CN101504896A - 基于粘附的双稳态加速度感应微开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于粘附的双稳态加速度感应微开关，它属于微电子元器件领域，主要解决现有微开关的“误关”和“瞬态闭合”问题。该微开关包括感应质量块(34)、支撑梁(35)和框架(32)，支撑梁的两端固定在框架上，框架的上下面分别固定有上顶盖(31)和下底盖(33)，质量块与上顶盖之间的距离控制在0.1～1μm之间，质量块(34)的下部沉积金膜形成动极板(36)，下底盖内侧沉积金膜形成定极板(38)，动极板上设有两个半球形状结构触点(37)。“开”状态时，质量块(34)与上顶盖(31)紧贴，“关”状态时，质量块(34)与下底盖(33)紧贴。本发明具有抗干扰性强，稳态导通的优点，可用于汽车安全气囊、防抱死系统及家用电器触发领域。

Description

基于粘附的双稳态加速度感应微开关

技术领域

本发明属于电子元器件技术领域，特别涉及感应微开关，可用于汽车的安全气囊及防抱死系统。

技术背景

感应微开关，是由微电子机械系统(简称MEMS)技术加工而成，可以感知加速度，并受控于加速度门限值，经多力耦合作用，执行开关动作。它将传感、控制与执行融为一体，具有体积小、可靠性高、结构简单等特点，因此在航空航天系统、汽车安全气囊及防抱死系统、家用电器等触发领域中，具有强烈需求。

2004年维也纳技术大学研制了一种双质量块-弹簧式感应微开关[Alexander R.Neuhaus，Werner F.Rieder，and Martin Hammerschmidt，Influence of Electrical and Mechanical Parameters on Contact Welding inLow Power Switches，IEEE transactions on components and packagingtechnology，27(1)，2004，4-11]，图1所示。其中右边质量块为固定质量块17，通过过载弹簧14与右基座18连接。左边质量块为感应质量块16，通过连接弹簧11同左基座15相连。图示为“开”状态。当出现水平方向的外界感应加速度时，感应质量块16在感应加速度的作用下，水平移动。当外界感应加速度较大时，感应质量块16克服弹性力约束，撞击到右边的固定质量块17，实现“关”状态。

该微开关存在以下问题：

1)没有阀值加速度限制。在“开”状态，当有外界扰动加速度时，感应质量块克服弹性力就会发生移动，即使没有达到设计要求的阀值感应加速度，感应质量块也会移动，由此造成微开关容易发生“误关”，导致事故发生。

2)无法实现稳态“关”状态。当感应质量块撞击到固定质量块实现“关”功能后，根据弹性碰撞原理，感应质量块会反弹回来，无法实现稳态的“关”状态，只能完成“瞬态闭合”功能。即便外界感应加速度足够大，使感应质量块再次撞击固定质量块实现“关”功能，但当存在外界微扰动时，感应质量块也会和固定质量块脱离开，无法实现“稳态关”功能，从而导致事故发生。

2008年上海交通大学研制的惯性微开关[杨卓青，丁桂甫，蔡豪刚，刘瑞，赵小林，微机电系统惯性电学开关的设计与制作，中国机械工程，19(9)，2008，1132-1136]，如图2所示。该惯性微开关器件基于玻璃基座26上，主要由蛇形弹簧25、质量块可动电极24和弹性梁固定电极23三部分组成。弹性梁固定电极23与质量块可动电极24有一定的距离，保持电路在通常状态下为“断开”状态。当器件在其敏感方向受到外界足够大的加速度作用时，质量块可动电极24快速撞向弹性梁固定电极23，随后又被弹簧迅速拉回，从而实现对外接电路的瞬间通断功能。

该感应微开关存在与图1所示微开关同样的问题。

1)“误关”问题。当质量块可动电极24受到敏感方向的加速度时，虽然没有达到预先设计的阀值加速度值，但质量块可动电极24也会向上冲击，只是存在或不存在撞到弹性梁固定电极23的可能性。这样就导致微开关可能产生“误关”问题。

