CN102426959A - 应用于医疗介入的由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关 - Google Patents

Abstract

一种应用于医疗介入的由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关。本发明中，可动电极包括环形可动电极和水平梁两个部分，环形可动电极与环形水平弹簧连接，并被弹簧支撑座悬空在基底上方；固定电极为L形，L形一部分平行于基底、另一部分垂直于基底，其中固定电极平行于基底部分与环形可动电极有垂直间隙，固定电极垂直于基底部分与环形可动电极有水平间隙。本发明利用由弹簧支撑的可动电极与固定电极构建，仅使用一只微开关器件即可同时检测来自多方向的微接触压力作用。本发明使用多匝环形弹簧作为活动结构，相较于S形弹簧减小弹簧结构的水平方向刚度和竖直方向刚度差异，改善整个器件在敏感三维多方向外力的时候的各向一致性。

Description

应用于医疗介入的由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关

技术领域

本发明涉及一种微型开关，具体涉及一种应用于医疗介入的由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关。属于微机电系统技术领域。

背景技术

以微机电系统技术为基础设计和制造的微型接触传感器因其具有体积小、成本低及批量生产等优点备受关注。以往的微机械开关，因其加工方法是基于微机电系统技术，很多情况下开关的制备是以硅为基础进行刻蚀或电镀，通过干法刻蚀SOI(Silicon on Insulator)硅片得到能够悬空的可水平运动结构，并利用刻蚀出的侧壁斜面实现开关的接通功能，这即为水平压力驱动的微机械开关；而通过在单晶硅基底上的电镀和牺牲层工艺技术，则可实现垂直驱动的微机械压力开关。

微机械压力电学开关的设计多数采用悬臂梁作为电极去接触碰撞另一固定电极的形式，制作的开关器件一般为单一方向力驱动，当需要同时敏感多方向外力作用时，只能联合使用多个开关，不但造成了开关器件数量上的浪费，而且也使系统的封装集成更为困难、复杂。因而，如何尽可能使用少的开关器件数量来感应、检测来自多方向的外力作用，集能够敏感三维多方向外力作用于一种微开关器件一直是人们努力的方向，而目前提出这种敏感三维多方向外力作用的电学开关设计还非常少。

经对现有技术的文献检索发现，使用机器人技术改造内窥镜是国际上医疗机器人领域研究的一个热点。如上海交通大学的高立明等在《中国生物医学工程学报》(1998年17期36-41页)发表了题为“全方向蠕动机器人驱动内窥镜系统的研究”的论文，该论文主要是探究了内窥镜自动介入的时候的驱动问题。但是内窥镜要能够达到自动介入的目的，但必须要配合多方向敏感的压力开关进行控制，才能够保证内窥镜介入的时候能够自动改变方向成功介入腔道，然而目前这种多方向敏感的压力开关还没有一个成熟的设计方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维多方向敏感的微型压力开关，使整个微型压力开关可以同时敏感来自水平和垂直等各个方向上的微触碰，并使其可动电极和固定电极具有较好的接触效果。对于传统的S形弹簧来说，其水平方向刚度远大于其竖直方向刚度。利用环形弹簧的设计是为了减小弹簧水平方向刚度，改善使弹簧结构各方向刚度，使开关达到导通的各方向压力阈值相近，保证开关敏感外界多方向压力时的三维一致性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：基底、可动电极、固定电极、水平弹簧和弹簧支撑座；所述的可动电极包括环形可动电极和水平梁两个部分，环形可动电极与环形水平弹簧连接，并被弹簧支撑座悬空在基底上方；所述的固定电极固定在基底上，位于基底的四周，弹簧支撑座固定在基底、位于基底中央；所述的固定电极为L形，L形一部分平行于基底、另一部分垂直于基底，其中固定电极平行于基底部分与环形可动电极有垂直间隙，固定电极垂直于基底部分与环形可动电极有水平间隙。

当外界达到设定阈值的接触力沿水平梁负表面法线方向作用于本发明三维多方向压力开关时，可动电极将接触到固定电极平行于基底的部分，从而在垂直方向上实现对外电路的接通；当外界达到设定阈值的接触力沿平行于绝缘基底上表面任意方向作用于上述电学开关时，质量块电极将接触到固定电极垂直于基底的部分，从而在水平多方向上实现对外电路的接通，并且通过对所接通的电极的分析可以获知外界接触力来源的方向；当外界的接触力并非完全为平行或垂直基底表面时，外界力的垂直分量和水平分量可使可动电极按上述方式移动，当外界力的分量达到阈值时，可使可动电极与固定电极接触实现对外电路的接通。

