CN101699604B

CN101699604B - 常闭式微机械惯性电学开关

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Publication number: CN101699604B
Application number: CN2009103095746A
Authority: CN
Inventors: 杨卓青; 周镇威; 丁桂甫
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: CN101699604A

Abstract

本发明公开了一种微机电工程技术领域的常闭式微机械惯性电学开关，包括：绝缘衬底、连体蛇形弹簧、支撑层、固定接触电极、弹簧支撑座、质量块电极以及弹簧间连体，其中：固定接触电极和支撑层都位于绝缘衬底上；质量块电极位于固定接触电极的上方，与固定接触电极相接触；弹簧支撑座固定于绝缘衬底上，位于支撑层的两侧；连体蛇形弹簧位于支撑层上方，连体蛇形弹簧一端与弹簧支撑座相连，另一端与质量块电极相连；弹簧间连体位于连体蛇形弹簧中间，与两侧的连体蛇形弹簧分别相连。本发明有效改善了质量块电极与固定接触电极的接触效果，并且在外界冲击加速度下质量块电极不会与弹簧支撑座发生剧烈碰撞，有效防止了器件的损毁。

Description

常闭式微机械惯性电学开关

技术领域

本发明涉及的是一种微机电工程技术领域的装置，具体是一种常闭式微机械惯性电学开关。

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、成本低及批量化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，由于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作为基底进行电镀的，由于电镀过程中存在不可避免的内应力，使得整个器件的高度不可能太厚。为了获得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。

目前微型惯性电学开关的设计多采用垂直驱动的方式，即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。但是这种设计必须要解决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，并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响应，以及减小叠层金属电镀所产生的应力、同时提高器件各部分的平整度。另外，如何感应旋转系统的向心加速度也是一个难题。这些问题一直都是人们努力的方向，结果各种用以改善上述不足的微机械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等人在《Journal of Micromechanics andMicroengineering》(《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-activated electrical micro-switchesfabricated and packaged using low-temperature photoresist moldedmetal-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，用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电极作为电极之一，另一电极与质量块电极在同一个平面内，或者位于质量块电极下方的衬底上。但是该技术中，质量块电极与另一固定电极碰撞接触时，由于两者的刚度都很大，接触时效果差，使得电路出现假接触；且高速回弹的质量块电极没有任何边界防护，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，提供一种常闭式微机械惯性电学开关。本发明通过连体蛇形弹簧的缓冲和固定接触电极的摩擦缓冲，实现了在高速运动下对质量块电极的保护，固定接触电极与质量块电极的大面积接触也有效保证了良好的接触效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：绝缘衬底、连体蛇形弹簧、支撑层、固定接触电极、弹簧支撑座、质量块电极以及弹簧间连体，其中：固定接触电极和支撑层都位于绝缘衬底上；质量块电极位于固定接触电极的上方，与固定接触电极相接触；弹簧支撑座固定于绝缘衬底上，位于支撑层的两侧；连体蛇形弹簧位于支撑层上方，连体蛇形弹簧一端与弹簧支撑座相连，另一端与质量块电极相连；弹簧间连体位于连体蛇形弹簧中间，与两侧的连体蛇形弹簧分别相连。

所述的绝缘衬底为石英衬底，或者为玻璃衬底。

所述的连体蛇形弹簧是一匝结构，或者是多匝结构，该弹簧的线宽范围为5微米～50微米，厚度范围为4微米～50微米，弯曲的半圆内径范围为20微米～100微米，弯曲的半圆间的长度范围为50微米～500微米。

所述的支撑层包括若干短柱阵列。

所述的短柱阵列的间隔范围是50微米～100微米。

所述的短柱可以是长方体，或者是圆柱体，其横截面大于3000平方微米，高度范围为5微米～20微米。

所述的弹簧支撑座是方形结构，或者是弧形柱状结构。

所述的质量块电极是方形结构，或者是圆形体结构。

所述的质量块电极包括若干方孔或圆孔。

所述的固定接触电极是梯台结构，该梯台的高度范围是10微米～30微米，上底边的宽度范围是30微米～100微米，下底边的宽度范围是80微米～200微米，且下底边的宽度大于上底边的宽度。

