CN101719434B - 一种微机械加速度锁存开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械加速度锁存开关，它包括衬底，及相对于衬底x轴对称的多个锚点、触头、挠性梁和惯性质量块；各锚点固定连接在衬底上；触头包括动触头、两分别位于动触头上方两侧的顶触头、两分别位于动触头下方两侧的侧触头；动触头的顶部呈凸出的圆形弧面，两顶触头分别与动触头的圆形弧面对应，设置呈内凹的圆形弧面；挠性梁包括顶触头挠性梁、动触头挠性梁、侧触头挠性梁和四检测挠性梁，各顶触头挠性梁的两端分别连接锚点和顶触头；各动触头挠性梁两端分别连接动触头的一侧和锚点；每一侧触头挠性梁两端分别连接锚点和一侧触头；每一检测挠性梁两端分别连接惯性质量块的一侧和锚点。本发明结构简单，接触可靠性高，可以广泛应用在微机电系统领域中。

Description

一种微机械加速度锁存开关

技术领域

本发明涉及一种微机械开关，特别是关于一种微机械加速度锁存开关。

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电气、磁力和机械三种方式实现锁存，但电气和磁力锁存都容易受到电磁信号的干扰，导致稳定性不可靠，电气锁存开关是一种有源器件，会给设备增加额外的功耗，磁力锁存开关工艺过于复杂，成本偏高。机械锁存开关一方面接触电阻大，允许通过的电流较小，这样就难以保证触头的接触可靠性；另一方面，锁存后触头如果受到检测质量反弹或振动的影响，接触头的可靠性就会降低；此外，上述三种开关多为非对称结构，当受到横向冲击时难以保障可靠锁存。因此，本申请人于2008年申请了“一种微机械锁存开关装置”(申请号200810225700.5)，虽然避免了上述缺陷，但该开关上平面触头在惯性质量偏心运动(转动)的影响下，可能会出现点接触现象，影响接触效果和可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，接触可靠性高的微机械加速度锁存开关。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种微机械加速度锁存开关，其特征在于：它包括一衬底，及相对于所述衬底x轴对称的多个锚点、触头、挠性梁和一惯性质量块；各所述锚点固定连接在所述衬底上；所述触头包括一动触头、两分别位于所述动触头上方两侧的顶触头、两分别位于所述动触头下方两侧的侧触头；所述动触头的顶部呈凸出的圆形弧面，两所述顶触头分别与所述动触头的圆形弧面对应，设置呈内凹的圆形弧面；所述挠性梁包括两顶触头挠性梁、两动触头挠性梁、两侧触头挠性梁和四检测挠性梁，每一所述顶触头挠性梁的两端分别连接一所述锚点和一所述顶触头；每一所述动触头挠性梁两端分别连接所述动触头的一侧和一所述锚点；每一所述侧触头挠性梁两端分别连接一所述锚点和一所述侧触头；每一所述检测挠性梁两端分别连接所述惯性质量块的一侧和一所述锚点。

它还包括两个限制所述两侧触头的反方向位移和所述惯性质量块的横向转动用的限位器，所述两限位器设置在所述侧触头与惯性质量块之间。

它还包括两个限制所述惯性质量块在非敏感方向上移动用的下限位器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明设置了衬底及相对于所述衬底x轴对称的锚点、触头、挠性梁和惯性质量块，且动触头与顶触头组成两柱面接触副，因此不仅结构简单，同时可以增加接触面积，减小接触电阻，还可以避免由于加工误差等原因造成的惯性质量偏心运动(转动)的影响，在此种情况下，平面触头可能会出现点接触现象，影响接触效果和可靠性，而弧形接触可以在惯性质量偏心运动情况下仍保持面接触，提高开关工作的可靠性和稳定性。2、由于本发明在两侧触头与惯性质量块之间设置有限位器，因此当惯性质量块和侧触头在敏感方向X轴上受到外界触发时，可以防止侧触头在X轴复位过程中的正向振动，从而可以提高接触和锁存的可靠性和稳定性。3、由于本发明在惯性质量块的底端卡设有两限位器，因此防止了工作过程中的惯性质量块在非敏感方向上受到外界触发而产生横向移动，进一步提高了开关的可靠性。4、由于本发明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。本发明结构简单，接触可靠性高，可以广泛应用在微机电系统领域中。

附图说明

图1是本发明微机械加速度锁存开关的结构示意图

图2是本发明加速度开关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不考虑加工误差等因素，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考虑在加工误差等因素导致动触头转动，在受到外界冲击时各触头的状态示意图

图5是本发明加速度开关不考虑加工误差等因素时各触头的锁存状态示意图。

图6是本发明加速度开关考虑在加工误差等因素导致动触头转动时各触头的锁存状态示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一衬底1，多个锚点2、触头3、挠性梁4和一惯性质量块5，各锚点2、触头3、挠性梁4和惯性质量块5相对于衬底1的X轴对称设置，各锚点2均固定连接在衬底1上。在衬底1所在的平面内，定义上述的X轴沿上述平面的纵向方向，X轴的正向为沿上述平面的纵向向下方向，负向为沿上述平面的纵向向上方向；Y轴为上述平面的横向方向。

