CN106384692A - 一种z型梁结构的微惯性开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Z型梁结构的微惯性开关，所述微惯性开关是采用了MEMS技术加工的低g值微惯性开关芯片，主要由玻璃盖板、质量块‑弹簧梁硅结构、玻璃基底等几部分组成，弹簧梁结构为对称的Z型梁。在工作时，当敏感方向有过载作用时，Z型梁发生弹性变形，质量块向玻璃基底凹槽内的接触凸点运动，当过载达到一定阈值的时候，质量块上的金属电极与基底凹槽内任意相邻的两个接触凸点发生接触，微惯性开关导通。本发明的Z型梁结构的微惯性开关具有抗横向过载能力强、可生产性好、可靠性高等优点，适用于汽车与工业生产安全控制和航空航天等领域。

Description

一种Z型梁结构的微惯性开关

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种Z型梁结构的微惯性开关。

背景技术

低g值惯性开关敏感惯性加速度，并在惯性加速度达到设定阈值时开关状态改变，即常开触点导通或者常闭触点断开，可以用来触发控制电路，广泛运用于汽车安全控制、工业生产安全控制、飞行器飞行过程状态监测等领域。传统的机密机械惯性开关结构较复杂，通常由尺寸精度要求高的球、弹簧、针、螺钉等零件组装而成，所以尺寸较大、加工装配成本高、周期长，且容易发生机械失效。采用MEMS技术研制的低g值微惯性开关不需要加工多个零件后组装，而是采用微机械加工技术在硅片上通过光刻、腐蚀等工艺在同一硅片上加工出质量块和弹簧，惯性开关的运动间隙也由腐蚀加工而成，具有体积小、重量轻以及不需精密装配可批量生产等优点。

低g值微惯性开关结构上主要有两种，一种是质量块敏感方向在面内，一种是质量块敏感方向垂直硅片表面。第一种如2014年2月出版的《Microelectronic Engineering》第127期杂志中“Fabrication of a novel contact-enhanced horizontal sensitiveinertial micro-switch with electroplating nickel” (P21-27)一文中报道的电铸镍折叠梁结构微惯性开关，质量块厚60um、折叠梁厚15um的，开关动作阈值约18g，但由于开关触点与结构层材料均为镍，所以惯性开关导通电阻较大，另外采用折叠弹簧梁面内运动方向弹性系数难以做小，惯性开关的一阶谐振频率，振动环境中容易出现误动。第二种如中国2009年6月出版的《光学精密工程》第17卷第6期杂志中“Low-g micro inertia switchbased on Archimedes’s spiral”(P1257-1261)一文报道的一种基于阿基米德螺旋线的微惯性开关，开关动作阈值约21g，但由于采用单根阿基米德螺旋梁且厚度与质量块相同，触点接触为线接触，接触可靠性低，导通电阻大；中国2011年5月出版的《传感器技术学报》第24卷第5期杂志中“基于MEMS技术的低g值微惯性开关的设计与制作”一文中报道的一种基于矩形螺旋梁的微惯性开关，开关阈值约4.28g，但矩形螺旋梁应力较大且由于质量块四周均为梁结构，不能制作抗横向过载防护结构，矩形螺旋梁太长也会导致在较高过载下梁本身的惯性力不能忽略，在较强振动冲击下梁会由于自身惯性力作用而发生断裂，所以这种低g值惯性开关抗振动冲击能力较差。

为了适应某些运用背景下冲击环境的要求，有必要研制一种抗冲击过载能力强的低g值微惯性开关。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Z型梁结构的微惯性开关。

本发明的Z型梁结构的微惯性开关，其特点是，所述的微惯性开关包括盖板、结构层和基底，

所述盖板、结构层、基底由上至下通过键合连接，盖板和基底的材料为玻璃，结构层的材料为硅；

所述的结构层包括质量块、Z型梁和硅框，结构层的中心为圆柱形的质量块，结构层的内圈中空，结构层的外圈为矩形的硅框；所述的质量块的下表面中心覆盖有接触电极；在结构层的内圈中，每2个对称排列的Z型梁形成1组，多组Z型梁环绕质量块周向均匀分布，Z型梁的两端分别固定在质量块和硅框上，Z型梁将质量块支撑在硅框中心；

