CN105244224A - 一种低g值微机械加速度锁存开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低g值微机械加速度锁存开关，包括一绝缘衬底，一检测质量块，多个相对于绝缘衬底X轴和Y轴均对称分布的锚点、触头、触头支撑梁、检测质量块支撑梁及过载保护结构。本发明所述微机械开关的动触头采用半球形与楔形复合结构，与侧触头形成线接触，降低运动过程中的能量损失，与感应触头形成面接触，减小接触电阻，提高接触的可靠性；检测质量块、扰性梁、触头以及锚点呈完全轴对称分布，可实现±Y方向的双向锁存；检测质量块支撑梁对称分布于检测质量块的两侧，结构布局更合理，易于实现低g值锁存，且通过调整检测质量块、扰性梁以及各触头之间的间隙，可方便调整闭锁阈值，阈值范围更广。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种低g值微机械加速度锁存开关。
背景技术
随着MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)技术的发展，以MEMS技术为基础的微型加速度开关由于具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、隔离度高、抗电磁干扰等显著优点，在汽车安全气囊、运输过程监控、冲击记录、引信安全保险机构等领域有着广泛且重要的应用需求。而应用环境的广泛性与复杂性又对微型加速度开关提出了高可靠、高稳定、高性能的要求。传统的碰撞式开关虽能提供瞬时的导通信号，但开关接触时间短，接触不稳定，很容易受外界环境的干扰，大大限制了其应用范围。微机械锁存开关可提供永久的闭合信号，但质量块在运动过程中需要克服较大的外力来实现锁存，一般阈值高达几千g，难以满足低加速度环境下的使用要求。如北京大学郭中洋等人研制的微机械锁存开关(AHigh-GAccelerationLatchingSwitchWithIntegratedNormally-Open/ClosePathsIndependenttotheProof-mass，IEEESENSORS，2010，Conference)，闭合阈值达5000g，且由于结构设计的限制，折叠梁占据了较大的空间，使得该结构不适用于低g值锁存开关。微机械锁存开关中遇到的另一个问题是接触电阻大，且触点容易受外界冲击或振动的影响，接触可靠性低。因此，如何设计低g值、高可靠性的微机械加速度锁存开关，是目前迫切需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低g值微机械加速度锁存开关，所述微机械加速度锁存开关结构简单、接触可靠、闭合阈值低。
本发明采取如下技术方案达到所述目的：
1、一种低g值微机械加速度锁存开关，包括一绝缘衬底，一检测质量块，多个相对于绝缘衬底X轴和Y轴均对称分布的锚点、触头、触头支撑梁以及过载保护结构，四根相对于绝缘衬底X轴和Y轴对称分布的检测质量块支撑梁；各锚点固定在绝缘衬底上；
所述检测质量块悬空于绝缘衬底上方并通过检测质量块支撑梁与锚点相连，固定在绝缘衬底上，检测质量块上设置有微孔，并在正对绝缘衬底一侧设置有质量块微柱；
所述触头包括四个动触头，四个侧触头和四个感应触头；所述动触头与检测质量块连为一体，侧触头和感应触头位于动触头两侧；所述动触头与侧触头接触的一面为球面形状，与感应触头接触的一面为平面形状；
所述触头支撑梁包括四根感应触头支撑梁和四根侧触头支撑梁，一端与锚点相连固定于绝缘衬底上，另一端分别与相应触头相连；
所述检测质量块支撑梁对称分布于检测质量块两侧，一端固定于锚点，另一端与检测质量块相连；