2)“瞬态闭合”问题。当外界加速度“足够大”时，质量块可动电极24撞击弹性梁固定电极23，实现“关”功能。然而质量块可动电极24又被弹簧迅速拉回来，导致还未实现稳定闭合又立刻断开的问题，即“瞬态闭合”问题。由于弹性梁固定电极23和质量块可动电极24的接触点处存在接触电阻，即薄膜电阻和收缩电阻，这种“瞬态闭合”过程很难保证外界电路的稳定闭合要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于粘附的双稳态加速度感应微开关。利用MEMS部件的粘附效应，在微开关的“开”、“关”两个状态，设定两个稳定平衡态，即当感应加速度未达到设计阀值时，开关不动，以防止“误关”发生；当感应加速度达到设计阀值，开关触发闭合后，微开关处于稳定闭合状态，从而避免“瞬态闭合”问题的出现。

为实现上述目的，本发明的双稳态加速度感应微开关包括：包括感应质量块、支撑梁、和框架，支撑梁的两端固定在框架上，其中框架的上、下端面上分别固定有上顶盖和下底盖，质量块与上顶盖之间的距离：0.1μm≤h≤1μm，质量块的下部沉积有金膜形成动极板，下底盖内侧沉积有金膜形成定极板。

所述的动极板上设有两个触点，该触点采用半球结构。

所述的支撑梁采用两端固结直梁结构。

通常情况下，感应微开关处于“开”的状态，质量块与上顶盖紧贴。感应微开关在外界激励加速度作用下控制其关闭。触发时，质量块撞击下底盖，并与下底盖紧贴。

本发明具有如下优点：

1.由于在框架的上下方固定有上顶盖和下底盖，因而可以隔离外界对质量块和支撑梁的干扰；

2.由于本发明设定质量块与上顶盖之间的距离h≤1μm，能够保证在“开”状态，质量块与上顶盖粘附紧贴，避免外界扰动，防止产生“误关”问题；

3.由于本发明采用在质量块下部设有两个半球形状触点，故可有效保证微开关在“关”状态利用粘附效应提高微开关电接触导通可靠性，克服“瞬态闭合”问题，实现稳态“关”功能；

4.由于本发明采用两端固结直梁结构，因而加工简单，成本低；

5.本发明相对与现有器件，由于部件数量减少，易于装配。

附图说明

图1为现有双质量块弹簧感应开关结构图；

图2为现有蛇簧感应开关结构图；

图3为本发明的双稳态加速度感应开关结构示意图；

图4为本发明的双稳态加速度感应开关的“开”状态示意图；

图5为本发明的双稳态加速度感应开关的“关”状态示意图。

具体实施方式

参照图3，本发明的感应微开关主要由感应质量块34、支撑梁35和框架32组成。该应质量块34和支撑梁35光刻为一体结构，其中质量块34设置在支撑梁35的中部，支撑梁采用两端固结直梁结构，固定在框架上32上。该框架32的上。下端面分别固定有上顶盖31和下底盖33，以隔离外界对质量块和支撑梁的干扰。固定支撑梁时，调节质量块34与上顶盖31之间的距离h≤1μm，以保证微开关在“开”状态的稳定。质量块34的下部沉积有金膜形成动极板36，该动极板上设有两个半球形状结构的触点37，以保证微开关在“关”状态利用粘附效应提高微开关电接触导通可靠性。该下底盖33内侧沉积有金膜形成定极板38，以产生电场力。动极板36和定极板38之间连接26V的直流电压，该定极板38与动极板36分别通过键合技术与外界电路相连。

