CN103575931A - 用纳微柔性阵列实现接触时间延长的多向振动阈值传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用纳微柔性阵列实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其中：质量块电极分别与八组蛇形弹簧一端连接，弹簧另一端与弹簧支撑座相连接并将质量块悬空于垂直下固定电极和悬臂梁上固定电极之间，碳纳米纤维簇阵列结构分别分布在质量块的上表面和悬臂梁上固定电极的下表面，弹簧支撑座设置于绝缘衬底上并均匀的分布在质量块周围，放射状径向弹性水平固定电极一端连接在支撑柱上，支撑柱设置于质量块的中心并将放射状径向弹性水平固定电极悬空在质量块的上下表面之间，下固定电极固定在绝缘衬底上。此发明实现了多向振动阈值传感器可动电极和固定电极之间的柔性接触以及对±Z方向和水平360°方向上的加速度冲击反应敏感。

Description

用纳微柔性阵列实现接触时间延长的多向振动阈值传感器

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统(MEMS)技术领域的振动阈值阈值传感器装置，具体是一种利用纳微柔性阵列层实现接触时间延长的多向振动阈值传感器。

背景技术

微型振动阈值传感器作为一种新型的无源器件，因其具有体积小，重量轻等优点而被广泛应用于各种微电子系统中，尤其随着物联网系统的发展，各种传感器装置与互联网结合形成一个无线传感网络系统，而这些传感器常常因为某种特殊的需要而被放置在偏远的环境中或者被植入物体内部，造成供电困难。振动阈值传感器相比于加速度计和陀螺仪，不需要在常态下维持一个稳定的电流，其寄生功耗为零，因此成为物联网系统的最佳选择。

目前，振动阈值传感器的研制通常利用“弹簧(悬臂梁)-质量块”结构运动敏感单元作为可动电极，设计另一结构作为固定电极，两电极之间有一定的距离，当外界加速度超过传感器的设定阈值时，可动电极在其敏感方向运动并与固定电极接触，从而实现阈值传感器的导通功能，但是，这种单向敏感的阈值传感器只有当加速度方向与其敏感方向平行时，才能实现其功能应用。在实际环境中，很难保证冲击来自于指定的方向，因而需求具有多向敏感的MEMS振动阈值传感器。为了满足对多方向敏感的需求，在现有的解决方案中，常常不得不使用多个单向敏感的振动阈值传感器进行组合，这不但使得系统整体体积增大、质心难以重合，而且测量精度低、可靠性差，因此，业界对多方向敏感的振动阈值传感器有着迫切的需求。

基于微机械加工技术进行的以硅为基础的刻蚀或者电镀，所制备的振动阈值传感器是两个电极之间的刚性碰撞，容易造成器件的破坏，更重要的是，电极之间的刚性碰撞使接触时间变短，碰撞容易反弹，在降低器件稳定性的同时给后期信号处理带来困难。在对现有的技术文献检索发现，Luke J.Currano等在《Sensors and Actuators》(《传感器与执行器A》，2010年159期41-50页)发表了题为“Latching in a MEMS shock sensor:Modeling and experiments”(“闭锁式微机械振动传感器：建模与实验”)的论文，提出了一种可以敏感水平面上两个方向的闭锁式传感器，使振动阈值传感器的研究不再只对一个方向敏感，这种闭锁式的传感器虽然回避了电极之间刚性碰撞导致接触时间短的问题，可以在足够大的加速度作用下实现信号的连续输出，但是由于电极之间在碰撞接触后形成锁扣结构，研究者不得不在器件中设计了解锁装置，这就导致器件变得复杂以至于容易在工作中受损，并且这样的设计无疑大大降低了器件的重复工作能力。更重要的是，这样的器件无法做到独立使用来检测三维方向的加冲击加速度。

发明内容

本发明针对现有技术上的不足，提供一种利用纳微柔性阵列层实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，使该传感器可以同时敏感来自水平和垂直多个方向上的加速度冲击，并通过水平弹性悬臂梁和电极间的碳纳米管纤维簇阵列结构实现固定电极与可动电极之间的柔性接触，质量块电极的运动限制在上、下固定电极之间，基底与上固定电极对器件具有限位保护作用以免传感器在受到意外过载冲击的损坏。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：质量块电极、垂直下固定电极、悬臂梁上固定电极、碳纳米纤维簇阵列结构、蛇形弹簧、弹簧支撑座、多组悬臂梁组成的放射状径向弹性水平固定电极和上固定电极支撑柱，其中，质量块电极与八组蛇形弹簧的一端相连，蛇形弹簧另一端与弹簧支撑座相连并将质量块电极悬空于垂直下固定电极和悬臂梁上固定电极之间，悬臂梁上固定电极和放射状径向弹性水平固定电极固定在中间上固定电极支撑柱上，弹簧支撑座和上固定电极支撑柱分别固定设置于绝缘衬底上并分别位于质量块电极的四周和中间位置，由碳纳米管和铜组成的碳纳米纤维簇阵列结构均匀的分布在质量块电极的上表面和悬臂梁上固定电极的下表面，垂直下固定电极固定在绝缘衬底上。

