CN106024507A - 一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，包括绝缘衬底、阵列式固定电极、吸合电极、质量块、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、反向限位阻挡结构，阵列式固定电极由图形阵列通过布局连线构成，与吸合电极通过空气间隙相互绝缘，并位于绝缘衬底上；质量块与四组连体蛇形弹簧相连，通过弹簧固定支座形成悬空可动结构，位于固定电极与吸合电极所在平面上方，反向限位阻挡结构悬空位于质量块的上方。本发明采用固定电极阵列，平面内多点布局大大增加了固定电极与质量块导通可能性；吸合电极与质量块之间存在静电吸合作用，可任意延长接触时间，提升了接触性能；反向限位阻挡结构有效抑制质量块在非敏感方向的大幅度变形，提升器件稳定性。

Description

一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关

技术领域

发明涉及的是一种微机电系统技术领域的器件，具体的是一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关。

背景技术

作为一种无源器件，MEMS惯性开关具有无能耗、体积小、集成度高等特点。基于传统工艺设计制造的MEMS惯性开关，当受到施加于敏感方向的超过阈值的外界加速度时，移动电极与固定电极之间刚性接触，接触时间短，无法有效的采集惯性开关的瞬间导通变化，应用范围也受到了很大的限制；同时，由于加工制造过程中，自身加工条件的限制，移动电极的表面很难到达到很好的平整度，这将会影响移动电极与固定电极的碰撞接触导通过程。基于微细加工工艺制备的MEMS惯性开关具有阈值一致性好、制造成本低等特点，已成为目前惯性开关制造的主流。

北京大学的Z.Y.Guo等于2010年在《An acceleration switch with a robustlatching mechanism and cylindrical contacts》中提出了一种利用锁扣结构来延长接触时间的惯性开关的设计方法，在该作者的初始设计中质量块作为可动电极与固定电极通过机械式锁定结构闭合，保持接触状态。分析认为，这种强行的锁扣机制虽然能在开关闭合之后保持接触，但是需要非常大的过载加速度来促使可动电极强力越过固定电极的阻挡，因此器件的工作过程本身对器件就有一定的破坏力。因此，该作者对此类开关做了改进设计，将两电极独立设计，可动质量块不再作为电极而是作为感应加速度的功能结构，通过质量块的惯性力驱动可动电极与固定电极接触，并将固定电极设计为可变形弹簧，意在将刚性接触改为柔性接触并降低锁扣结构的刚度。同样，采用这样的设计需要在一定的过载加速度作用之下才能实现可动电极与固定电极的闭合，对于设计阈值较低的惯性开关而言，很明显，这样的设计方案满足不了设计阈值较低的惯性开关的精度要求。采用锁扣结构的设计方案结构复杂，加工制作过程也较为复杂，并且，在闭合锁定之后难以释放，不能重复使用。

日本中北大学的Tadao Matsunaga等人于2002年在《Acceleration switch withextended holding time using squeeze film effect for side airbag systems》中提出了一种利用压膜阻尼效应在惯性开关接触之后实现接触时间延长的惯性开关。该设计由内外相连的质量块组成可动电极，外环多孔质量块作为产生压膜阻尼的功能组件，内部质量块作为可动电极的接触点。当可动电极在加速度作用下向固定电极移动时，可动电极中间的质量块与固定触点接触的时候，外部具有较大接触面的多孔质量块与底部形成压膜阻尼系统，两个接触面之间的阻尼吸附作用保持了可动接触点与固定接触点之间的持续接触。但是，如此设计的惯性开关由于需要较大的接触面来产生压膜阻尼，所以质量块的设计尺寸较大，不利于降低惯性开关的设计尺寸；其次，由于惯性开关的接触时间受到多种因素影响，特别是对于高阈值的惯性开关而言，阻尼吸附力相对于可动电极的弹性回复力将会变得很弱，则需要考虑采用更大的阻尼吸附作用才能达到延长接触时间的效果。