所述过载保护结构为固定于绝缘衬底上的水平方向过载保护结构，位于侧触头支撑梁和检测质量块之间，对称分布于检测质量块两侧，并与检测质量块之间有一定距离。
优选的，所述绝缘衬底为7740玻璃、SiO2或高阻硅，厚度为300-500μm。
优选的，所述检测质量块为长方形单晶硅结构，长500-3000μm，宽500-3000μm，厚50-450μm。
优选的，所述质量块微孔为等间距分布在检测质量块上的边长10-50μm的正方形微孔；所述质量块微柱为长500-3000μm，宽10-50μm，高5-50μm的条形微柱。
优选的，所述动触头为复合结构，与侧触头接触部分为1/4球面结构，球半径为10-100μm，与感应触头接触部分为斜面结构；动触头与感应触头距离10-100μm，与侧触头距离10-50μm。
优选的，所述触头支撑梁均为一端固定的悬臂梁，梁长500-1500μm，梁宽5-50μm。
优选的，所述检测质量块支撑梁为一折或多折折叠梁，梁厚为10-50μm；长梁长500-1500μm，梁宽5-50μm；连接长梁间的短梁长10-100μm，梁宽10-50μm。
优选的，所述过载保护结构为长方体结构，与检测质量块距离5-50μm。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述微机械锁存开关的动触头为半球形与楔形复合结构，与侧触头形成线接触，降低运动过程中的能量损失；与感应触头形成面接触，减小了接触电阻，提高接触的可靠性；
2.本发明所述微机械开关的检测质量块、扰性梁、触头以及锚点呈完全轴对称分布，可实现±Y方向的双向锁存，且同一敏感方向上设置有对称的两个触头，抗干扰能力强；
3.本发明中检测质量块支撑梁对称分布于检测质量块的两侧，结构布局更合理，易于实现低g值锁存；另外，通过调整检测质量块，扰性梁以及各触头之间的间隙，可方便调整闭锁阈值，阈值范围更广，控制更精确；
4.本发明中的侧触头、感应触头均采用弹性梁支撑，在接触过程中始终保持弹性接触，可有效缓解振动或冲击的影响，接触稳定可靠；
5.本发明在检测质量块与侧触头之间设置有过载保护结构，防止检测质量块在非敏感方向受到冲击而产生横向位移，进一步提高了开关的可靠性；
6.本发明在检测质量块上设置有微孔，正对绝缘衬底一侧设置有质量块微柱，一方面有利于结构释放，同时实现了竖直方向的过载保护，底部的质量块微柱还可以补偿微孔损失的检测质量块质量，可在一定程度上减小器件体积；
本发明结构简单、接触可靠，可广泛应用在微机电系统领域。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
图1为本发明低g值微机械加速度锁存开关结构示意图；
图2为本发明微机械加速度锁存开关的剖面示意图；
图3为本发明微机械加速度锁存开关未受到冲击时各触头的状态示意图；
图4为本发明微机械加速度锁存开关接触过程中各触头的状态示意图；
图5为本发明微机械加速度锁存开关各触头的锁存状态示意图。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
其中，各附图标记代表的部件如下：1-绝缘衬底；2-锚点；3-检测质量块；4-检测质量块支撑梁；5-过载保护结构；6-侧触头；7-感应触头；8-动触头；9-感应触头支撑梁；10-侧触头支撑梁；11-质量块微孔；12-质量块微柱；13-检测质量块支撑梁长梁；14-检测质量块支撑梁短梁。
本发明所述微机械加速度开关包括绝缘衬底、锚点、触头、扰性梁(触头支撑梁和检测质量块支撑梁)、检测质量块以及过载保护结构。
如图1所示，定义绝缘衬底1水平方向为X轴，竖直方向为Y轴。
