CN101419868A - 一种微机械锁存开关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微机械锁存开关装置，由衬底、锚点、触头、挠性梁、检测质量块组成，其中，触头包括：顶触头、动触头和侧触头，所述侧触头分别位于所述动触头的两侧；挠性梁包括：顶触头挠性梁、动触头挠性梁、侧触头挠性梁以及检测挠性梁；所述触头及检测质量块与各自挠性梁固定连接；所述各挠性梁利用相应锚点固定于衬底上。本发明采用各触头相互独立的多触点接触方式，不仅减小了接触电阻、增大了许用电流，而且提高了触点接触的可靠性。本发明中，各触头均与检测质量块相互独立，锁存后不会受到检测质量块反弹、振动等的影响，提高了开关的抗振动能力和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及微机械技术领域，特别是涉及一种微机械锁存开关装置。
背景技术
从20世纪80年代末开始，随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的发展，各种传感器实现了微型化，以MEMS技术为基础的锁存开关装置由于采用了标准化的MEMS加工工艺，具有体积小、重量轻、成本低及易集成等优点，适于大批量生产，在汽车安全气囊、货物运输、碰撞记录以及火箭试验、火控系统、引信等领域都有着迫切的应用需求和广泛的应用前景。由于其使用领域广、需求数量大并且涉及到设备和人身安全，所以微机械锁存装置的设计必须要具备高可靠、高性能的特点。
现有技术中，微机械开关主要通过两种方式实现锁存：
1、电气锁存：如《ACCELERATION MICROSWITCHES_WITHADJUSTABLE SNAPPING THRESHOLD》(The 8th International Conference onSolid-State Sensors and Actuators，and Eurosensors IX.Stockholm，Sweden，June25-29，1995，(691-694).)方案中描述的电器锁存的微机械开关，就是通过静电吸合或逻辑电路判断的。但是，现有技术中的电器锁存微机械开关存在以下缺陷：一方面，容易受到电磁信号的干扰，导致稳定性不可靠；另一方面，上述电器锁存微机械开关是一种有源器件，会给设备增加额外的功耗。
2、机械锁存：现有技术提供的机械锁存装置，如Dino R Ciarlo在《A latchingaccelerometer fabricated by the anisotropic etching of(110)oriented siliconwafers》(J.Micromech.Microeng.2(1992)PP.10-13)中描述的微机械加速度开关方案，检测质量块和触点是融合为一体的，工作时采用单触点接触方式。采用这种结构存在的缺陷是：一方面，接触电阻大，允许用的电流较小，这样就难以保证触点的接触可靠性；另一方面，锁存后触点如果受到检测质量反弹或振动的影响，接触点的可靠性就会降低；此外，上述结构是一种非对称结构，当受到横向冲击时难以保障可靠锁存，并且加工难度也大。
总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种具有更高性能、高可靠的微机械锁存开关装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种微机械锁存开关装置，能够实现精确锁存，具有很高的性能，锁存后能避免外界的干扰对锁存状态的影响，使得锁存开关装置更加可靠。
为了解决上述问题，本发明公开了一种微机械锁存开关装置，由衬底(101)、锚点、触头、挠性梁、检测质量块(105)组成，其中，
所述触头包括：顶触头(102)、动触头(103)和侧触头(104)，所述侧触头(104)分别位于所述动触头(103)的两侧；
所述挠性梁包括：顶触头挠性梁(112)、动触头挠性梁(113)、侧触头挠性梁(114)以及检测挠性梁(115)；
所述触头102、103、104及检测质量块(105)与各自挠性梁112、113、114及115固定连接；
所述挠性梁112、113、114和115利用相应锚点固定于衬底(101)上；
当敏感方向上的外界触发原因大于或等于锁存阈值时，所述动触头(103)推动所述顶触头(102)移动的同时推动所述侧触头(104)向两侧打开并越过所述侧触头(104)，所述侧触头(104)在所述侧触头挠性梁(114)的作用下复位并阻止所述动触头(103)复位，从而实现锁存；
当所述敏感方向上的外界触发原因减小至小于所述锁存阈值时，所述动触头(103)与所述顶触头(102)和侧触头(104)同时保持接触，所述检测质量块(105)与所述动触头(103)分离。
优选的，所述挠性梁均为线性变形梁。
优选的，所述各触头与所述检测质量块是相互独立的。
优选的，所述动触头与其他触头的接触为多点接触。
优选的，本发明一种微机械锁存开关装置还包括两个置于所述侧触头与所述检测质量块之间的止挡块，用于限制所述侧触头的反方向位移。