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

针对现有技术存在的上述不足/之一，该开关基于微细加工工艺，本发明的目的在于提供一种接触时间长、抗干扰能力和过载能力强的静电锁定垂直方向敏感的微机械惯性开关，工艺过程比较简单和便捷。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，包括：质量块、反向限位阻挡结构、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、阵列式固定电极、吸合电极、绝缘衬底，其中：质量块与连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空在阵列式固定电极与吸合电极所在平面的上方、反向限位阻挡结构的下方，且质量块与反向限位阻挡结构之间存在间隙，连体蛇形弹簧使质量块处于悬空状态，且在施加外界加速度时，为质量块提供恢复力；弹簧固定支座固定于绝缘衬底上，并位于质量块的四周，且与连体蛇形弹簧相连，对质量块、连体蛇形弹簧结构起支撑作用；反向限位阻挡结构固定于绝缘衬底上；阵列式固定电极与吸合电极均固定于绝缘衬底上，且阵列式固定电极与吸合电极之间相互绝缘；

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，质量块将向阵列式固定电极方向运动，同时质量块与吸合电极间的静电力增大，当静电力起主要作用时，质量块向下运动并接触到阵列式固定电极，从而实现对外电路的导通；当外界的加速度沿非敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，反向限位阻挡限制结构能够有效抑制质量块在非敏感方向的大幅度变形，从而提升所述微机械惯性开关的稳定性。

优选地，所述质量块为通过多次叠层电镀金属形成的方形结构或圆形结构；

在所述质量块上设有一系列的圆形孔或多边形孔以便于制备工艺最后的释放，即去除牺牲层和种子层。

更优选地，所述质量块的四个侧面分别与一个连体蛇形弹簧相连接，且质量块的每个侧面与连体蛇形弹簧有两个接触点，以便更好地实现质量块的平衡。

更优选地，方形结构的质量块边长为1000～3000微米、高为40～500微米。

更优选地，圆形结构的质量块半径为500～2000微米、高为40～500微米。

更优选地，质量块上圆形孔的直径为40～500微米、个数为1～4个。

更优选地，质量块上多边形孔的面积为5000～62800平方微米、个数为1～4个。

优选地，所述吸合电极为通过电镀金属形成的方形结构，在吸合电极的内部包含着一系列阵列式排列的固定电极；

或者，所述吸合电极为通过电镀金属形成的圆形结构或除方形外的多边形结构。

更优选地，方形结构的吸合电极的边长为1000～3000微米、高为5～200微米。

更优选地，圆形结构的吸合电极，半径为500～2000微米，高为5～200微米；

更优选地，多边形结构的吸合电极，面积为5000～62800平方微米，高为5～200微米。

优选地，所述阵列式固定电极为通过多次叠层电镀金属形成的阵列式排列圆柱结构，且圆柱结构的阵列式固定电极之间相互连通；

或者，所述阵列式固定电极为通过多次叠层电镀金属形成的阵列式排列多边体结构。

更优选地，圆柱结构的阵列式固定电极的直径为10～200微米、高为6～210微米，个数为4～35个。

更优选地，多边形结构的面积为300～130000平方微米、高为6～210微米，个数为4～35个。

优选地，所述连体蛇形弹簧为通过电镀金属形成的多匝结构。

更优选地，所述连体蛇形弹簧的线宽为5～80微米、厚度为5～80微米；所述连体蛇形弹簧的拐角处半圆内径为10～200微米。

优选地，所述反向限位阻挡结构为通过电镀金属形成的带有一系列孔洞的圆形结构或多边形结构，以及四个带有一系列孔洞的悬臂梁和四个支撑柱，其中：

在所述圆形结构上设置有一系列的圆形孔洞或多边形孔洞以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层；

所述悬臂梁为长方体结构，在所述悬臂梁上设置有一系列的方形阵列孔或圆形阵列孔以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层；

所述四个支撑柱由方形柱或圆形柱组成。

更优选地，所述圆形结构的反向限位阻挡结构的直径为800～3000微米、厚度为20～50微米；多边形结构的面积为2～30平方毫米、厚度为20～50微米。

更优选地，圆形结构上的圆形孔洞的直径为100～1000微米，厚度为20～50微米；多边形孔洞的面积为30000～3200000平方微米，厚度为20～50微米。

更优选地，悬臂梁的长为500～2000微米、宽度为200～800微米、厚度为20～50微米。

更优选地，所述悬臂梁上的方形阵列孔的长度为50～250微米、宽度为25～125微米、厚度为20～50微米、个数为20～50个；所述悬臂梁上的圆形阵列孔的半径为15～150微米、厚度为20～50微米、个数为20～50个。