所述的盖板的下表面有与质量块对应的圆形凹槽I，圆形凹槽I约束质量块向上的运动位移，圆形凹槽I内覆盖有金属薄膜I；

所述的基底的上表面有与质量块对应的圆形凹槽II，圆形凹槽II约束质量块向下的运动位移，圆形凹槽II分布有开关电极I、开关电极II。

所述的金属薄膜I周向上凸出有窄金属条I，窄金属条I伸出圆形凹槽I的边界，在盖板、结构层和基底进行硅-玻璃静电键合时，窄金属条I连接到硅框上，实现金属薄膜I与质量块的等电位连接，避免质量块吸合到盖板上；所述的金属薄膜I上沿周向开有弧形区域，减少质量块向上运动时，质量块的上表面的圆形棱边碰撞金属薄膜I产生的金属薄膜I的破损。

所述的质量块沿周向均布有缺口，Z型梁的端点在缺口内与质量块相连，缺口之间有阻挡凸台II，阻挡凸台II与硅框上对应分布的阻挡凸台I一起限制质量块的横向位移；所述的Z型梁的厚度小于质量块的厚度，Z型梁的上下对称中心平面与质量块的上下对称中心平面重合，Z型梁的中间段是与质量块同心的圆弧，Z型梁两端的直线段的延长线指向质量块的圆心。

所述的基底的上表面开有与圆形凹槽II深度相同、出口边沿相连的矩形凹槽；所述的矩形凹槽内并行分布有焊盘I和焊盘II，焊盘I与开关电极I连通，焊盘II与开关电极II连通；所述的圆形凹槽II上均布有多个接触凸点，接触凸点分为2组，一组与开关电极I连通，另一组与开关电极II连通；所述圆形凹槽II内的金属薄膜II通过窄金属条II连接到圆形凹槽II外面、开关电极I和开关电极II通过窄金属条III连接到圆形凹槽II外面，实现基底各区域与结构层均形成等电位。

所述接触凸点高度为几微米至几十微米，任意相邻的两个接触凸点分别连接开关电极I和开关电极II，多个接触凸点中只要任意相邻的两个接触凸点导通，开关就导通。

本发明的Z型梁结构的微惯性开关中的基底上制作凹槽，以产生开关中质量块行程，凹槽内制作有开关电极I和开关电极II。在工作时，结构层中的质量块感受过载，克服弹簧弹性恢复力，并在惯性力作用下往基底凹槽内开关电极方向运动，当过载值超过开关导通阈值时，质量块与基底凹槽内开关电极发生接触，质量块上的接触电极将开关电极I和开关电极II短接，开关导通。惯性开关导通阈值可以通过调整质量块-弹簧系统运动模态的谐振频率和基底凹槽行程实现。

本发明的Z型梁结构的微惯性开关中的质量块为圆形结构并通过多组Z型梁连接到硅框上。质量块上开缺口，Z型梁在缺口内与质量块相连，同时Z型梁的中间段采用与质量块同圆心的圆弧形， Z型梁的另外两段梁的延长线通过圆形质量块圆心。Z型梁的厚度远小于质量块厚度，其厚度方向的中心平面与质量块厚度方向的中心平面重合，这样质量块-弹簧结构在厚度方向完全对称，在横向过载作用下质量块不会在敏感方向发生位移，可以减小横向过载对开关敏感方向导通阈值的影响。同一组Z型梁中的两根Z型梁沿质量块径向对称分布，一方面可以提高结构对称性，另一方面也可以减小同一组Z型梁所占空间。多组梁沿圆形质量块周向对称分布。圆形质量块周向对称有多个阻挡凸台，与硅框上的阻挡凸台一起，用于限制圆形质量块在横向过载下的位移，提高质量块-弹簧结构的抗横向过载能力。

