CN105225887B

CN105225887B - 一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关

Info

Publication number: CN105225887B
Application number: CN201510666636.4A
Authority: CN
Inventors: 杨卓青; 张啟欢; 徐秋; 王艳; 陈明明; 丁桂甫; 赵小林
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2017-09-08
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: CN105225887A

Abstract

本发明提供一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，包括质量块、限位套筒、U形弹簧、弹簧固定支座、固定电极、双阶梯形移动柔性电极、反向限位阻挡块、绝缘衬底，其中：质量块与四组U形弹簧相连，并被弹簧固定支座悬空在绝缘衬底的上方、限位套筒的下方，且质量块与套筒之间存在间隙；限位套筒固定于绝缘衬底上；双阶梯形移动柔性电极与质量块相连，位于绝缘衬底的上方，两者之间存在间隙；四个弹簧固定支座、固定电极、反向限位阻挡块均固定在绝缘衬底上，并位于质量块的四周。本发明移动柔性电极与固定电极发生弹性变形，大大延长了接触时间，提升了接触性能，紧密约束限位套筒能有效抑制质量块在非敏感方向的大范围变形，以提升器件稳定性。

Description

一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的器件，具体的是一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关。

背景技术

基于微细加工技术制备的MEMS惯性开关体积小、阈值一致性高，制造成本低，已取代传统机械惯性开关成为微系统植入传感器的主流。传统的MEMS惯性微开关，当受到超过阈值加速度的冲击时，移动电极与固定电极刚性接触，开关接通时间极短，外电路很难感知开关的瞬间变化，故而受到大规模的限制；而且，传统MEMS惯性微开关，其约束结构过于简单，当遭受非敏感方向的冲击时，不能有效约束其移动电极的大范围运动，易导致器件中弹簧应力过于集中，发生断裂，致使器件失效。

韩国延世大学J.-I.Lee等于2011年在《Carbon nanotubes-integrated inertialswitch for reliable detection of threshold acceleration》提出了一种能够延长接触时间的惯性开关设计方法，通过在电极之间织布碳纳米管改变可动电极与固定电极的表面特性，当电极碰撞时，电极之间的碳纳米管除了有一定的弹性以外，接触后的碳纳米管之间还有摩擦吸附作用。通过对所制备样品的测试，表明碳纳米管表面改性能够具有延长接触时间的作用，在可动电极与固定电极碰撞的瞬间，碳纳米管与碳纳米管之间的相互挤压能够改变电极的刚性接触为柔性接触，碳纳米管的弹性形变和接触摩擦过程延长了可动电极与固定电极的接触时间。测试结果表明，相比于没有使用碳纳米管的惯性开关，碳纳米管的作用使惯性开关的接触时间从7.5微秒延长至114微秒。虽然这类制备方法能够延长惯性开关的接触时间，但是在制备惯性开关的同时，增加了碳纳米管的织布工艺，无疑增加了整体工艺难度。

韩国Usung Park等于2010年在《Development and characterization of anovel configurable MEMS inertial switch using a microscale liquid-metaldroplet in amicro-structured channel》中制备一种利用液态金属作为敏感结构感知加速度的惯性开关。首先设计一个V形凹槽放置可流动液体金属，在V字形的尖端设计一个微流体通道和两个电极。在加速度作用之下，液体金属在微流体通道中运动，当加速度超过设定阈值时，液体金属穿过微通道到达固定电极槽，实现电极之间的相互导通。采用这种方法实现闭合的惯性开关可靠性高，接触时间长。但是，液态金属汞是一种剧毒性金属，使得开关的制作过程具有一定的危险性，峰值难度大。并且，开关失效后的回收难度更大，废弃的惯性开关一旦回收遗漏，将对环境造成很大的影响。

因此，本领域的技术人员致力于发明一种接触时间长、抗干扰能力和过载能力强的MEMS惯性开关，并希望其工艺过程比较简单和便捷，让人们更加方便制造这种应用广泛的水平敏感微机械惯性开关。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，使惯性开关能够感知水平敏感方向的冲击，当感应的加速度超过其阈值时，惯性开关移动电极与固定电极接触，而且，双阶梯形移动电极能够发生较大变形，从而有效地延长接触时间，使外部电路有效触发；本发明提供一种紧约束限位结构，在水平非敏感方向和竖直方向均能有效控制质量块的位移，避免器件大范围变形，提升了惯性开关稳定性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，包括：质量块、限位套筒、U形弹簧、弹簧固定支座、固定电极、双阶梯形移动柔性电极、反向限位阻挡块和绝缘衬底，其中：所述的质量块与四组所述U形弹簧相连，并被所述弹簧固定支座悬空在所述绝缘衬底的上方、所述限位套筒的下方，且所述质量块与限位套筒之间有间隙；所述限位套筒固定于所述绝缘衬底上；所述双阶梯形移动柔性电极与所述质量块相连，位于所述绝缘衬底的上方，两者之间存在间隙；四个所述弹簧固定支座、所述固定电极、所述反向限位阻挡块均固定在所述绝缘衬底上，并位于所述质量块的四周；