所述的基底可以是石英、玻璃等绝缘材料制备的。

所述可动电极的水平梁部分位于环形可动电极内部，其上表面与环形可动电极上表面平行，整体与环形可动电极为一体。

所述的可动电极是通过多次叠层电镀镍或铜等金属形成的体结构，水平梁为圆环桥连结构。

所述的固定电极是通过多次叠层电镀镍或铜等金属形成的体结构，其横截面形状为L形，俯视图形状为扇型结构，分为平行于基底部分和垂直于基底部分两个部分。

所述的固定电极中，垂直于基底部分与平等于基底部分直接相连，因电极与弹簧的相互位置关系不同有整体型、双侧型两种结构，双侧型结构的双侧边缘分别与平行于基底部分电极的两侧边缘在同一直线上。

所述的水平弹簧是通过多次叠层电镀镍或铜等金属形成的多匝环形弹簧。

所述的弹簧支撑座是通过多次叠层电镀镍或铜等金属形成的圆形柱状结构。

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基底上多次互不干扰叠层电镀整个开关结构的方法制作。本发明在外界微触力的作用下，微触力驱动环形弹簧悬空的可动电极运动，当微触力达到一定的阈值时，可动电极接触到与其有一定间距的固定电极，实现对电路的导通。而当外界微触力消除或减小至小于设定阈值时，固定电极又被弹簧拉回，从而实现对外电路的关闭。

本发明针对以往微机械压力电学开关仅为单方向外力驱动，在需要敏感多方向外力的时候只能使用多个开关来检测多方向的外办，造成了开关器件在数量上的浪费以及增加了系统封装成本等问题，提出了一种带有环形弹簧、由环形弹簧支撑的可动电极、分为平行于基底部分和垂直于基底部分的固定电极的三维多方向敏感微接触压力电学开关，仅使用一只微开关器件即可同时检测来自多方向的微接触压力作用，并且通过对四对电极的导通情况可大致分析出力的来源方向，增加了开关的功能并且方便了其在集成电路中的系统封装。并且采用环形弹簧改善了弹簧结构的水平方向和竖直方向的刚度差，改善了开关敏感外界压力时的一致性。

附图说明

图1是实施例由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关结构示意图；

图2是实施例双侧型固定电极结构与弹簧位置示意图；

图3是实施例整体型固定电极结构与弹簧位置示意图。

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：以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。

实施例三维全方位敏感的微型压力传感器

如图1所示，本实施例三维全方位敏感的压力传感器包括：基底1、可动电极(包括环形可动电极2和水平梁3)、固定电极(包括平行于基底部分4和垂直于基底部分5)、水平弹簧6、弹簧支撑座7。固定电极在基底之上，共有四对，其中平行于基底部分4位于环形可动电极2的正下方，垂直于基底部分5位于环形水可动电极2的内侧。弹簧支撑座7也在基底1上，位于基底1中心。环形可动电极2由八组水平弹簧6连接，并被弹簧支撑座7悬空在基底1上方。水平梁3位于环形可动电极2内侧并与环形可动电极2共同组成可动电极。

本实施例中，弹簧支撑座7的尺寸是半径为300-600微米、高度为50-75微米。

本实施例中，水平弹簧6是多匝环形体结构，其线宽为25-60微米、厚度为25-40微米、匝间距为25-60微米。

本实施例中，可动电极分为环形电极2和水平梁3两个部分，其中环形电极2尺寸为外半径1000-2000微米、内半径为900-1800微米、高65-100微米，环形电极2由水平环形弹簧6支撑悬空在基底1和平行于基底部分固定电极4上方，且与平行于基底部分固定电极4的间隙距离为20-50微米；水平梁部分为圆环桥形结构，尺寸为：圆环内半径400-800微米、外半径为500-1000微米，梁长度为400-800微米、宽度为100-200微米。

本实施例中，固定电极分为平行于基底部分4和垂直于基底部分5两个部分，其整体横截面形状为L形。平行于基底的部分固定电极4尺寸是内半径为870-1740微米、外半径为970-1940微米、扇形弧度为18-30度、厚度为20微米；垂直于基底部分固定电极5与平等于基底部分固定电极4直接相连，本实施例图中垂直于基底部分固定电极5为双侧型结构，尺寸是内半径为800-1600微米、外半径为870-1740微米、每侧的扇形弧度为5-11度、厚度为85-125微米，相互间隔弧度为8度，且垂直于基底部分固定电极5与环形电极2的水平间隙为25-60微米。