本发明的Z型梁结构的微惯性开关中的盖板带有圆形凹槽，凹槽尺寸不小于质量块径向最大尺寸，避免盖板约束质量块正常的运动。圆形凹槽内制备有金属薄膜，金属薄膜通过窄金属条连接到盖板凹槽外面，当硅-玻璃静电键合时，窄金属条位于硅-玻璃键合面内，这样就实现了凹槽内金属薄膜与硅层的连接，即凹槽内金属薄膜电位与质量块-弹簧结构基本相同，减小了静电键合时质量块与盖板凹槽之间的静电力，避免静电键合时质量块吸合到盖板上。盖板凹槽内金属薄膜尽可能避开质量块棱边，避免质量块棱边碰撞金属薄膜而发生金属薄膜脱落。

本发明的Z型梁结构的微惯性开关中的基底带有圆形凹槽和矩形凹槽，圆形凹槽尺寸与盖板中圆形凹槽尺寸基本相同，矩形凹槽与圆形凹槽相连，并通过矩形凹槽将开关触点电极引出。圆形凹槽内与质量圆型结构对应区域有多个对称分布的圆形接触凸点，可以提高质量块上接触电极与开关触点的接触可靠性。圆形凹槽内制备有触点电极，通过触点电极的布局使得相邻两个接触凸点分别连接开关不同两极，这样多个接触凸点中只要任意相邻的两个导通，开关就导通，可以提高开关的接触可靠性。为了减小硅-玻璃键合时质量块-弹簧结构与基底之间的静电力，一方面开关触点电极也通过窄金属条连接到凹槽外的键合面，实现键合时触点电极与质量块-弹簧结构的等电位，另外在基底凹槽内触点电极之外也制备有金属薄膜，金属薄膜通过窄金属条连接到键合面间，从而实现基底凹槽更大面积区域与质量块-弹簧结构之间形成等电位，避免静电键合时发生吸合。

本发明的Z型梁结构的微惯性开关是一种采用MEMS技术加工的低g值微惯性开关芯片，质量块为圆形结构且有阻挡凸台，与硅框上的阻挡凸台一起，能够限制质量块的横向位移，提高惯性开关抗横向过载的能力以及抗振动冲击的环境适应能力，解决多圈螺旋弹簧梁不能进行横向位移约束的问题；弹簧结构为Z型梁，且厚度远小于质量块厚度，在有较小的刚度同时，本身质量小，占空间小，能够解决多圈螺旋梁质量大、梁本身抗冲击能力差的问题；多个接触凸点沿轴向均匀分布，且相邻两个触点分别连接到不同的开关电极，只要质量块上的接触电极将任何两个相邻触点导通，开关即导通，提高了开关的接触可靠性；触点电极以及等电位金属薄膜尽可能避开了质量块的棱边，减小了质量块棱边对金属薄膜的破坏，提高了金属薄膜的稳定性。本发明的Z型梁结构的微惯性开关适用于汽车与工业生产安全控制和飞行器状态监测等场合。

附图说明

图1 为本发明的Z型梁结构的微惯性开关合成图；

图2为本发明的Z型梁结构的微惯性开关分解图；

图3为本发明的Z型梁结构的微惯性开关中的盖板示意图；

图4 为本发明的Z型梁结构的微惯性开关中的结构层示意图；

图5 为本发明的Z型梁结构的微惯性开关中的基底示意图；

图中，1.盖板 2.结构层 3.基底 4.开关电极I 5.开关电极II 20. Z型梁 21.质量块 22.硅框 30.窄金属条I 31.金属薄膜I 32. 弧形区域 33.圆形凹槽I 34.矩形缺口I 40.接触电极 41.阻挡凸台I 42. 阻挡凸台II 50.窄金属条II 51.金属薄膜II 52.矩形缺口II 53.接触凸点 54.圆形凹槽II 55.矩形凹槽 56.焊盘II57.窄金属条III 58.焊盘I。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

如图1-图5所示，本发明的Z型梁结构的微惯性开关包括盖板1、结构层2和基底3，所述盖板1、结构层2、基底3由上至下通过键合连接，盖板1和基底3的材料为玻璃，结构层2的材料为硅；