所述的质量块电极为叠层电镀金属形成的环形体结构，其外半径1000～3000微米，内半径300～2000微米，厚度40～400微米，与绝缘衬底之间的距离为10～100微米。

所述的多组悬臂梁组成的放射状径向弹性水平固定电极，其悬臂梁与径向之间的夹角12～84°，长度50～295微米，宽度5～50微米，厚度5～50微米，根数为4～30根，该悬臂梁能够实现360°与质量块电极接触，在传感器受到超过阈值的加速度冲击时，该悬臂梁受到质量块冲击并发生弹性变形，增强接触效果。

所述的悬臂梁上固定电极为一层或者多层电镀形成端部为半圆形的悬臂梁结构，其根部宽度为100～800微米，端部宽度为50～600微米，长度为400～3000微米，厚度为20～500微米，斜截面角度为30～90°，该悬臂梁水平固定电极采用悬空结构，可以有效降低其结构刚度，并配合相应的斜截面接触，可以提高两电极间的接触效果。

所述的垂直下固定电极是一个多次电镀形成的以质量块电极中点为中点的环状结构，其内半径为300～2000微米，外半径为1000～3000微米，厚度为5～100um。

所述的蛇形弹簧为金属电镀形成的一匝或者多匝结构，其线宽为5～50微米，厚度为4～50微米，半圆内半径为20～150微米，外半径为50～500微米，该蛇形弹簧均匀的分布在质量块电极周围能够实现传感器对水平360°方向加速度敏感的均匀性，当传感器受到外界加速度作用时，悬空蛇形弹簧和质量块电极能够保持一致性，协调性，有利于接触的稳定可靠。

所述的碳纳米纤维簇阵列结构是通过脉冲电化学沉积方法实现的碳纳米纤维和铜的复合沉积层，其分布位置包括整个质量块上表面和悬臂梁上固定电极下表面，厚度为10～50微米，或者仅占据悬臂梁上固定电极上表面及其所覆盖的质量块电极上表面位置，在传感器受到垂直于质量块电极表面的加速度作用时，均匀分布的碳纳米管能够使质量块电极与悬臂梁上固定电极之间实现柔性接触，增强接触效果。

所述上固定电极支撑柱与质量块电极之间的间隔为60～200微米。

所述的质量块电极与放射状径向弹性水平固定电极之间的距离为10～200微米。

所诉的绝缘衬底可以使石英、玻璃等绝缘材料制备。

所述的放射状径向弹性水平固定电极是通过电镀镍或者铜形成的方形或者圆形柱状结构。

所述的弹簧支撑座是通过电镀镍或者铜形成的方形或者环形柱状结构。

所述的上固定电极支撑柱通过电镀镍或者铜形成的方形或者圆形柱状结构。

当外界超过设定阈值的加速度沿绝缘衬底表面法线方向作用于本发明实现接触时间延长的多向振动阈值传感器时，质量块电极将接触到悬空在质量块电极上方的悬臂梁上固定电极，从而在垂直方向上实现对外电路的导通，当外界超过设定阈值的加速度在沿平行于绝缘衬底上表面的任何一方向作用与上述传感器时，质量块电极将与悬臂梁组成的径向发射状水平固定电极接触，从而在水平多方向上实现对外电路的导通。

本发明以微机电系统加工技术为基础，采用室温下在玻璃或者石英灯绝缘衬底上多次互不干扰叠层电镀工艺制备整个传感器结构，使用复合电化学沉积的方法制备碳纳米管复合沉积层。本发明在外界加速度作用下，依靠外界惯性力驱动有蛇形弹簧悬空的质量块电极运动，从而与垂直固定电极或者水平固定电极接触，随后有在弹簧回复力的作用下回到平衡位置，从而实现对外电路的瞬间通断。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明针对以往阈值传感器质量块电极与固定电极之间的刚性碰撞，容易对器件造成破坏，并且接触时间短的问题，提出了一种实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，该传感器不仅可检测到来自水平和竖直多方向上的加速度，更重要的是，通过在叠层电镀技术的基础上，使用复合电化学沉积的方法制备了功能接触层，通过在质量块可动电极与悬臂梁固定电极之间沉积均匀的“铜-碳纳米管”复合层，增强了电极间的接触效果，实现了柔性接触，在延长接触时间的同时避免了电极间刚性碰撞对传感器的顺坏。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是实施例1的多向振动阈值传感器结构示意图