所述的弹簧间连体为长方体结构，其长度范围是20微米～50微米，宽度范围是5微米～30微米，高度范围是10微米～40微米。

本发明在外界加速度作用下，依靠惯性力通过驱动连体蛇形弹簧使质量块电极运动，使得质量块电极脱离固定接触电极，从而外接电路断开；当外界的向心加速度撤销时，在连体蛇形弹簧驱动下，质量块电极重新回复到初始位置，与固定接触电极相连，从而电路接通，这样就实现对外接电路的瞬间开关的控制。

相比现有技术，本发明的有益效果是：有效改善了质量块电极与固定接触电极的接触效果，防止电路出现假接触现象；质量块电极受到连体蛇形弹簧的缓冲保护和固定接触电极的摩擦缓冲，在外界冲击加速度下不会与弹簧支撑座发生剧烈碰撞，有效防止了器件的损毁。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例1中单对质量块电极的结构示意图；

图3是实施例1中固定接触电极和支撑层的结构示意图；

图4是实施例2的结构示意图；

图5是实施例3的结构示意图。

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

如图1所示，本实施例包括：两对质量块电极1、三个弹簧支撑座2、四对多匝连体蛇形弹簧3、两个支撑层4、绝缘衬底5，两个固定接触电极6和十二个弹簧间连体7，其中：固定接触电极6和支撑层4都固定在绝缘衬底5上；支撑层4位于固定接触电极6两侧；质量块电极1位于固定接触电极6上方，与固定接触电极6相接触；弹簧支撑座2固定于绝缘衬底5上，位于支撑层4的两侧；连体蛇形弹簧3位于支撑层4上方，其一端与弹簧支撑座2相连，另一端与质量块电极1相连；弹簧间连体7位于连体蛇形弹簧3中间，与两侧的连体蛇形弹簧3分别相连。

如图2所示，一对质量块电极1对称分布在中间，两个弹簧支撑座2分别位于两侧，两对多匝连体蛇形弹簧3分别与质量块电极1和弹簧支撑座2相连，弹簧间连体7与两侧的连体蛇形弹簧3分别相连，其中：质量块电极1为长方体状，长度是640微米，宽度是240微米，高度是75微米；弹簧支撑座2是方形结构，长度是640微米，宽度是120微米，高度是100微米；连体蛇形弹簧3线宽是10微米、厚度是20微米，弹簧弯曲部分半圆处的内直径是20微米、外直径是40微米；弹簧间连体7的长度范围是20微米～50微米。

如图3所示，支撑层4和固定接触电极6都位于绝缘衬底5上，支撑层4位于绝缘衬底5的中间和两边，固定接触电极6位于支撑层4之间，其中：支撑层4中短柱的长度范围是100微米～200微米，宽度范围是30微米～60微米，高度范围是5微米～20微米，纵向阵列为4行×5列，间隔为50微米～100微米；绝缘衬底5是玻璃衬底，该衬底的长度范围是1800微米～2500微米、宽度范围是600微米～1000微米、高度范围是50微米～100微米；固定接触电极6为梯台结构，该梯台的高度范围为10微米～30微米，上底边的长度范围是30微米～100微米，下底边的长度范围是80微米～200微米。

本实施例中固定接触电极6的作用是支撑并与上方的质量块电极1相接触；支撑层4可以对连体蛇形弹簧3进行支撑、使其悬空，防止其因为自身重力下陷并与绝缘衬底5粘连；质量块电极1的作用是感应外界加速度并运动；弹簧支撑座2用于连接并支撑连体蛇形弹簧3；连体蛇形弹簧3带动质量块电极1运动，当外界加速度过大时，连体蛇形弹簧3将被压缩，带动质量块电极1脱离固定接触电极6，完成开关断开的功能，当外界加速度撤销时，连体蛇形弹簧3将恢复原位，推动质量块电极1回到原位，与固定接触电极6相接触，使开关闭合，连体蛇形弹簧3也可作为缓冲，防止质量块电极1因为运动速度过大与弹簧支撑座2相碰撞，有效保护各部分不受损毁；弹簧间连体7可以增强连体蛇形弹簧3的结构强度，提高其弹性系数。