所述的结构层2包括质量块21、Z型梁20和硅框22，结构层2的中心为圆柱形的质量块21，结构层2的内圈中空，结构层2的外圈为矩形的硅框22；所述的质量块21的下表面中心覆盖有接触电极40；在结构层2的内圈中，每2个对称排列的Z型梁20组成1对Z型梁模块，多对Z型梁环绕质量块21周向均匀分布，Z型梁20的两端分别固定在质量块21和硅框22上，Z型梁20将质量块21支撑在硅框22中心；

所述的盖板1的下表面有与质量块21对应的圆形凹槽I33，圆形凹槽I33约束质量块向上的运动位移，圆形凹槽I33内覆盖有金属薄膜I31；

所述的基底3的上表面有与质量块21对应的圆形凹槽II54，圆形凹槽II54约束质量块向下的运动位移，圆形凹槽II54分布有开关电极I4、开关电极II5。

所述的金属薄膜I31周向上凸出有窄金属条I30，窄金属条I30伸出圆形凹槽I33的边界，在盖板1、结构层2和基底3进行硅-玻璃静电键合时，窄金属条I30连接到硅框22上，实现金属薄膜I31与质量块21的等电位连接，避免质量块21吸合到盖板1上；所述的金属薄膜I31上沿周向开有弧形区域32，减少质量块21向上运动时，质量块21的上表面的圆形棱边碰撞金属薄膜I31产生的金属薄膜I31的破损。

所述的质量块21沿周向均布有缺口，Z型梁20的端点在缺口内与质量块21相连，缺口之间有阻挡凸台II42，阻挡凸台II42与硅框22上对应分布的阻挡凸台I41一起限制质量块21的横向位移；所述的Z型梁20的厚度小于质量块21的厚度，Z型梁20的上下对称中心平面与质量块21的上下对称中心平面重合，Z型梁20的中间段是与质量块21同心的圆弧，Z型梁20两端的直线段的延长线指向质量块21的圆心。

所述的基底3的上表面开有与圆形凹槽II54深度相同、出口边沿相连的矩形凹槽55；所述的矩形凹槽55内并行分布有焊盘I58和焊盘II56，焊盘I58与开关电极I4连通，焊盘II56与开关电极II5连通；所述的圆形凹槽II54上均布有多个接触凸点53，接触凸点53分为2组，一组与开关电极I4连通，另一组与开关电极II5连通；所述圆形凹槽II54内的金属薄膜II51通过窄金属条II50连接到圆形凹槽II54外面、开关电极I4和开关电极II5通过窄金属条III57连接到圆形凹槽II54外面，实现基底3各区域与结构层2均形成等电位。

所述接触凸点53高度为几微米至几十微米，任意相邻的两个接触凸点53分别连接开关电极I4和开关电极II5，多个接触凸点53中只要任意相邻的两个接触凸点53导通，开关就导通。

在工作时，质量块21感受惯性加速度并在惯性力作用下向基底开关电极I 4、开关电极II 5方向运动，在过载值达到开关的导通阈值时，质量块下表面的接触电极40将开关电极I 4、开关电极II导通，惯性开关闭合。

本发明的Z型梁结构的微惯性开关的加工过程如下：

a.在玻璃片上光刻后，用湿法腐蚀工艺腐蚀出玻璃片上的圆形凹槽；

b.在步骤a的玻璃片上继续整体溅射淀积Pt薄膜，并采用剥离工艺在玻璃片上制成等电位金属薄膜，完成盖板的制作；

c.在双埋层SOI硅片上溅射淀积Pt薄膜，采用剥离工艺形成接触电极；

d.继续在双埋层SOI硅片上双面光刻质量块图形，采用ICP干法腐蚀硅片两面至二氧化硅埋层；

e.之后在双埋层SOI硅片上光刻Z型梁图形，湿法局部腐蚀二氧化硅埋层形成Z型梁干法腐蚀掩蔽层；

f.最后用ICP深槽干法腐蚀透双埋层SOI片，形成Z型梁结构，完成结构层的制作；

g.玻璃片上光刻后，用湿法腐蚀工艺腐蚀出圆形凹槽和矩形凹槽；

h.圆形凹槽内光刻接触凸点图形，采用湿法腐蚀出接触凸点；

i.在玻璃片上溅射淀积Au薄膜覆盖接触凸点，并形成开关电极I、开关电极II和玻璃基底等电位金属薄膜，完成基底的制作；

h.将盖板、结构层、基底三者顺序叠加，并通过静电键合将三者键合在一起；

i.裂片封装，得到Z型梁结构的微惯性开关。

本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种Z型梁结构的微惯性开关，其特征在于，所述的微惯性开关包括盖板（1）、结构层（2）和基底（3），