图2是实施例1的碳纳米纤维簇阵列结构制备工艺图。

图3是实施例1的质量块电极结构示意图。

图4是实施例1的碳纳米管纤维簇阵列结构示意图。

图5是实施例1的放射状的弹性固定电极悬臂梁示意图。

图6是实施例1的悬臂梁上固定电极。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：质量块电极1，放射状径向弹性悬臂梁水平固定电极2，悬臂梁上固定电极3，碳纳米管纤维簇阵列结构4，蛇形弹簧5，垂直下固定电极6，弹簧支撑座7，绝缘衬底8，电极引脚9，上固定电极支撑柱10，其中，质量块电极1分别于八组蛇形弹簧5的一端连接，八组蛇形弹簧5的另一端与弹簧支撑座7相连并将质量块电极1悬空于下固定电极6的上方10～50微米以及悬臂梁上固定电极3的下方10～50微米处，垂直下固定电极6固定在绝缘衬底上，其厚度为5～50微米，弹簧支撑座7固定在绝缘衬底8上，位于质量块电极1的四周，上固定电极支撑柱10固定在绝缘衬底8上并位于质量块电极1的中心，放射状径向弹性悬臂梁水平固定电极2固定在上固定电极支撑住10上并位于质量块电极1上、下表面的中间，放射状径向弹性悬臂梁水平固定电极2靠近质量块电极1的一端距离质量块电极1的距离为10～50微米，碳纳米管阵列结构4均匀分布在质量块电极1的上表面和悬臂梁上固定电极3的下表面。

本实施例中，所述的质量块电极1为环形结构，其尺寸为：其外半径1000～3000微米，内半径300～2000微米，厚度40～400微米，与绝缘衬底之间的距离为10～100微米，较优的，外半径长1500微米，内半径400微米，厚度80微米，采用多次底层电镀镍或铜金属制备。

本实施例中，所述的多组悬臂梁组成的放射状径向弹性水平固定电极2，其悬臂梁与径向之间的夹角12～84°，长度50～295微米，宽度5～50微米，厚度5～50微米，根数为4～30根。该悬臂梁能够实现360°与质量块电极接触，在传感器受到超过阈值的加速度冲击时，该悬臂梁受到质量块冲击并发生弹性变形，增强接触效果。

本实施例中，所述的悬臂梁上固定电极3，为一层或者多层电镀形成端部为半圆形的悬臂梁结构，其根部宽度为100～800微米，端部宽度为50～600微米，长度为400～3000微米，厚度为20～500微米，斜截面角度为30～90°，较优的，其根部宽度为500微米，端部宽度为400微米，长度为1500微米，厚度为50微米，斜截面角度为60°。半圆形结构半径为100～300微米。

如图2所示，本实施例中，所述的碳纳米管纤维簇阵列结构4通过铜和碳纳米管复合沉积分布在质量电极1的上表面和悬臂梁上固定电极3下表面，厚度为10～50微米，较优的，厚度为15微米。

本实施例中，所述的蛇形弹簧5，其线宽为5～50微米，厚度为4～50微米，半圆内半径为20～150微米，外半径为50～500微米，较优的，其线宽为10微米，厚度为20微米，半圆内直径为50微米，外直径为70微米。

本实施例中，所述的垂直下固定电极5内半径为300～2000微米，外半径为1000～3000微米，厚度为5～100微米。较优的，内半径为800微米，外半径为1000微米，厚度为10微米，固定在绝缘衬底8上。

本实施例中，所述的弹簧支撑座7为圆形柱状结构，其截面半径为200微米，高度为50微米。

本实施例中，所述的绝缘衬底8尺寸为半径3000微米，高度为50～100微米。

本实施例中，所述的电极引脚9固定在绝缘衬底上，宽度为100微米，厚度为10微米。

本实施例中，所述的上固定电极支撑柱10为圆形柱状结构，其半径为100微米，高度为150微米。

图3是实施环形结构的质量块电极1的立体结构示意图，本实施例中，质量块电极1通过八组蛇形弹簧5与弹簧支撑座7相连并悬空于垂直下固定电极6上方为10～50微米处。

图4是实施碳纳米管纤维簇阵列结构4的立体结构示意图，本实施例中，碳纳米纤维簇阵列结构均匀的分布于质量块电极1的上表面和悬臂梁上固定电极3的下表面，其中碳纳米管纤维簇阵列结构4可布满质量块电极1的整个上表面，也可以值分布在垂直悬臂梁上固定电极3覆盖区域。

