有弹簧间连体7。
质量块1为长方体状，大小为：长950微米、宽950微米、高110微米，采用多次叠层电镀镍或铜等金属制作。
悬臂梁支撑座10为长10-50微米、宽10-30微米、高3-6微米。
悬臂梁阵列9中的悬臂梁长20-100微米、宽10-30微米、高5-10微米，这些悬臂梁在质量块1上、多孔弹性梁固定电极2下方，阵列成5行×4列。
连接质量块1的蛇形弹簧3，其线宽10微米、厚度20微米，弹簧弯曲部分半圆处的内直径20微米、外直径40微米，弹簧间连体7长20-50微米。
弹簧支撑座6长300微米，宽100微米，高30微米。
多孔弹性梁固定电极2长1300微米，宽160微米，厚20微米，多孔弹性梁上的孔11的大小为50微米×50微米，与多孔弹性梁同厚，支撑它的多孔弹性梁支撑座8为长100微米×宽360微米×高140微米，多孔弹性梁支撑座8比带悬臂梁阵列的质量块电极高出10-40微米。
支撑层4中短柱长100-200微米，宽30-60微米，高4-8微米，这些短柱可以按不同的方式在绝缘衬底5上阵列：一部分在衬底上、连体蛇形弹簧下方纵向阵列，间隔为100-120微米，另一部分在衬底上、质量块下方阵横向列成4行×5列。
绝缘衬底5尺寸为长1700-2000微米、宽1600-2000微米、高50-100微米。
图2为本实施例带有悬臂梁阵列9的质量块1的立体结构示意图，位于质量块1两侧的弹簧支撑座6电镀在绝缘衬底5上，将连体蛇形弹簧3和与之相连的质量块1悬空起来。悬臂梁阵列9由一系列纵向分布的悬臂梁阵列而成，悬臂梁支撑座10的高度为3-6微米。
图3是本实施例作为多孔弹性梁固定电极2的多孔弹性梁的结构示意图，多孔弹性梁支撑座8电镀在绝缘衬底5上，多孔弹性梁固定电极固定在多孔弹性梁支撑座8上，多孔弹性梁固定电极2上有一系列的方形孔11，孔11的厚度与多孔弹性梁固定电极的厚度一致。
图4是本实施例支撑层4的结构示意图，由图可见支撑层4由一系列纵向和横向分布的短柱阵列而成，纵向阵列在绝缘衬底5上、连体蛇形弹簧3下方，横向阵列在绝缘衬底5上、质量块1下方。
将外电路的两极分别接于上述可调控接触时间的微型惯性电学开关的质量块1和多孔弹性梁固定电极2，当受到外界足够大的加速度作用在该开关的敏感轴方向(这里为绝缘衬底5表面的法线方向)后，在质量块1惯性力的驱动下，由连体蛇形弹簧3悬空的带有悬臂梁阵列9的质量块1运动向并接触到多孔弹性梁固定电极2，随后又被连体蛇形弹簧3拉开，从而实现对外电路的快速通断。多孔弹性梁固定电极2的多孔结构减小了其刚度，质量块1上的悬臂梁阵列9在与多孔弹性梁固定电极2碰撞接触是两低刚度部件之间的相互碰撞接触，这样可以增进两电极间的接触效果，而且通过调节多孔弹性梁固定电极2上孔11的分布以及悬臂梁阵列9的尺寸结构，可以方便地调控微型惯性开关的接触时间，孔的分布越多、悬臂梁越软，则接触时间越长，反之则越短。
本实施例中微型惯性电学开关的接触时间可在20-150微妙之间调节。
实施例2采用一根多孔弹性梁的可调控接触时间微型惯性电学开关
图5是采用一根多孔弹性梁的可调控接触时间微型惯性电学开关的立体结构示意图，如图所示，该微型惯性电学开关采用了一根多孔挡板梁作为多孔弹性梁固定电极2，该微型惯性电学开关的尺寸与实施例1中可调控接触时间微型惯性电学开关的一致，并且除了多孔弹性梁固定电极2，其余部件的形状、尺寸与实施例1一致。
本实施例中微型惯性电学开关的接触时间可在20-100微妙之间调节。
实施例3带有多匝连体蛇形弹簧的可调控接触时间微型惯性电学开关
图6是本实施例带有多匝连体蛇形弹簧的可调控接触时间微型惯性电学开关结构示意图，如图所示，该微型惯性电学开关采用的连体蛇形弹簧3是多匝的，该微型惯性电极开关的其余特征与实施例1类似。
本实施例中微型惯性电学开关的接触时间可在20-200微妙之间调节。
实施例4采用圆形衬底和质量块的可调控接触时间微型惯性电学开关
图7是采用圆形衬底和质量块的可调控接触时间微型惯性电学开关结构示意图，连体蛇形弹簧3与实施例1中连体蛇形弹簧的尺寸一样，也可以制作成实施例3中连体蛇形弹簧3的多匝结构。
带有悬臂梁阵列的质量块1为圆柱结构，其底面直径900微米，高100微米。
悬臂梁支撑座10为长10-50微米、宽10-30微米、高3-6微米。