当外界的加速度沿敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，所述质量块将带动所述双阶梯性柔性电极运动，并接触到所述固定电极，从而实现对外电路的接通；当外界的加速度沿任意非敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，所述质量块将沿其所对应的非敏感运动，然后与所述限位套筒或所述反向限位阻挡块发生碰撞，所述限位套筒或所述反向限位阻挡块约束了所述质量块的随意运动，避免所述U型弹簧大变形和应力集中，保证了器件整体的稳定性。

优选地，所述的质量块为通过多次叠层电镀金属镍或铜形成的方形结构，质量块的边长为1000～2000微米、高50～500微米。

更优选地，在所述的质量块上挖出一系列的方形孔以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层，方形孔的边长为50～500微米，个数为2～6个。

更优选地，在所述的质量块四个角处配合相应的斜截接触面，斜截接触面的角度为30～60度，使之更方便地与U形弹簧相连。

优选地，所述的双阶梯形移动柔性电极为通过电镀金属镍或铜形成的一层或多层悬臂结构，双阶梯形移动柔性电极的总长度为300～1000微米、宽度为50～200微米、厚度50～500微米；所述双阶梯形移动柔性电极采用阶跃式悬空结构，可以有效降低其结构刚度，很好地提高双阶梯形移动柔性电极与固定电极间的接触效果。

优选地，所述的固定电极为通过电镀金属镍或铜形成的长方体结构，固定电极的长度为800～1600微米、宽度为200～800微米、厚度为50～500微米。

优选地，所述的U形弹簧为通过电镀金属镍或铜形成的多匝结构，U形弹簧的线宽为5～50微米、厚度为4～50微米，U形弹簧的拐角处半圆内径为50～200微米。

优选地，所述的限位套筒为通过电镀金属镍或铜形成的一层或多层结构，包括带有一系列孔洞的悬空梁以及左右支撑柱，其中：

所述悬空梁为长方体结构，悬空梁的长为1300～2600微米、宽度为500～1000微米、高度为20～50微米；

所述左右支撑柱为一系列的方形柱组成，方形柱的高度为80～200微米；

悬空梁的下表面与左右支撑柱的上表面相连。

更优选地，在所述的悬空梁上设置有一系列的方形阵列孔以便于最后的释放，孔的长度为30～80微米、个数为20～40个。

优选地，所述的反向限位阻挡块为通过电镀金属镍或铜形成的柱状结构，反向限位阻挡块的长度为80～200微米、宽度为40～120微米，当在与敏感相反的方向施加一定的加速度时，能够避免产生误触发，降低了非敏感方向的敏感性。

更优选地，在所述的反向限位阻挡块接近质量块的一端设有倾斜面，以降低反向阻挡块的刚度，倾斜面的倾斜角度为30～60度。

优选地，所述的绝缘衬底为石英或玻璃衬底，绝缘衬底的厚度为0.1～2毫米。

优选地，所述的弹簧固定支座为通过电镀镍或铜金属形成的方形结构，弹簧固定支座的长度为80～200微米、宽度为40～120微米、厚度为50～300微米。

以上各尺寸的选取，能在制备过程中，工艺简单，既保证了器件的微型化，又不失其稳定性和敏感性，增强了微机械惯性开关在各个领域的应用。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

本发明针对以往微机械惯性电学开关移动电极与固定电极之间刚性碰撞，接触时间短暂，以及质量块在非敏感方向运动范围较大等问题，提出了一种带有双阶梯性柔性移动电极和紧密约束限位套筒的惯性开关新结构，移动柔性电极与固定电极发生弹性变形，大大延长了接触时间，提升了接触性能，紧密约束限位套筒能够有效抑制质量块在非敏感方向的大范围变形，提升了器件的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一实施例的整体结构示意图；