图2为本实施例双侧型固定电极结构与弹簧位置示意图。如图2所示，当实施列中弹簧与可动电极的连接位置与固定电极的位置重合时，固定电极采用双侧形固定电极结构。固定电极的横截面形状为L形，俯视图形状为扇型结构，分为平行于基底部分4和垂直于基底部分5两个部分。如图2所示，每个固定电极的垂直于基底部分5有两个小的部分，分别位于弹簧的两侧。平行于基底的部分尺寸是内半径为870-1740微米、外半径为970-1940微米、扇形弧度为18-30度、厚度为20微米。垂直于基底部分尺寸是内半径为800-1600微米、外半径为870-1740微米、每侧的扇形弧度为5-11度、厚度为85-125微米，相互间隔弧度为8度。双侧型结构的双侧边缘分别与平行于基底部分电极的两侧边缘在同一直线上。

图3是本实施例固定电极采用整体型结构时的示意图。如图3所示，当实施例中弹簧与可动电极的连接位置相互错开45度时，固定电极采用整体型结构。固定电极的横截面形状为L形，俯视图形状为扇型结构，分为平行于基底部分4和垂直于基底部分5两个部分。如图6所示，每个固定电极的垂直于基底部分5为一体分布。平行于基底的部分尺寸是内半径为870-1740微米、外半径为970-1940微米、扇形弧度为18-30度、厚度为20微米。垂直于基底部分尺寸是内半径为800-1600微米、外半径为870-1740微米、扇形弧度为18-30度、厚度为85-125微米。整体型结构的双侧边缘分别与平行于基底部分电极的两侧边缘在同一直线上。

在外电路中，一共有四对电极，其中接于上述的弹簧支撑座7下方的电极为公共极，而四对电极分别的另外一极分别接在四个固定电极5上。当外界达到设定阈值的接触力沿水平梁负表面法线方向作用于本发明三维多方向敏感的微型压力开关时，可动电极将接触到固定电极平行于基底的部分，从而在垂直方向上实现对外电路的接通；当外界达到设定阈值的接触力沿平行于绝缘基底上表面任意方向作用于上述电学开关时，质量块电极将接触到固定电极垂直于基底的部分，从而在水平多方向上实现对外电路的接通。当外界的接触力并非完全为平行或垂直基底表面时，外界力的垂直分量和水平分量的共同作用可使可动电极移动，当外界力的分量达到阈值时，可使可动电极与固定电极接触实现对外电路的接通。并且通过对上述四对电极是否导通情况的分析可以获知外界接触力来源的大致方向。因此，本发明仅使用一只微型压力开关即可敏感来自水平和垂直多个方向上的微接触压力，并且可以判断出分析出外界压力来源的大致方向，实现了集能够敏感三维多方向压力作用于一种微开关器件的优点。而且环形弹簧的使用，相对于采用S形弹簧，可以减小弹簧结构的水平方向刚度，使弹簧结构的水平方向刚度和竖直方向刚度接近，从而使开关达到导通的各方向压力阈值相近，保证开关敏感外界多方向压力时的三维一致性。

以上实施例详细显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种应用于医疗介入的由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关，包括：基底、可动电极、固定电极、水平弹簧和弹簧支撑座；其特征在于：所述的可动电极包括环形可动电极和水平梁两个部分，所述水平梁为圆环桥形结构，水平梁位于环形可动电极内侧并与环形可动电极共同组成可动电极；所述环形可动电极与环形水平弹簧连接，并被弹簧支撑座悬空在基底上方；所述的固定电极固定在基底上，位于基底的四周，弹簧支撑座固定在基底、位于基底中央；所述的固定电极为L形，L形一部分平行于基底、另一部分垂直于基底，其中固定电极平行于基底部分与环形可动电极有垂直间隙，固定电极垂直于基底部分与环形可动电极有水平间隙。

2.根据权利要求1所述的应用于医疗介入的由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关，其特征是，所述的基底是指石英或玻璃基底。

3.根据权利要求1所述的应用于医疗介入的由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关，其特征是，所述的水平弹簧为多匝环形结构。

4.根据权利要求1所述的应用于医疗介入的由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关，其特征是，所述的固定电极其横截面形状为L形，俯视图形状为扇型结构，分为平行于基底部分和垂直于基底部分两个部分。

5.根据权利要求1-4任一项所述的应用于医疗介入的由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关，其特征是，所述的水平弹簧与可动电极的连接位置与固定电极的位置重合时，固定电极的垂直于基底部分使用双侧型结构。

6.根据权利要求1-4任一项所述的应用于医疗介入的由环形弹簧支撑的三维多方向压力开关，其特征是，所述的水平弹簧与可动电极的连接位置与固定电极的位置错开45度时，固定电极的垂直于基底部分使用整体型结构。

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