如图4所示，当超过设定阈值的负加速度沿着绝缘衬底8上表面法线方向作用于该传感器时，质量块电极1将会与悬臂梁上固定电极3基础，接触过程中，分布于质量块电极1上表面和悬臂梁上固定电极3下表面的碳纳米管纤维簇阵列结构将会发现柔性变形，从而增强接触效果。

图5为实施多组悬臂梁组成的放射状径向弹性悬臂梁水平固定电极2。

图6为实施垂直悬臂梁上固定电极3和环状垂直下固定电极6的立体结构示意图。

本发明实现了多向振动阈值传感器质量块电极和悬臂梁上固定电极之间的柔性接触以及对±Z方向和水平360°方向上的加速度冲击反应敏感。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种用纳微柔性阵列实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其特征在于包括：质量块电极、垂直下固定电极、悬臂梁上固定电极、碳纳米纤维簇阵列结构、蛇形弹簧、弹簧支撑座、多组悬臂梁组成的放射状径向弹性水平固定电极和上固定电极支撑柱，其中：质量块电极与八组蛇形弹簧的一端相连，蛇形弹簧另一端与弹簧支撑座相连并将质量块电极悬空于垂直下固定电极和悬臂梁上固定电极之间，悬臂梁上固定电极和放射状径向弹性水平固定电极固定在中间上固定电极支撑柱上，弹簧支撑座和上固定电极支撑柱分别固定设置于绝缘衬底上并分别位于质量块电极的四周和中间位置，由碳纳米管和铜组成的碳纳米纤维簇阵列结构均匀的分布在质量块电极的上表面和悬臂梁上固定电极的下表面或者仅占据悬臂梁上固定电极上表面及其所覆盖的质量块电极上表面位置，垂直下固定电极固定在绝缘衬底上。

2.根据权利要求1所述的实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其特征是所述的碳纳米簇阵列结构是通过脉冲电化学沉积方法实现的碳纳米纤维和铜的复合沉积层，厚度为10～50微米，在传感器受到垂直于质量块电极表面的加速度作用时，均匀分布的碳纳米管能够使质量块电极与悬臂梁上固定电极之间实现柔性接触。

3.根据权利要求1所述的实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其特征是，所述的多组悬臂梁组成的放射状径向弹性固定电极，其悬臂梁与径向之间的夹角12～84°，长度50～295微米，宽度5～50微米，厚度5～50微米，根数为4～30根，该悬臂梁能够实现360°与质量块接触，在传感器受到超过阈值的加速度冲击时，该悬臂梁受到质量块冲击并发生弹性变形，增强接触效果。

4.根据权利要求3所述的实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其特征是所述的质量块电极与多组悬臂梁组成的径向弹性水平固定电极之间的距离为10～200微米。

5.根据权利要求1所述的实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其特征是，所述的质量块电极是由叠层金属电镀形成的环状体结构，其外半径1000～3000微米，内半径300～2000微米，厚度40～400微米。

6.根据权利要求5所述的实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其特征是所述的质量块电极与绝缘衬底之间的距离为10～100微米。

7.根据权利要求1-6任一项所述的实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其特征是，所述悬臂梁上固定电极为一层或者多层电镀形成端部为半圆形的悬臂梁结构，其根部宽度为100～800微米，长度为400～3000微米，厚度为20～500微米，斜截面角度为30～90°；所述半圆形半径为100～300微米。

8.根据权利要求1-6任一项所述的实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其特征是所述的垂直下固定电极是一个一次或者多次电镀形成的以质量块电极中点为中点的环状结构，其内半径为500～2000微米，外径为1000～3000微米，厚度为5～100微米。

9.根据权利要求1-6任一项所述的实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其特征是所述的蛇形弹簧为金属电镀形成的一匝或者多匝结构，其线宽为5～50微米，厚度为4～50微米，半圆内半径为20～150微米，外半径为50～500微米，该蛇形弹簧均匀的分布在质量块周围能够实现传感器对水平360°方向加速度敏感的均匀性。

10.根据权利要求1-6任一项所述的实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，其特征是所述上固定电极支撑柱与质量块电极之间的间隔为60～200微米。

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