如图1和2所示，本发明包括一绝缘衬底1，检测质量块3，多个固定于绝缘衬底的锚点2、侧触头6、感应触头7、动触头8、检测质量块支撑梁4、过载保护结构5、感应触头支撑梁9、侧触头支撑梁10。所述检测质量块3、锚点2、过载保护结构5、侧触头6、感应触头7、动触头8、检测质量块支撑梁4、感应触头支撑梁9、侧触头支撑梁10均相对于绝缘衬底1的X轴和Y轴对称分布，进而实现±Y两个方向的锁存，另外，对称结构也提高了开关的抗干扰能力。
所述触头包括四个侧触头6、四个感应触头7和四个动触头8，所述动触头8与检测质量块3连为一体，为复合结构，所述侧触头6和感应触头7位于动触头8两侧，无加速度作用时，侧触头6、感应触头7和动触头8之间互相分离，当加速度大于或等于锁存阈值时，动触头8与侧触头6接触，并推动侧触头6向外侧打开，直至动触头8完全越过侧触头6，与感应触头7接触，电路导通，同时侧触头6在其支撑梁的作用下复位，并阻止动触头8的反向移动。动触头8与侧触头6接触的一面为球面形状，与感应触头7接触的一面为平面形状，球面形状保证了动触头8与侧触头6的接触为线接触，以减小运动过程中的能量损失；而平面形状则保证动触头8与感应触头7的接触为面接触，增大了两者的接触面积，减小了接触电阻。侧触头6和感应触头7还可以是其它形状，只要能保证与动触头8的接触分别为线接触和面接触即可。
如图1所示，所述扰性梁包括四根检测质量块支撑梁4，四根感应触头支撑梁9以及四根侧触头支撑梁10。检测质量块支撑梁4对称分布于检测质量块两侧，一端固定于锚点2，实现与绝缘衬底1相连；另一端与检测质量块3相连。所述侧触头支撑梁10和感应触头支撑梁9为一端固定悬臂梁，一端与锚点2相连，另一端分别与相应触头相连。
所述检测质量块3悬空于绝缘衬底1上方并通过检测质量块支撑梁4固定在绝缘衬底1上，检测质量块3上设置有微孔11，并在正对绝缘衬底一侧设置有质量块微柱12(质量块的一部分)。质量块微孔的设置有利于结构释放，同时避免检测质量块与绝缘衬底的粘连。质量块微柱一方面可以补偿质量块微孔损失的检测质量块质量，另一方面还可以实现竖直方向的过载保护。
所述过载保护结构5为固定于绝缘衬底1上的水平方向过载保护结构，位于侧触头支撑梁10和检测质量块3之间，X轴和Y轴对称分布于检测质量块3两侧，优选为长方体结构，与检测质量块距离5-50μm，优选50μm。
上述实施例中，所述绝缘衬底为7740玻璃、SiO2或高阻硅，厚度为300-500μm，优选厚度为500μm。
上述实施例中，所述动触头8为复合结构，与侧触头6接触部分为1/4球面结构，球半径为10-100μm，更优选球半径为20μm，与感应触头7接触部分为斜面结构；动触头与感应触头距离10-100μm(更优选10μm)，与侧触头距离10-50μm(更优选30μm)。
上述实施例中，所述侧触头支撑梁10和感应触头支撑梁9的梁长500-1500μm，梁宽5-50μm；更优选梁长可以是1000μm，梁宽可以是10μm。
上述实施例中，所述检测质量块支撑梁4为一折或多折折叠梁，梁厚为10-50μm；长梁13长500-1500μm，梁宽5-50μm；连接长梁间的短梁14长10-100μm，梁宽10-50μm。更优选的，检测质量块支撑梁4可以为五折折叠梁，其长梁13长1450μm，梁宽15μm，连接长梁间的短梁14长60μm，梁宽20μm，为了便于加工，梁厚可以与检测质量块3厚度相同。
上述实施例中，所述检测质量块3可以为长方形单晶硅结构，长500-3000μm，宽500-3000μm，厚50-450μm，更优选长3000μm，宽2000μm，厚50μm；所述质量块微孔11为等间距分布在检测质量块3上的边长10-50μm的正方形微孔，更优选为边长40μm；所述质量块微柱12为长500-3000μm，宽10-50μm，高5-50μm的条形微柱，更优选为长2000μm，宽40μm的条形微柱。
本发明的工作情况如下：