通常情况下，感应微开关处于“开”的状态，质量块与上顶盖紧贴。如图4所示。当外界存在向下扰动加速度时，由于质量块34和上顶盖31之间存在粘附作用，质量块34仍然紧紧贴在上顶盖31内侧不动，不会发生“误关”问题。工作时，感应微开关在外界激励阀值加速度作用下，由于支撑梁34的弹性恢复力、动极板36和定极板38之间的电场力以及质量块34所受惯性力的合力大于质量块34与上顶盖31之间的粘附力，故质量块开始向下移动。这时，质量块34与上顶盖31内侧间的粘附力呈指数形式迅速减小，定极板38与动极板36之间电场力急剧增大。综合粘附力和电场力的变化，随着质量块34的下移，质量块受到向下的作用力增大，向上的作用力减小，质量块下移速度急剧加快，导致质量块“雪崩”撞击到下底盖33上，如图5所示。由于质量块34“雪崩”撞击下底盖33，触点37和动极板36表面的部分氧化膜被撞掉，减少了薄膜电阻，且利于触点37与定极板38接触导通。由于动极板36与定极板38之间在小于1μm的间隙下，之间产生粘附效应，导致触点37紧贴在定极板38上。当外界存在扰动时，由于动极板36和定极板38之间存在的粘附效应，导致质量块34仍然紧紧贴在下底盖33内侧，外接电路保持长时间导通，实现“稳态闭合”。

实施例1，本发明的感应微开关包括：框体、感应部件和极板三部分组成。其中框体由左右框架32、上顶盖31和下底盖33构成密闭腔体；感应部件由感应质量块34与支撑梁35组成，两者光刻为一体，该支撑梁36采用两端为直梁结构，固定在框架上32上，且使质量块34与上顶盖31之间的距离h为1μm。质量块34的下部沉积有金膜，形成动极板36，并在该动极板36上设有两个半球形状的触点37；下底盖33的内侧沉积有金膜形成定极板38。动极板36和定极板38之间的间隙为10μm，两者之间通以26V的直流电压。定极板38通过压焊与外界电路相连，动极板36通过压焊与外界电路相连。

实施例2，本发明的感应微开关包括：框体、感应部件和极板三部分组成。其中框体由左右框架32、上顶盖31和下底盖33构成密闭腔体；感应部件由感应质量块34与支撑梁35组成，两者光刻为一体，该支撑梁采的两端为直梁结构，固定在框架上32上，且使质量块34与上顶盖31之间的距离h为0.6μm。质量块34的下部沉积有金膜，形成动极板36，并在该动极板36上设有两个半球形状的触点37；下底盖33的内侧沉积有金膜形成定极板38。动极板36和定极板38之间的间隙为10μm，两者之间通以26V的直流电压。定极板38通过球焊与外界电路相连，动极板36通过球焊与外界电路相连。

实施例3，本发明的感应微开关包括：框体、感应部件和极板三部分组成。其中框体由左右框架32、上顶盖31和下底盖33构成密闭腔体；感应部件由感应质量块34与支撑梁35组成，两者光刻为一体，该支撑梁采的两端为直梁结构，固定在框架上32上，且使质量块34与上顶盖31之间的距离h为0.1μm。质量块34的下部沉积有金膜，形成动极板36，并在该动极板36上设有两个半球形状的触点37；下底盖33的内侧沉积有金膜形成定极板38。动极板36和定极板38之间的间隙为10μm，两者之间通以26V的直流电压。定极板38通过波峰焊与外界电路相连，动极板36通过波峰焊与外界电路相连。

Claims (6)

1.一种基于粘附的双稳态加速度感应微开关，包括感应质量块(34)、支撑梁(35)和框架(32)，支撑梁的两端固定在框架上，其特征在于框架(32)的上、下面分别固定有上顶盖(31)和下底盖(33)，质量块(34)与上顶盖(31)之间的距离h为0.1μm≤h≤1μm，质量块(34)的下部沉积有金膜形成动极板(36)，下底盖(33)内侧沉积有金膜形成定极板(38)。

2.根据权利要求1所述的双稳态加速度感应微开关，其特征在于动极板(36)上设有两个触点(37)。

3.根据权利要求2所述的双稳态加速度感应微开关，其特征在于触点(37)采用半球形状结构。

4.根据权利要求1所述的双稳态加速度感应微开关，其特征在于支撑梁(35)采用两端固结直梁结构。

5.根据权利要求1所述的双稳态加速度感应微开关，其特征在于“开”状态时，质量块(34)与上顶盖(31)紧贴。

6.根据权利要求1所述的双稳态加速度感应微开关，其特征在于“关”状态时，质量块(34)与下底盖(33)紧贴。

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