图2是本发明一实施例的质量块、双阶梯形移动柔性电极以及U形弹簧的结构示意图；

图3是本发明一实施例的限位套筒的结构示意图；

图4是本发明一实施例的双阶梯形移动柔性电极的结构示意图；

图5是本发明一实施例的绝缘衬底、弹簧固定支座、固定电极以及反向限位阻挡块的结构示意图；

图6是本发明一实施例的U形弹簧的结构示意图；

图中：质量块1、限位套筒2、U形弹簧3、弹簧固定支座4、固定电极5、双阶梯形移动柔性电极6、反向限位阻挡块7、绝缘衬底8。

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。

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衬底上多次互不干扰叠层电镀整个开关结构的方法制作。本发明在外界加速度作用下，依靠惯性力驱动U形弹簧悬空的质量块，带动双阶梯性移动柔性电极运动，从而接触到与其有一定间距的固定电极；加速度大于一定阈值时，双阶梯性移动柔性电极发生弹性变形，延长了与固定电极的接触时间，随后又在U型弹簧和双阶梯性移动柔性电极作用力下快速将质量块以及双阶梯性移动柔性电极拉回，最终实现对电路瞬间开关。

如图1所示，一种紧约束水平敏感的微机械惯性开关，包括：质量块1、限位套筒2、U形弹簧3、弹簧固定支座4、固定电极5、双阶梯形移动柔性电极6、反向限位阻挡块7和绝缘衬底8，其中：

质量块1与四组U形弹簧3相连，并被弹簧固定支座4悬空在绝缘衬底8的上方、限位套筒2的下方，且质量块1与限位套筒2之间有间隙；限位套筒2固定于绝缘衬底8上；双阶梯形移动柔性电极6与质量块1相连，位于绝缘衬底8的上方，两者之间存在间隙；四个弹簧固定支座4、固定电极5、反向限位阻挡块7均固定在绝缘衬底8上，并位于质量块1的四周。

当外界的加速度沿敏感方向作用于微机械惯性开关时，质量块1将带动双阶梯性柔性电极6运动，并接触到固定电极5，从而实现对外电路的接通；当外界的加速度沿任意非敏感方向作用于微机械惯性开关时，质量块1将沿其所对应的非敏感运动，然后与限位套筒2或反向限位阻挡块7发生碰撞，限位套筒2或反向限位阻挡块7约束了质量块1的随意运动，避免U型弹簧3大变形和应力集中，保证了器件整体的稳定性。

如图2所示，一优选实施例中，质量块、双阶梯形移动柔性电极以及U形弹簧的结构示意图，所述的质量块1为通过多次叠层电镀金属镍或铜形成的方形结构，其尺寸边长为1000～2000微米、高50～500微米。

本实施例中，所述的质量块1在制作过程中，在其中部挖出一系列的方形孔以便于最后的释放，方形孔的边长为50～500微米，个数为2～6个；

本实施例中，所述的质量块1的四个角处配合相应的斜截接触面，斜截接触面角度为30～60度，以利于与U形弹簧3的连接，U形弹簧3与质量块1的连接处位于斜截接触面的中心。

如图3所示，一优选实施例中，限位套筒的结构示意图，所述的限位套筒2为通过电镀金属镍或铜形成的一层或多层结构，包括带有一系列孔洞的悬空梁以及左右支撑柱，其中：

所述悬空梁为长方体结构，其长为1300～2600微米、宽度为500～1000微米、高度为20～50微米，并带有一系列的方形阵列孔以便于最后的释放，孔的长度为30～80微米，个数为20～40个；

悬空梁的下表面与左右支撑柱的上表面相连。

如图4所示，在一优选实施例中，双阶梯形移动柔性电极的结构示意图，所述的双阶梯形移动柔性电极6为通过电镀金属镍或铜形成的一层或多层悬臂结构，其宽度为50～200微米、总长度为300～1000微米、厚度50～500微米。

本实施例中，所述的双阶梯形移动柔性电极6采用阶跃式悬空结构，可以有效降低其结构刚度，很好地提高双阶梯形移动柔性电极6与固定电极5间接触效果。

如图5所示，一优选实施例中，绝缘衬底、弹簧固定支座、固定电极以及反向限位阻挡块的结构示意图，在绝缘衬底8上方分别固定有弹簧固定支座4、固定电极5以及反向限位阻挡块7；其中：

