CN104062461A - 一种万向振动阈值传感器及其3d打印制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种万向振动阈值传感器及其3D打印制备方法，其中：半球形的可动质量块电极分别与蛇形弹簧一端连接，弹簧另一端与弹簧支撑柱相连接并将可动质量块电极悬空于固定电极之上，弹簧支撑柱设置于绝缘衬底边缘并均匀分布在可动质量块电极周围，固定电极固定在绝缘衬底上，固定电极的半球状凹陷与可动质量块电极之间有一定距离，固定电极与可动质量块电极之间的电极间隙呈半球形沟道，外界振动达到阈值后，两电极之间被接通，并实现多个方向的敏感，器件除绝缘衬底外全部由3D打印的导电金属结构组成。此发明实现了振动阈值传感器对-Z方向和半球面内所有方向上的加速度冲击反应敏感。

Description

一种万向振动阈值传感器及其3D打印制备方法

技术领域

本发明设计的是一种微机电系统(MEMS)技术领域的振动阈值传感器装置，具体是一种万向振动阈值传感及3D打印制备该传感器的方法。

背景技术

微型振动阈值传感器(又被称作惯性开关或加速度阈值传感器)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，设计另一个结构作为固定电极，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》，2013年195期191-197页)发表了题为“Triaxial inertial switch with multiplethresholds and resistive ladder readout”(“阶梯式电阻输出的三轴多阈值惯性开关”)的论文，提出了一种可以在X、Y、Z轴向上敏感多个方向的多阈值传感器，使振动阈值传感器的研究不再只对一个方向敏感，这种多阈值振动传感器虽然解决了传感器敏感方向单一的问题，可以实现多个轴向的加速度敏感以及多种阈值敏感，但是由于MEMS表面微加工技术的局限性，通常只能通过光刻、刻蚀等传统半导体平面工艺来逐层形成三维结构，无法真正实现完全的三维任意形状结构的传感器器件加工，因而也就不可能实现在三维空间中传感器对加速度各个方向的反应敏感。

发明内容

本发明针对现有技术上的不足，提供一种万向振动阈值传感器及其3D打印方法，固定电极与可动质量块电极之间的电极间隙呈半球形沟道，使该传感器可以同时敏感来自垂直和整个半球面方向的多个方向上的加速度冲击。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一方面，提供一种万向振动阈值传感器，所述传感器包括：可动质量块电极、固定电极、蛇形弹簧、弹簧支撑柱和绝缘衬底，其中：可动质量块电极与蛇形弹簧的一端相连，蛇形弹簧另一端与弹簧支撑柱相连并将可动质量块电极悬空于带半球状凹陷的固定电极之上，弹簧支撑柱固定于绝缘衬底上并分别位于可动质量块电极的四周；带半球状凹陷的固定电极固定在绝缘衬底上，固定电极与可动质量块电极之间的电极间隙呈半球形沟道，该种结构的固定电极在传感器受到超过阈值的加速度冲击时，实现振动阈值传感器的更多方向的敏感。

优选地，所述的固定电极设计成了两种结构：一种是带半球状凹陷的上截面类八边形的结构，它是8个多面体绕一个圆柱平均分布而成的，相邻两个多面体的中心按它们所环绕圆柱的底面圆心成45°夹角，该固定电极能够实现在整个半球面内与可动质量块电极接触；另一种是在一个长方体上表面挖半球状凹陷形成的结构。此种带半球状凹陷的结构可以实现振动阈值传感器的更多方向的敏感。

优选地，所述的可动质量块电极由半球体和延伸柱体组成，延伸柱体位于半球体之上且半球体的上表面与延伸柱体底面重合。半球体质量块结构作为可动电极，由蛇形弹簧将其悬空于固定电极之上一定高度，这样所形成的“弹簧-质量块”系统与固定电极配合实现对加速度的多向敏感。

优选地，所述的蛇形弹簧为一匝或者多匝结构，设计成了两种结构，一种是弯曲蛇形，另一种是直线蛇形。此两种弹簧在可动质量块电极周围能够实现传感器对整个下半球方向上加速度敏感的均匀性，当传感器受到外界加速度作用时，悬空蛇形弹簧和可动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。

优选地，所述的弹簧支撑柱连接蛇形弹簧的另一端，将弹簧固定。

优选地，所述的可动质量块电极在蛇形弹簧的作用下，悬空于固定电极之上一定高度，这个高度即为电极间距。

优选地，所述的绝缘衬底为圆柱状，起到支撑上部结构的作用。绝缘衬底使用绝缘材料制备。

优选地，所述的固定电极、可动质量块电极、蛇形弹簧以及弹簧支撑柱等除绝缘衬底外的所有结构都是通过3D打印导电金属材料形成。

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的万向振动阈值传感器时，可动质量块电极将接触到固定在绝缘衬底上的固定电极，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垂直于固定电极的半球状凹陷表面的任何方向作用与上述传感器时，可动质量块电极将与固定电极的半球面接触，从而在多个方向上实现对外电路的导通。