检测质量块3敏感±Y两个方向的加速度。如图3所示，在没有外来施力触发检测质量块3产生加速度的情况下，侧触头6、感应触头7和动触头8之间是相互分离的。
如图4和5所示，当有加速度作用于敏感方向时，检测质量块3带动动触头8运动，若所述加速度小于锁存阈值，动触头8与感应触头7不接触，电路处于断开状态；当加速度大于或等于锁存阈值时，动触头8与侧触头6接触，并推动侧触头6向外侧打开，直至动触头8完全越过侧触头6，与感应触头7接触，电路导通。此时，侧触头6在其支撑梁的作用下复位，并阻止动触头8的反向移动，从而实现锁存。当开关受到水平方向的激励过大时，检测质量块3被迫与过载保护结构5接触，限制其在水平方向的位移，避免结构的损坏；当开关受到竖直方向的冲击过大时，检测质量块3上的质量块微柱12起到竖直方向的过载保护作用。
所述微机械加速度锁存开关的阈值范围广，可从十几g到几千g，通过调整检测质量块、检测质量块支撑梁、触头、触头支撑梁以及各触头间的初始间距实现。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种低g值微机械加速度锁存开关，其特征在于，包括一绝缘衬底，一检测质量块，多个相对于绝缘衬底X轴和Y轴均对称分布的锚点、触头、触头支撑梁以及过载保护结构，四根相对于绝缘衬底X轴和Y轴对称分布的检测质量块支撑梁；各锚点固定在绝缘衬底上；
所述检测质量块悬空于绝缘衬底上方并通过检测质量块支撑梁与锚点相连，固定在绝缘衬底上，检测质量块上设置有微孔，并在正对绝缘衬底一侧设置有质量块微柱；
所述触头包括四个动触头，四个侧触头和四个感应触头；所述动触头与检测质量块连为一体，侧触头和感应触头位于动触头两侧；所述动触头与侧触头接触的一面为球面形状，与感应触头接触的一面为平面形状；
所述触头支撑梁包括四根感应触头支撑梁和四根侧触头支撑梁，一端与锚点相连固定于绝缘衬底上，另一端分别与相应触头相连；
所述检测质量块支撑梁对称分布于检测质量块两侧，一端固定于锚点，另一端与检测质量块相连；
所述过载保护结构为固定于绝缘衬底上的水平方向过载保护结构，位于侧触头支撑梁和检测质量块之间，对称分布于检测质量块两侧，并与检测质量块之间有一定距离。
2.根据权利要求1所述的一种低g值微机械加速度锁存开关，其特征在于，所述绝缘衬底为7740玻璃、SiO2或高阻硅，厚度为300-500μm。
3.根据权利要求1所述的一种低g值微机械加速度锁存开关，其特征在于，所述检测质量块为长方形单晶硅结构，长500-3000μm，宽500-3000μm，厚50-450μm。
4.根据权利要求3所述的一种低g值微机械加速度锁存开关，其特征在于，所述质量块微孔为等间距分布在检测质量块上的边长10-50μm的正方形微孔；所述质量块微柱为长500-3000μm，宽10-50μm，高5-50μm的条形微柱。
5.根据权利要求1所述的一种低g值微机械加速度锁存开关，其特征在于，所述动触头为复合结构，与侧触头接触部分为1/4球面结构，球半径为10-100μm，与感应触头接触部分为斜面结构；动触头与感应触头距离10-100μm，与侧触头距离10-50μm。
6.根据权利要求1所述的一种低g值微机械加速度锁存开关，其特征在于，所述触头支撑梁均为一端固定的悬臂梁，梁长500-1500μm，梁宽5-50μm。
7.根据权利要求1所述的一种低g值微机械加速度锁存开关，其特征在于，所述检测质量块支撑梁为一折或多折折叠梁，梁厚为10-50μm；长梁长500-1500μm，梁宽5-50μm；连接长梁间的短梁长10-100μm，梁宽10-50μm。
8.根据权利要求1所述的一种低g值微机械加速度锁存开关，其特征在于，所述过载保护结构为长方体结构，与检测质量块距离5-50μm。
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