所述的绝缘衬底8为石英、玻璃的绝缘材料制备，其厚度为0.1～2毫米；

所述的弹簧固定支座4为通过电镀镍或铜形成的方形结构，其长度为80～200微米、宽度为40～120微米、厚度为50～300微米；

所述的固定电极5为通过电镀金属镍或铜形成的长方体结构，其长度为800～1600微米、宽度为200～800微米、厚度50～500微米；

所述的反向限位阻挡块7为通过电镀金属镍或铜形成的柱状结构，其长度为80～200微米、宽度为40～120微米。

本实施例中，所述的反向限位阻挡块7在接近质量块1的一端设有倾斜面，以降低其刚度，倾斜面的倾斜角度为30～60度。

如图6所示，一优选实施例中，为U形弹簧的结构示意图，所述的U形弹簧3为通过电镀金属镍或铜形成的多匝结构，其线宽为5～50微米、厚度为4～50微米，拐角处半圆的内径为50～200微米。

本实施例中，所述的U形弹簧3相对于以往单一弹簧或悬臂梁分布在质量块1周围的设计，其优点在于在受到外界加速度作用后，悬空U形弹簧3和质量块1以及双阶梯形移动柔性电极6的运动能够保持一致性、协调性，有利于接触的稳定可靠。

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

1.一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，其特征在于，包括：质量块、限位套筒、U形弹簧、弹簧固定支座、固定电极、双阶梯形移动柔性电极、反向限位阻挡块和绝缘衬底，其中：所述的质量块与四组所述U形弹簧相连，并被所述弹簧固定支座悬空在所述绝缘衬底的上方、所述限位套筒的下方，且所述质量块与限位套筒之间有间隙；所述限位套筒固定于所述绝缘衬底上；所述双阶梯形移动柔性电极与所述质量块相连，位于所述绝缘衬底的上方，两者之间存在间隙；四个所述弹簧固定支座、所述固定电极、所述反向限位阻挡块均固定在所述绝缘衬底上，并位于所述质量块的四周；

所述的限位套筒为通过电镀金属镍或铜形成的一层或多层结构，包括带有一系列孔洞的悬空梁以及左右支撑柱，其中：

所述悬空梁为长方体结构，悬空梁的长为1300～2600微米、宽度为500～1000微米、高度为20～50微米；在所述悬空梁上设置有一系列的方形阵列孔以便于最后的释放，孔的长度为30～80微米、个数为20～40个；

悬空梁的下表面与左右支撑柱的上表面相连；

当外界的加速度沿敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，所述质量块将带动所述双阶梯性柔性电极运动，并接触到所述固定电极，从而实现对外电路的接通；当外界的加速度沿任意非敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，所述质量块将沿其所对应的非敏感方向运动，然后与所述限位套筒或所述反向限位阻挡块发生碰撞，所述限位套筒或所述反向限位阻挡块约束了所述质量块的随意运动，避免所述U形弹簧大变形和应力集中，保证了器件整体的稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述的质量块为通过多次叠层电镀金属镍或铜形成的方形结构，质量块的边长为1000～2000微米、高50～500微米；在所述的质量块上设有一系列的方形孔以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层，方形孔的边长为50～500微米，个数为2～6个；在所述的质量块四个角处配合相应的斜截接触面，斜截接触面的角度为30～60度，以利于与U形弹簧的连接。

3.根据权利要求1所述的一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述的双阶梯形移动柔性电极为通过电镀金属镍或铜形成的一层或多层悬臂结构。

4.根据权利要求1所述的一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述的双阶梯形移动柔性电极采用阶跃式悬空结构，所述双阶梯形移动柔性电极的总长度为300～1000微米、宽度为50～200微米、厚度50～500微米。

5.根据权利要求1所述的一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述的固定电极为通过电镀金属镍或铜形成的长方体结构，固定电极的长度为800～1600微米、宽度为200～800微米、厚度为50～500微米。

6.根据权利要求1所述的一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述的U形弹簧为通过电镀金属镍或铜形成的多匝结构，U形弹簧的线宽为5～50微米、厚度为4～50微米，U形弹簧的拐角处半圆内径为50～200微米。

7.根据权利要求1所述的一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述的反向限位阻挡块为通过电镀金属镍或铜形成的柱状结构，反向限位阻挡块的长度为80～200微米、宽度为40～120微米；并在反向限位阻挡块接近质量块的一端设有倾斜面，倾斜面的倾斜角度为30～60度，以降低其刚度。

8.根据权利要求1所述的一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述的绝缘衬底为石英或玻璃衬底，绝缘衬底的厚度为0.1～2毫米。

9.根据权利要求1所述的一种紧约束型水平敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述的弹簧固定支座为通过电镀镍或铜金属形成的方形结构，弹簧固定支座的长度为80～200微米、宽度为40～120微米、厚度为50～300微米。