优选的，本发明一种微机械锁存开关装置还包括两个用于限制所述检测质量块在非敏感方向上移动的止挡块。
优选的，所述锚点、顶触头、顶触头挠性梁、动触头、动触头挠性梁、侧触头、侧触头挠性梁、检测质量快、检测挠性梁、止挡块相对于衬底上所述开关的中心轴对称分布。
优选的，所述衬底采用硅、玻璃或二氧化硅材料制成。
优选的，所述挠性梁、止挡块、锚点采用硅或钛材料制成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
针对现有技术中的微机械开关装置存在的缺陷，本发明提供了一种微机械锁存开关装置，采用动触头、顶触头和侧触头相互独立的多触点接触方式，减小了接触电阻、增大了许用电流，保证了接触的可靠性。
另一方面，本发明中各触头与检测质量块相互独立，锁存后各触头不会受到检测质量块反弹、振动的影响，提高了开关的抗振动能力和可靠性。
此外，本发明中的挠性梁全部采用线性变形梁，线性结构容易实现锁存开关装置的阈值设置，进而增强了阈值设计的精确性。
本发明微机械开关装置中，还设置有止挡块，阻止侧触头的反方向位移和检测质量块对非敏感方向上的冲击的敏感反应，增加了本发明微机械锁存开关装置的可靠性。此外，本发明微机械开关装置采用各触头、各挠性梁以及上述止挡块相对于开关中心轴对称分布的结构，进一步提高了本发明微机械锁存开关装置的可靠性。
附图说明
图1是本发明微机械锁存开关装置实施例的结构示意图；
图2是本发明加速度开关实施例在没有受到外界冲击时各触头的状态示意图；
图3是本发明加速度开关实施例在受到外界冲击时各触头的状态示意图；
图4是本发明加速度开关实施例中各触头的锁存状态示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，示出了本发明一种微机械锁存开关装置实施例的结构示意图，包括衬底101、锚点、触头、挠性梁、检测质量块105。其中，触头包括：顶触头102、动触头103和侧触头104；所述顶触头102位于所述动触头103的上方，所述侧触头104分别位于所述动触头103的两侧。挠性梁包括：顶触头挠性梁112、动触头挠性梁113、侧触头挠性梁114以及检测挠性梁115。
在本发明实施例的结构示意图中，所述顶触头102与顶触头挠性梁112是固定连接在一起的，利用锚点122固定于衬底101上。所述动触头103与所述动触头挠性梁113固定连接在一起，利用两个锚点123固定于衬底101上。两个侧触头104分别与两个侧触头挠性梁114固定连接在一起，利用两个锚点124固定于衬底101上。所述检测质量块105与四个检测挠性梁115固定连接，并通过四个锚点125固定于衬底101上。
在本发明实施例中，假设所述检测质量块105敏感纵向方向上的外界触发，当外界触发原因大于或等于设定的锁存阈值时，所述动触头103推动所述顶触头102上移的同时推动所述侧触头104向两侧打开并越过所述侧触头104，所述侧触头104在所述侧触头挠性梁114的作用下复位并阻止所述动触头103复位，从而实现锁存；当外界触发原因减小至小于所述锁存阈值时，所述动触头103与所述顶触头102和侧触头104同时保持接触，所述检测质量块105与所述动触头103分离。
在本发明实施例中，优选的是，所述动触头103与顶触头102和侧触头104采用相互独立的多触点接触方式，减小了接触电阻、增大了许用电流，保证了接触的可靠性。
在本发明实施例中，优选的是，所述各触头与所述检测质量块105是相互独立的。锁存后，动触头103与顶触头102和侧触头104同时保持接触，当外界触发原因减小至小于锁存开关装置的锁存阈值时，所述动触头103与所述顶触头102和侧触头104同时保持接触，所述检测质量块105与所述动触头103分离，各触头不会受到检测质量块105反弹、振动的影响，有效提高了锁存开关装置的抗振动能力和可靠性。
在本发明实施例中，优选的是，所述衬底101可以采用硅、玻璃或二氧化硅等材料制成。
在本发明实施例中，优选的是，所述挠性梁、止挡块、锚点可以采用硅或钛等材料制成。
在本发明微机械锁存开关装置的另外一实施例中，优选的是，所述各挠性梁均为线性变形梁。采用线性变形梁较之于非线性变形梁，更加有利于锁存阈值的精确设置，增加了本发明微机械锁存开关装置的精确性，同时也减小了加工难度。
本发明微机械锁存开关装置的另外一实施例中，优选的是，所述微机械锁存开关装置还包括两个止挡块134，分别置于两个所述侧触头104和检测质量块105之间，用于限制所述侧触头反方向上的位移。本发明实施例中，假设所述检测质量块105敏感纵向方向上的外界触发，由于侧触头104敏感纵向方向上的触发，为了防止侧触头104在复位过程中向下振动，所以，利用止挡块134来限制侧触头104的纵向向下位移，提高接触和锁存的可靠性和稳定性。
本发明微机械锁存开关装置的另外一实施例中，优选的是，所述微机械锁存开关装置还包括两个止挡块135，用于限制所述检测质量块105在非敏感方向上移动。在本实施例中，假设所述检测质量块105敏感纵向方向上的外界触发，在工作工程中，检测质量块105可能会受到非敏感方向如横向的扰动，导致检测质量块105产生横向移动。为了防止上述现象的发生，用所述止挡块135限制检测质量块105横向的位移，进而提高接触和锁存的稳定性和可靠性。