根据本发明的另一方面，提供一种万向振动阈值传感器的3D打印制备方法，该方法以3D打印加工技术为基础，采用室温下在绝缘衬底上一层一层地打印金属墨材料来制备整个传感器结构。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可动质量块电极运动，从而与固定电极接触，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。

所述的3D打印制备方法，包括如下步骤：

首先通过SolidWorks等机械制图软件建模；

其次，再将建成的三维模型分区成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；

最后，打印机通过读取文件中的截面信息，在模型中图形区域打印导电金属墨材料，在图形外的区域打印可溶性支撑层材料，将这些截面逐层打印出来，将各层截面以各种方式粘合起来，再将可溶性支撑层材料去除掉，从而制造出本发明设计的万向振动阈值传感器结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明针对以往由于微加工工艺局限性等因素造成的阈值传感器敏感方向的局限，以及无法使用传统MEMS和半导体工艺加工任意形状的三维结构等困难，提出了一种基于3D打印技术的万向振动阈值传感器，该传感器不仅可检测到来自下半球面上的各个方向上的加速度，更重要的是，通过3D打印这一新兴技术来实现传感器的三维立体制作。

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是本发明实施例1的万向振动阈值传感器结构示意图。

图2是本发明实施例1的固定电极和可动质量块电极示意图。

图3是本发明实施例1的固定电极第一种设计结构示意图。

图4是本发明实施例1的固定电极的第二种设计结构示意图。

图5是本发明实施例1的带直线蛇形弹簧的万向振动阈值传感器的结构示意图。

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，本实施例提供一种万向震动阈值传感器，该传感器包括：绝缘衬底1，电极引脚2，固定电极3，可动质量块电极4，蛇形弹簧5，弹簧支撑柱6，其中，可动质量块电极4分别与八组蛇形弹簧5的一端连接，八组蛇形弹簧5的另一端与弹簧支撑柱6相连并将可动质量块电极4悬空于固定电极3的上方0.1～0.5毫米处，固定电极3与可动质量块电极4之间的电极间隙呈半球形沟道，固定电极3固定在绝缘衬底1上，其高度为3～5毫米，弹簧支撑柱6固定在绝缘衬底1上，位于质量块电极4的四周。

本实施例中，所述的可动质量块电极4由半球体和一个圆柱体构成的，其尺寸为：半球体和圆柱的半径均2～5毫米，圆柱体的厚度0.5～0.8毫米，可动质量块电极上表面与绝缘衬底之间的距离3～6毫米，较优的，半径长4.2毫米，圆柱体厚度0.7毫米，可动质量块电极上表面与绝缘衬底间距5.3毫米，采用3D打印导电金属材料制备，可动质量块电极通过八组蛇形弹簧5与弹簧支撑柱6相连并悬空于固定电极3上方为0.3毫米处。

本实施例中，所述的蛇形弹簧5，其线宽0.1～0.5毫米，厚度0.1～0.5毫米，半圆内半径4.7～7.7毫米，外半径4.9～7.9毫米，较优的，其线宽0.2毫米，厚度0.3毫米，半圆内直径4.7毫米，外直径7.9毫米。

如图1所示，当超过设定阈值的加速度沿着绝缘衬底1上表面法线方向或者沿垂直于可动质量块电极的下半球体表面的任何方向作用于该传感器时，质量块电极4将会与固定电极3接触，由于可动质量块电极与固定电极形状的设计可以实现多个方向上的加速度敏感。

如图2所示，本实施例中，所述的固定电极结构3与可动质量块电极4之间的配合。

本实施例中，所述的弹簧支撑柱6是圆柱体结构，其底面半径0.2～0.7毫米，高度5～8毫米，较优的，其底面半径0.3毫米，高度6毫米。

本实施例中，所述的绝缘衬底1尺寸为半径20～25毫米，高度0.3～0.6毫米。

本实施例中，所述的电极引脚2固定在绝缘衬底上，宽度为0.5微米，厚度为0.01毫米。

图3是实施固定电极第一种设计结构示意图，本实施例中，固定电极3是带半球状凹陷的上截面类八边形的结构，它是8个多面体绕一个半径1～1.5毫米，高0.1～0.5毫米的圆柱平均分布而成的，相邻两个多面体的中心按它们所环绕圆的圆心成45°夹角，每个多面体底面高度为3～5毫米，半球状凹陷的半径2～5毫米，该固定电极能够实现在整个半球面内与可动质量块电极接触；