将外电路的两极分别接于本实施例的弹簧支撑座2上，当外界足够大的加速度作用在该开关的敏感轴方向(这里为平行于绝缘衬底5表面的方向)后，在质量块电极1惯性力的驱动下，连体蛇形弹簧3将带动成对的质量块电极1运动，由于质量块电极1两侧的连体蛇形弹簧3的匝数不同，因此弹性系数不同，造成相对的两块质量块电极运动的距离不同，两对质量块电极1中将有某一对质量块电极中的某一块因为运动距离过大而脱离固定接触电极6，从而快速断开外电路。当外界加速度撤销后，质量块电极1受到连体蛇形弹簧3的回复力作用，将回复到原位，器件进行下一次工作。当本实施例安装于旋转的系统中时，受到系统的向心加速度作用，质量块电极1也会发生运动，在加速度足够大时脱离固定接触电极6，从而断开外电路，效果与水平运动时效果相同。

本实施例有效改善了质量块电极1与固定接触电极6的接触效果，防止电路出现假接触现象；质量块电极1受到连体蛇形弹簧3的缓冲保护和固定接触电极6的摩擦缓冲，在外界冲击加速度下不会与弹簧支撑座2发生剧烈碰撞，有效防止了器件的损毁。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于连体蛇形弹簧3的匝数为1匝，相应的弹簧间连体7为四个。

实施例3

如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于每个质量块电极1包括一个4×8的方孔阵列，该方孔的长度为40微米，宽度为30微米，高度为75微米。

Claims

1.一种常闭式微机械惯性电学开关，其特征在于，包括：绝缘衬底、连体蛇形弹簧、支撑层、固定接触电极、弹簧支撑座、质量块电极以及弹簧间连体，其中：固定接触电极和支撑层都位于绝缘衬底上；质量块电极位于固定接触电极的上方，与固定接触电极相接触；弹簧支撑座固定于绝缘衬底上，位于支撑层的两侧；连体蛇形弹簧位于支撑层上方，连体蛇形弹簧一端与弹簧支撑座相连，另一端与质量块电极相连；弹簧间连体位于连体蛇形弹簧中间，与两侧的连体蛇形弹簧分别相连，在外界加速度作用下，依靠惯性力驱动连体蛇形弹簧使质量块电极运动，使得质量块电极脱离固定接触电极；当外界的向心加速度撤销时，在连体蛇形弹簧驱动下，质量块电极重新回复到初始位置，与固定接触电极相连，实现对外接电路的瞬间开关的控制。

2.根据权利要求1所述的常闭式微机械惯性电学开关，其特征是，所述的绝缘衬底为石英衬底，或者为玻璃衬底。

3.根据权利要求1所述的常闭式微机械惯性电学开关，其特征是，所述的连体蛇形弹簧的线宽范围为5微米～50微米，厚度范围为4微米～50微米，弯曲的半圆内径范围为20微米～100微米，弯曲的半圆间的长度范围为50微米～500微米。

4.根据权利要求1所述的常闭式微机械惯性电学开关，其特征是，所述的支撑层包括若干短柱阵列，该短柱阵列的间隔范围是50微米～100微米。

5.根据权利要求4所述的常闭式微机械惯性电学开关，其特征是，所述的短柱是长方体，或者是圆柱体，其横截面大于3000平方微米，高度范围为5微米～20微米。

6.根据权利要求1所述的常闭式微机械惯性电学开关，其特征是，所述的弹簧支撑座是方形结构，或者是弧形柱状结构。

7.根据权利要求1所述的常闭式微机械惯性电学开关，其特征是，所述的质量块电极是方形结构，或者是圆形体结构。

8.根据权利要求7所述的常闭式微机械惯性电学开关，其特征是，所述的质量块电极包括若干方孔或圆孔。

9.根据权利要求1所述的常闭式微机械惯性电学开关，其特征是，所述的固定接触电极是梯台结构，该梯台的高度范围是10微米～30微米，上底边的宽度范围是30微米～100微米，下底边的宽度范围是80微米～200微米，且下底边的宽度大于上底边的宽度。

10.根据权利要求1所述的常闭式微机械惯性电学开关，其特征是，所述的弹簧间连体为长方体结构，其长度范围是20微米～50微米，宽度范围是5微米～30微米，高度范围是10微米～40微米。