更优选地，方形柱的长度为80～200微米、宽度为40～120微米、厚度为90～1000微米；圆形柱的半径为30～100微米、厚度为90～1000微米。

本发明以上结构、形状涉及以及各尺寸的选取范围，能在制备过程中，工艺简单，既保证了器件的微型化，又不失其敏感性和稳定性，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，以及移动电极与固定电极接触不良等问题，采用一种带有吸合电极和阵列式排列的圆柱形固定电极的惯性开关新结构，移动电极与吸合电极之间存在的静电力能够保持移动电极与固定电极的接触，从而大大延长接触时间，提升了接触性能；

同时，本发明采用一种阵列式排列的圆柱形固定电极，通过阵列式布局，可以减少对有效吸合面积的影响，同时可以避免由于加工工艺本身限制所带来的移动电极表面平整度不好而不能有效导通的影响。从而，有效的实现移动电极与固定电极之间的导通，提高了惯性开关的导通性能。

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为本发明一实施例的整体结构示意图；

图2为本发明一实施例的质量块与连体蛇形弹簧的结构示意图；

图3为本发明一实施例的固定电极与吸合电极的结构示意图；

图4为本发明一实施例的反向限位阻挡结构的结构示意图；

图5为本发明一实施例的绝缘衬底、弹簧固定支座、固定电极以及吸合电极的结构示意图；

图6为本发明一实施例的连体蛇形弹簧的结构示意图；

图中：质量块1、反向限位阻挡结构2、连体蛇形弹簧3、弹簧固定支座4、固定电极5、吸合电极6、绝缘衬底7。

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。

如图1-图6所示，一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，包括：质量块1、反向限位阻挡结构2、四组连体蛇形弹簧3、四个弹簧固定支座4、固定电极5、吸合电极6和绝缘衬底7，其中：

质量块1与四组连体蛇形弹簧3相连，并被四个弹簧固定支座4悬空在固定电极5与吸合电极6的上方、反向限位阻挡结构2的下方，且质量块1与反向限位阻挡结构2之间存在间隙；反向限位阻挡结构2固定于绝缘衬底7上；固定电极5与吸合电极6均固定于绝缘衬底7上，且固定电极5与吸合电极6之间相互绝缘；四个弹簧固定支座4均固定于绝缘衬底7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所述开关时，质量块1向固定电极5方向运动，同时质量块1与吸合电极6间的静电力增大，当静电力起主要作用时，质量块1向下运动并接触到固定电极5，从而实现对外电路的导通；当外界的加速度沿非敏感方向作用于所述开关时，反向限位阻挡结构2能够有效抑制质量块1在非敏感方向的大幅度变形，从而提升所述微机械惯性开关的稳定性。

本发明惯性开关能够感知垂直方向的冲击，当施加的外界加速度超过惯性开关的阈值时，惯性开关的移动电极与固定电极接触，而且移动电极与吸合电极之间存在的静电力能够保持移动电极与固定电极的接触，从而大大延长接触时间，使外部电路能够有效采集惯性开关导通的信号，并且实现有效触发；同时，固定电极通过阵列式布局可以减少对有效吸合面积的影响，避免由于加工工艺本身限制所带来的移动电极表面平整度不好而不能有效导通的影响，从而有效实现移动电极与固定电极之间的导通，提高惯性开关的导通性能。

如图2所示，为一实施例所述质量块1与连体蛇形弹簧3的结构示意图；所述质量块1的四个侧面分别与一组连体蛇形弹簧3相连接，且质量块1的每个侧面与连体蛇形弹簧3有两个接触点，以便更好地实现质量块1的平衡。

一优选实施例中，所述质量块1为通过多次叠层电镀金属镍或铜形成的方形结构；所述质量块1的边长为1000～3000微米、高为40～500微米。

一优选实施例中，在所述质量块1上挖出一系列的圆形孔以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层；所述圆形孔的直径为40～500微米、个数为1～4个。