所述盖板（1）、结构层（2）、基底（3）由上至下通过键合连接，盖板（1）和基底（3）的材料为玻璃，结构层（2）的材料为硅；

所述的结构层（2）包括质量块（21）、Z型梁（20）和硅框（22），结构层（2）的中心为圆柱形的质量块（21），结构层（2）的内圈中空，结构层（2）的外圈为矩形的硅框（22）；所述的质量块（21）的下表面中心覆盖有接触电极（40）；在结构层（2）的内圈中，每2个对称排列的Z型梁（20）形成1组，多组Z型梁环绕质量块（21）周向均匀分布，Z型梁（20）的两端分别连接到质量块（21）和硅框（22）上，Z型梁（20）将质量块（21）支撑在硅框（22）中心；

所述的盖板（1）的下表面有与质量块（21）对应的圆形凹槽I（33），圆形凹槽I（33）约束质量块向上的运动位移，圆形凹槽I（33）内覆盖有金属薄膜I（31）；

所述的基底（3）的上表面有与质量块（21）对应的圆形凹槽II（54），圆形凹槽II（54）约束质量块向下的运动位移，圆形凹槽II（54）分布有开关电极I（4）、开关电极II（5）。

2.根据权利要求1所述的Z型梁结构的微惯性开关，其特征在于：所述的金属薄膜I（31）周向上凸出有窄金属条I（30），窄金属条I（30）伸出圆形凹槽I（33）的边界，在盖板（1）、结构层（2）和基底（3）进行硅-玻璃静电键合时，窄金属条I（30）连接到硅框（22）上，实现金属薄膜I（31）与质量块（21）的等电位连接，避免质量块（21）吸合到盖板（1）上；所述的金属薄膜I（31）上沿周向开有弧形区域（32），减少质量块（21）向上运动时，质量块（21）的上表面的圆形棱边碰撞金属薄膜I（31）产生的金属薄膜I（31）的破损。

3.根据权利要求1所述的Z型梁结构的微惯性开关，其特征在于：所述的质量块（21）沿周向均布有缺口，Z型梁（20）的端点在缺口内与质量块（21）相连，缺口之间有阻挡凸台II（42），阻挡凸台II（42）与硅框（22）上对应分布的阻挡凸台I（41）一起限制质量块（21）的横向位移；所述的Z型梁（20）的厚度小于质量块（21）的厚度，Z型梁（20）的上下对称中心平面与质量块（21）的上下对称中心平面重合，Z型梁（20）的中间段是与质量块（21）同心的圆弧，Z型梁（20）两端的直线段的延长线指向质量块（21）的圆心。

4.根据权利要求1所述的Z型梁结构的微惯性开关，其特征在于：所述的基底（3）的上表面开有与圆形凹槽II（54）深度相同、出口边沿相连的矩形凹槽（55）；所述的矩形凹槽（55）内并行分布有焊盘I（58）和焊盘II（56），焊盘I（58）与开关电极I（4）连通，焊盘II（56）与开关电极II（5）连通；所述的圆形凹槽II（54）上均布有多个接触凸点（53），接触凸点（53）分为2组，一组与开关电极I（4）连通，另一组与开关电极II（5）连通；所述圆形凹槽II（54）内的金属薄膜II（51）通过窄金属条II（50）连接到圆形凹槽II（54）外面、开关电极I（4）和开关电极II（5）通过窄金属条III（57）连接到圆形凹槽II（54）外面，实现基底（3）各区域与结构层（2）均形成等电位。

5.根据权利要求4所述的Z型梁结构的微惯性开关，其特征在于：所述接触凸点（53）高度为几微米至几十微米，任意相邻的两个接触凸点（53）分别连接开关电极I（4）和开关电极II（5），多个接触凸点（53）中只要任意相邻的两个接触凸点（53）导通，开关就导通。