图4是实施固定电极第二种设计结构示意图，本实施例中，固定电极3是带半球状凹陷的长方体结构，其中间半球状凹陷的半径2～5毫米，长方体长5～10毫米，宽5～10毫米，高3～6毫米，较优的，凹陷半径4.5毫米，长方体长9毫米，宽9毫米，高5毫米。固定电极的半球状凹陷的设计可以实现更多方向上的加速度冲击敏感。

图5为实施带直线蛇形弹簧的万向振动阈值传感器的结构示意图。直线蛇形弹簧线宽0.1～0.5毫米，线长3～3.5毫米，弹簧连接处圆环内半径0.1～0.3毫米，外半径0.3～0.5毫米，厚度0.1～0.5毫米，较优的，线宽0.2毫米，线长3.4毫米，连接处内半径0.2毫米，外半径0.4毫米，厚度0.3毫米。

本实施例实现了万向振动阈值传感器对-Z方向和整个下半球平面各个方向上的加速度冲击反应敏感。

本实施例上述的传感器可以采用3D打印制备方法，其中采用的3D打印技术是一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属，采用数字技术材料打印机，通过逐层打印的方式来构造物体。具体实施步骤如下：

首先通过SolidWorks等机械制图软件建模，所建模型如图1；

其次，再将建成的三维模型分区成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；

最后，打印机通过读取文件中的截面信息，在模型中图形区域打印导电金属墨材料，在图形外的区域打印可溶性支撑层材料，将这些截面逐层打印出来，将各层截面以各种方式粘合起来，再将可溶性支撑层材料去除掉，从而制造出设计的万向振动阈值传感器。

以上实施例中采用的参数，比如八组蛇形弹簧，以及上述各个部件的尺寸等，均为本发明的优选实施例，但本发明并不局限于此，在其他实施例中也可以采用其他参数，这对于本领域技术人员来说是很容易实现的。

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 (7)

1.一种万向振动阈值传感器，其特征在于包括：可动质量块电极、固定电极、蛇形弹簧、弹簧支撑柱和绝缘衬底，其中：可动质量块电极与蛇形弹簧的一端相连，蛇形弹簧另一端与弹簧支撑柱相连并将可动质量块电极悬空于带半球状凹陷的固定电极之上，弹簧支撑柱固定于绝缘衬底上并分别位于可动质量块电极的四周；带半球状凹陷的固定电极固定在绝缘衬底上，固定电极与可动质量块电极之间的电极间隙呈半球形沟道，该种结构的固定电极在传感器受到超过阈值的加速度冲击时，实现振动阈值传感器的更多方向的敏感。

2.根据权利要求1所述的万向振动阈值传感器，其特征是，所述的带半球状凹陷的固定电极是带半球状凹陷的上截面类八边形的结构，它是八个多面体绕一个圆柱平均分布而成的，相邻两个多面体的中心按它们所环绕圆柱底面圆心成45°夹角。

3.根据权利要求1所述的万向振动阈值传感器，其特征是，所述的带半球状凹陷的固定电极是在一个长方体上表面挖半球状凹陷形成的结构。

4.根据权利要求1所述的万向振动阈值传感器，其特征是，所述的可动质量块电极由半球体和延伸柱体组成的结构，延伸柱体位于半球体之上且半球体的上表面与延伸柱体底面重合，半球体可动质量块结构作为可动电极与固定电极配合实现对加速度的多向敏感。

5.根据权利要求1-4任一项所述的万向振动阈值传感器，其特征是所述的蛇形弹簧为3D打印导电金属形成一匝或者多匝结构。

6.根据权利要求5所述的万向振动阈值传感器，其特征是所述的蛇形弹簧为弯曲蛇形或直线蛇形，该弹簧在可动质量块电极周围能够实现传感器对整个下半球面方向上加速度敏感的均匀性。

7.一种如权利要求1-6任一项所述万向振动阈值传感器的3D打印制备方法，其特征在于包括如下步骤：

首先通过SolidWorks等机械制图软件建模；

其次，再将建成的三维模型分区成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印；

最后，打印机通过读取文件中的截面信息，在模型中图形区域打印导电金属墨材料，在图形外的区域打印可溶性支撑层材料，将这些截面逐层打印出来，将各层截面以各种方式粘合起来，再将可溶性支撑层材料去除掉，从而制造出本发明设计的万向振动阈值传感器结构。