如图3所示，为本实施例所述固定电极5与吸合电极6的结构示意图；在所述吸合电极6的内部包含着一系列阵列式排布的固定电极5，且固定电极5之间相互连通；其中：

所述吸合电极6为通过电镀金属镍或铜形成的方形结构，方形结构的吸合电极6的边长为1000～3000微米、高为5～200微米；

所述固定电极5为通过多次叠层电镀金属镍或铜形成的阵列式排列圆柱结构，圆柱结构的固定电极5的直径为10～200微米、高为6～210微米，个数为4～35个。

本实施例中，阵列式排布的所述固定电极5能够减少工艺过程造成的表面不平整的影响，增加固定电极5与质量块1导通的可能性，增大了器件的成品率。

如图4所示，为所述反向限位阻挡结构2的结构示意图；所述反向限位阻挡结构2为通过电镀镍或铜形成的带有一系列圆形孔洞的圆形结构，以及四个带有一系列孔洞的悬臂梁和四个支撑柱；其中：

所述圆形结构的直径为800～3000微米、厚度为20～50微米；

所述悬臂梁为长方体结构，悬臂梁的长为500～2000微米、宽度为200～800微米、厚度为20～50微米；

所述四个支撑柱由方形柱组成，方形柱的长度为80～200微米、宽度为40～120微米、厚度为90～1000微米。

一优选实施例中，在所述反向限位阻挡结构2的圆形结构上设置一系列的圆形孔洞以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层；圆形孔洞的直径为100～1000微米、厚度为20～50微米。

一优选实施例中，在所述反向限位阻挡结构2的悬臂梁上设置有一系列的方形阵列孔以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层；方形阵列孔的长度为50～250微米、宽度为25～125微米，个数为20～50个。

如图5所示，为本实施例所述绝缘衬底7、弹簧固定支座4、固定电极5以及吸合电极6的结构示意图，在绝缘衬底7上方分别固定有弹簧固定支座4、固定电极5以及吸合电极6；其中：

所述绝缘衬底7由石英或者玻璃的绝缘材料制备，厚度为0.1～2毫米；

所述弹簧固定支座4为通过电镀镍或铜金属形成的方形结构，弹簧固定支座4的长度为80～200微米、宽度为40～120微米、厚度为50～400微米。

如图6所示，本实施例所述体蛇形弹簧3为通过电镀金属形成的多匝结构；连体蛇形弹簧3的线宽为5～80微米、厚度为5～80微米；连体蛇形弹簧3的拐角处半圆内径为10～200微米。

本实施例中，所述连体蛇形弹簧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，悬空连体蛇形弹簧3和质量块1以及吸合电极6的运动能够保持一致性、协调性，有利于接触的稳定可靠。

本实施例上述部件各尺寸的选取，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。

本实施例以微细加工工艺技术为基础，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。本实施例在外界的施加于敏感方向的加速度的作用下，与连体蛇形弹簧相连接的质量块，将向阵列式固定电极方向运动，在静电力作用下，继续向阵列式固定电极方向运动，从而接触到与其有一定间距的阵列式固定电极；当加速度大于惯性开关的阈值时，在质量块与吸合电极之间的静电力作用下，质量块与阵列式固定电极保持接触状态，大大延长了与固阵列式定电极的接触时间，随后，去除施加在吸合电极上的电压，质量块在连体蛇形弹簧的恢复力作用下，恢复到平衡位置，最终实现对外电路的开关作用。

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 (13)

1.一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，包括：质量块、反向限位阻挡结构、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、阵列式固定电极、吸合电极、绝缘衬底，其中：质量块与连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空在阵列式固定电极与吸合电极所在平面的上方、反向限位阻挡结构的下方，且质量块与反向限位阻挡结构之间存在间隙，连体蛇形弹簧使质量块处于悬空状态，且在施加外界加速度时，为质量块提供恢复力；弹簧固定支座固定于绝缘衬底上，并位于质量块的四周，且与连体蛇形弹簧相连，对质量块、连体蛇形弹簧结构起支撑作用；反向限位阻挡结构固定于绝缘衬底上；阵列式固定电极与吸合电极均固定于绝缘衬底上，且阵列式固定电极与吸合电极之间相互绝缘；