如图1、图2所示，本发明的触头3包括两个顶触头31、一个动触头32和两个侧触头33，两顶触头31分别位于动触头32的上方两侧，两侧触头33分别位于动触头33的下方两侧。动触头32的顶部呈凸出的圆形弧面，两个顶触头31分别与动触头32的圆形弧面对应，设置呈内凹的圆形弧面，使两个顶触头31与动触头31形成两对接触良好的柱面接触副，从而减小了接触电阻、增大了许用电流，保证了接触的可靠性。

如图1所示，本发明的挠性梁4包括两根顶触头挠性梁41、两根动触头挠性梁42、两根侧触头挠性梁43和四根检测挠性梁44。每一根顶触头挠性梁41的一端连接一锚点2，另一端连接一顶触头31；每一根动触头挠性梁42的一端连接动触头32的一侧，另一端连接一锚点2；每一根侧触头挠性梁43的一端连接一个锚点2，另一端连接一个侧触头33；每一根检测挠性梁44的一端连接惯性质量块5的一侧，另一端连接一锚点2。

上述实施例中，本发明还可以包括两个限位器6，分别设置在两侧触头33与惯性质量块5之间，用于限制侧触头33反方向上的位移和惯性质量块5的平面转动。

上述各实施例中，为了防止工作过程中的惯性质量块5在Y轴方向，即非敏感方向上受到外界触发而产生横向移动，本发明还可以设置两限位器7，两限位器7均卡设在惯性质量块5的底端。

上述各实施例中，衬底1可以采用硅、玻璃或二氧化硅等材料制成，锚点2、挠性梁4、限位器6和限位器7均可以采用硅或钛等材料制成。各挠性梁4均为线性变形梁，由于线性变形梁比非线性变形梁更有利于锁存阈值的精确设置，这样可以增加本发明微机械加速度锁存开关的精确性，同时也减小了加工难度。

惯性质量块5用于测量敏感物体的加速度时，加速度的锁存阈值通过合理设计开关的弹性梁刚度、惯性质量、动触头与侧触头敏感方向的间隙及各自尺寸来设定，本发明的工作情况如下：

如图2所示，在没有外来施力触发惯性质量块5产生加速度的情况下，惯性质量块5、顶触头31、动触头32、侧触头33之间是相互分离的。

如图3所示，当衬底1受到敏感方向沿X轴正向的加速度时，由于惯性，惯性质量块5块将相对于衬底1沿X轴负向方向运动。在加速度作用下，惯性质量块5推动动触头32沿X轴负向方向运动，动触头32推动顶触头31X轴负向移动的同时推动侧触头33向两侧打开，此时，动触头32与惯性质量块5、顶触头31、侧触头33同时接触。如图4所示，当由于加工误差等原因造成动触头32在沿X轴负向方向运动的同时转动，由于顶触头31和动触头32组成了两对柱面接触副，因此仍能保证动触头32与顶触头1和侧触头33之一可靠接触。

当加速度达到设定的锁存阈值时，动触头32继续沿X轴负向方向运动、越过侧触头33。随后，侧触头挠性梁43的弹性力作用下复位并阻止动触头32复位，此时，加速度开关实现锁存。如图5所示，当加速度下降到小于设定的锁存阈值时，一方面：动触头32与侧触头33和顶触头31同时保持接触，使得侧触头33和顶触头31与动触头32的多点进行接触，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5与动触头32分离，各触头不再受惯性质量块5的振动、反弹等的影响，从而进一步提高了接触的可靠性。如图6所示，当由于加工误差等原因造成动触头32在沿X轴负向方向运动的同时发生转动，由于顶触头31和动触头33组成两对柱面接触副，因此仍能保证动触头32与顶触头1和侧触头33之一可靠接触。

上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种微机械加速度锁存开关，其特征在于：它包括一衬底，及相对于所述衬底所在平面的纵向方向对称的多个锚点、触头、挠性梁和一惯性质量块；各所述锚点固定连接在所述衬底上；

所述触头包括一动触头、两分别位于所述动触头上方两侧的顶触头、两分别位于所述动触头下方两侧的侧触头；所述动触头的顶部呈凸出的圆形弧面，两所述顶触头分别与所述动触头的圆形弧面对应，设置呈内凹的圆形弧面；

所述挠性梁包括两顶触头挠性梁、两动触头挠性梁、两侧触头挠性梁和四检测挠性梁，每一所述顶触头挠性梁的两端分别连接一所述锚点和一所述顶触头；每一所述动触头挠性梁两端分别连接所述动触头的一侧和一所述锚点；每一所述侧触头挠性梁两端分别连接一所述锚点和一所述侧触头；每一所述检测挠性梁两端分别连接所述惯性质量块的一侧和一所述锚点。

2.如权利要求1所述的一种微机械加速度锁存开关，其特征在于：它还包括两个限制所述两侧触头的反方向位移和所述惯性质量块的横向转动用的限位器，所述两限位器分别设置在两所述侧触头与惯性质量块之间。

3.如权利要求1或2所述的一种微机械加速度锁存开关，其特征在于：它还包括两个限制所述惯性质量块在非敏感方向上移动用的下限位器。

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