在本发明微机械锁存开关装置的另外一实施例中，优选的是，所述锚点、顶触头、顶触头挠性梁、动触头、动触头挠性梁、侧触头、侧触头挠性梁、检测质量快、检测挠性梁、止挡块相对于衬底上锁存开关装置的中心轴对称分布，本发明采用此种对称结构，当受到敏感方向上的冲击时能够保证可靠锁存，提高了本发明微机械开关装置的可靠性。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
作为一种开关，本发明微机械锁存开关装置可以应用到很多领域。作为其中的一种加速度开关实施例，现结合图2、图3和图4将其工作过程和状态进行详细描述。
本发明加速度开关实施例中，检测质量块为惯性质量块，惯性质量块用来敏感物体的加速度。本实施例中，加速度开关的锁存阈值是根据经验预先设定好的。
在没有外来施力触发惯性质量块产生加速度的情况下，所述加速度开关的各触头的状态参照图2，示出了本发明加速度开关实施例在没有受到外界冲击时各触头的状态示意图。在没有外界施力产生加速度的情况下，惯性质量块205、动触头103、顶触头102、侧触头104之间是相互分离的。
当衬底受到向下的加速度时，由于惯性，惯性质量块205将相对于衬底向上运动。在加速度作用下，惯性质量块205推动动触头103向上运动，动触头103推动顶触头102上移的同时推动侧触头104向两侧打开。此时，动触头103与惯性质量块205、顶触头102、侧触头104同时接触，其状态参照图3，示出了本发明加速度开关实施例在受到外界冲击时各触头的状态示意图。在此过程中，动触头103至少与侧触头104或顶触头102之一保持接触。
当加速度达到设定的锁存阈值时，动触头103继续向上运动、越过侧触头104。随后，侧触头104在侧触头挠性梁114的弹性力作用下复位并阻止动触头103复位，此时，加速度开关实现锁存。
当加速度下降到小于设定的锁存阈值时，一方面：动触头103与侧触头104和顶触头102同时保持接触从而实现侧触头104和顶触头102与动触头103的多点接触，以减小接触电阻、增大许用电流并提高接触的可靠性；另一方面，惯性质量块205与动触头103分离，各触头不再受惯性质量块205的振动、反弹等的影响，从而进一步提高了接触的可靠性。此时，各触头以及惯性质量块的状态参照如图4，示出了本发明加速度开关实施例中各触头的锁存状态示意图。
以上是对本发明所提供的一种微机械锁存开关装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1、一种微机械锁存开关装置，其特征在于，由衬底(101)、锚点、触头、挠性梁、检测质量块(105)组成，其中，
所述触头包括：顶触头(102)、动触头(103)和侧触头(104)，所述侧触头(104)分别位于所述动触头(103)的两侧；
所述挠性梁包括：顶触头挠性梁(112)、动触头挠性梁(113)、侧触头挠性梁(114)以及检测挠性梁(115)；
所述触头102、103、104及检测质量块(105)与各自挠性梁112、113、114及115固定连接；
所述挠性梁112、113、114和115利用相应锚点固定于衬底(101)上；
当敏感方向上的外界触发原因大于或等于锁存阈值时，所述动触头(103)推动所述顶触头(102)移动的同时推动所述侧触头(104)向两侧打开并越过所述侧触头(104)，所述侧触头(104)在所述侧触头挠性梁(114)的作用下复位并阻止所述动触头(103)复位，从而实现锁存；
当所述敏感方向上的外界触发原因减小至小于所述锁存阈值时，所述动触头(103)与所述顶触头(102)和侧触头(104)同时保持接触，所述检测质量块(105)与所述动触头(103)分离。
2、根据权利要求1所述的微机械锁存开关装置，其特征在于，所述挠性梁均为线性变形梁。
3、根据权利要求1所述的微机械锁存开关装置，其特征在于，所述各触头与所述检测质量块是相互独立的。
4、根据权利要求1所述的微机械锁存开关装置，其特征在于，所述动触头与其他触头的接触为多点接触。
5、根据权利要求1所述的微机械锁存开关装置，其特征在于，还包括两个置于所述侧触头与所述检测质量块之间的止挡块，用于限制所述侧触头的反方向位移。
6、根据权利要求1所述的微机械锁存开关装置，其特征在于，还包括两个用于限制所述检测质量块在非敏感方向上移动的止挡块。
7、根据权利要求1或5或6所述的微机械锁存开关装置，其特征在于，所述锚点、顶触头、顶触头挠性梁、动触头、动触头挠性梁、侧触头、侧触头挠性梁、检测质量快、检测挠性梁、止挡块相对于衬底上所述开关的中心轴对称分布。
8、根据权利要求1所述的微机械锁存开关装置，其特征在于，所述衬底采用硅、玻璃或二氧化硅材料制成。
9、根据权利要求1或5或6所述的微机械锁存开关装置，其特征在于，所述挠性梁、止挡块、锚点采用硅或钛材料制成。
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