悬臂梁阵列9中的悬臂梁长20-100微米、宽10-30微米、高5-10微米，这些悬臂梁在质量块1上、多孔弹性梁固定电极2下方，阵列成5行×2列。
绝缘衬底5为圆柱结构，其底面直径1650微米，高50微米，可在其上类似图1设计，阵列一定尺寸形状的短柱，阵列方式同实施例1一致。
多孔弹性梁固定电极2的总长1650微米，中间长方形过渡部分长900微米，宽450微米，结构厚20微米，可在上面分布直径尺寸为50-100微米的圆孔或50微米×50微米的方孔。
扇形弹簧支撑座6高20微米，扇形宽100微米，内直径1450微米，外直径1650微米，扇形角度30度；多孔梁的扇形梁支撑座8高160微米，扇形宽100微米，内直径1450微米，外直径1650微米，扇形角度60度。
本实施例中微型惯性电学开关的接触时间可在20-200微妙之间调节。
实施例5采用悬臂梁阵列作为固定电极且位于质量块下方的可调控接触时间微型惯性电学开关
图8是采用悬臂梁阵列作为固定电极且位于质量块下方的可调控接触时间微型惯性电学开关结构示意图，如图所示，该微型惯性电学开关采用位于质量块1下方、绝缘衬底5上方的悬臂梁阵列9作为弹性固定电极，弹性梁挡板作为质量块1碰撞悬臂梁阵列固定电极反弹后的保护，支撑层4中的位于质量块1下方的横向阵列的短柱被悬臂梁阵列9取代，悬臂梁阵列9位于质量块1下方的两侧，为2行×5列。该微型惯性电学开关的尺寸与实施例1中可调控接触时间微型惯性电学开关的一致，并且除了悬臂梁阵列固定电极，其余部件的形状、尺寸与实施例1一致。
本实施例中微型惯性电学开关的接触时间可在20-200微妙之间调节。
Claims (10)
1、一种可调控接触时间的微型惯性电学开关，包括：带有悬臂梁阵列的质量块电极、多孔弹性梁固定电极、连体蛇形弹簧、绝缘衬底、支撑层、弹簧支撑座以及多孔弹性梁支撑座，其特征在于，所述的带有悬臂梁阵列的质量块电极由质量块以及固定在其上的悬臂梁阵列构成，悬臂梁阵列位于多孔弹性梁固定电极下方，支撑层位于绝缘衬底上方、质量块下方，弹簧支撑座以及多孔弹性梁支撑座固定在绝缘衬底上、位于质量块周围，连体蛇形弹簧与质量块相连，并被弹簧支撑座悬空，多孔弹性梁固定电极被多孔弹性梁支撑座悬空、位于质量块上方，多孔弹性梁固定电极与悬臂梁阵列之间有间隙。
2、根据权利要求1所述的可调控接触时间的微型惯性电学开关，其特征是，所述的绝缘衬底是指石英或玻璃衬底。
3、根据权利要求1所述的可调控接触时间的微型惯性电学开关，其特征是，所述的悬臂梁阵列，其中的悬臂梁长为20-100微米、宽为10-30微米、高为5-10微米，这些悬臂梁在质量块上、多孔弹性梁固定电极下方，阵列成5行×4列。
4、根据权利要求1所述的可调控接触时间的微型惯性电学开关，其特征是，所述的支撑层是绝缘衬底上的纵向和横向分布的短柱阵列，纵向阵列在绝缘衬底上、连体蛇形弹簧下方，横向阵列在绝缘衬底上、质量块下方，其中短柱为长方体或圆柱体，其截面积至少为20微米×80微米，高度为5-15微米。
5、根据权利要求1所述的可调控接触时间的微型惯性电学开关，其特征是，所述的弹簧支撑座是方形或者弧形柱状结构。
6、根据权利要求1所述的可调控接触时间的微型惯性电学开关，其特征是，所述的连体蛇形弹簧是一匝或多匝的结构，其线宽为5-50微米、厚度为4-50微米，弹簧弯曲部分半圆的内径为20-100微米，连接弹簧半圆间的竖直长为50-500微米，单个弹簧之间连体的长度为10-200微米。
7、根据权利要求1所述的可调控接触时间的微型惯性电学开关，其特征是，所述的质量块是方形或圆形体结构，当为方形结构时，长为300-1000微米、宽为300-1000微米、高为50-500微米。
8、根据权利要求1所述的可调控接触时间的微型惯性电学开关，其特征是，所述的多孔弹性梁固定电极是具有方孔或者圆孔的一根或多根多孔挡板梁。
9、根据权利要求1所述的可调控接触时间的微型惯性电学开关，其特征是，所述的多孔弹性梁支撑座为长方体状或圆柱体状，其高度为140-180微米。
10、根据权利要求1所述的可调控接触时间的微型惯性电学开关，其特征是，所述的多孔弹性梁固定电极与悬臂梁阵列之间的间隙，为10-40微米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090902 Termination date: 20121101 |