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，质量块将向阵列式固定电极方向运动，同时质量块与吸合电极间的静电力增大，当静电力起主要作用时，质量块向下运动并接触到阵列式固定电极，从而实现对外电路的导通；当外界的加速度沿非敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，反向限位阻挡限制结构能够有效抑制质量块在非敏感方向的大幅度变形，从而提升所述微机械惯性开关的稳定性。

2.根据权利要求1所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述质量块为通过多次叠层电镀金属形成的方形结构或圆形结构；

在所述质量块上设有一系列的圆形孔或多边形孔以便于制备工艺最后的释放，即去除牺牲层和种子层；

所述质量块的四个侧面分别与一个连体蛇形弹簧相连接，且质量块的每个侧面与连体蛇形弹簧有两个接触点，以便更好地实现质量块的平衡。

3.根据权利要求2所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，方形结构的质量块，边长为1000～3000微米、高为40～500微米；

圆形结构的质量块，半径为500～2000微米、高为40～500微米；

质量块上圆形孔的直径为40～500微米、个数为1～4个；

质量块上多边形孔的面积为5000～62800平方微米、个数为1～4个。

4.根据权利要求1所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述吸合电极为通过电镀金属形成的方形结构，在吸合电极的内部包含着一系列阵列式排列的固定电极；

或者，所述吸合电极为通过电镀金属形成的圆形结构或除方形外的多边形结构。

5.根据权利要求4所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，方形结构的吸合电极的边长为1000～3000微米、高为5～200微米；

圆形结构的吸合电极，半径为500～2000微米，高为5～200微米；

多边形结构的吸合电极，面积为5000～62800平方微米，高为5～200微米。

6.根据权利要求1所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述阵列式固定电极为通过多次叠层电镀金属形成的阵列式排列圆柱结构，且圆柱结构的阵列式固定电极之间相互连通；

或者，所述阵列式固定电极为通过多次叠层电镀金属形成的阵列式排列多边体结构。

7.根据权利要求6所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，圆柱结构的阵列式固定电极的直径为10～200微米、高为6～210微米，个数为4～35个；

多边形结构的面积为300～130000平方微米、高为6～210微米，个数为4～35个。

8.根据权利要求1所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述连体蛇形弹簧为通过电镀金属形成的多匝结构；

所述连体蛇形弹簧的线宽为5～80微米、厚度为5～80微米；

所述连体蛇形弹簧的拐角处半圆内径为10～200微米。

9.根据权利要求1所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述反向限位阻挡结构为通过电镀金属形成的带有一系列孔洞的圆形结构或多边形结构，以及四个带有一系列孔洞的悬臂梁和四个支撑柱，其中：

在所述圆形结构上设置有一系列的圆形孔洞或多边形孔洞以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层；

所述悬臂梁为长方体结构，在所述悬臂梁上设置有一系列的方形阵列孔或圆形阵列孔以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层；

所述四个支撑柱由方形柱或圆形柱组成。

10.根据权利要求9所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述圆形结构的反向限位阻挡结构的直径为800～3000微米、厚度为20～50微米；多边形结构的面积为2～30平方毫米、厚度为20～50微米；

圆形结构上的圆形孔洞的直径为100～1000微米，厚度为20～50微米；多边形孔洞的面积为30000～3200000平方微米，厚度为20～50微米；

悬臂梁的长为500～2000微米、宽度为200～800微米、厚度为20～50微米；

所述悬臂梁上的方形阵列孔的长度为50～250微米、宽度为25～125微米、厚度为20～50微米、个数为20～50个；所述悬臂梁上的圆形阵列孔的半径为15～150微米、厚度为20～50微米、个数为20～50个；

方形柱的长度为80～200微米、宽度为40～120微米、厚度为90～1000微米；圆形柱的半径为30～100微米、厚度为90～1000微米。

11.根据权利要求1所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述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。

12.根据权利要求1所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述弹簧固定支座为通过电镀金属形成的方形结构；

或者，所述弹簧固定支座为通过电镀金属形成的圆形结构。

13.根据权利要求12所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，方形结构的弹簧固定支座的长度为80～200微米、宽度为40～120微米、厚度为50～400微米；

圆形结构的方形结构的半径为30～100微米、厚度为50～400微米。