CN107919254B - 一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，包括移动电极、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、柔性阵列式固定电极、吸合电极、键合层、绝缘衬底，移动电极与连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空在柔性阵列式固定电极和吸合电极上方；吸合电极、柔性阵列式固定电极和键合层固定于绝缘衬底上；弹簧固定支座位于键合层上方，并通过键合层固定于绝缘衬底上。本发明受到敏感方向的加速度时，移动电极向柔性阵列式固定电极逐渐运动，移动电极和吸合电极之间的静电力不断增大，当静电力增大至起主要作用时，移动电极与柔性阵列式固定电极碰撞，实现外电路的导通，并且静电力能将移动电极与柔性阵列式固定电极保持锁定状态，持续接通外电路。

Description

一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关

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，具体的是一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关。

背景技术

惯性开关，又被称为加速度阈值开关，用于感应一定范围内特定方向的外界加速度矢量的变化。相对于传统机械加工装配组装的惯性开关而言，MEMS惯性开关具有一次成型不需组装、功率低、体积小、阈值一致性高、制造成本低的显著优势，已经成为国内外在此方面的研究重点，具有广阔的应用前景。传统的MEMS惯性开关的移动电极和固定电极都是刚性结构，当惯性开关受到超过阈值加速度的冲击时，移动电极与固定电极发生刚性接触，极易损坏器件，并且电极之间反弹严重，开关接通时间极短。惯性开关应用在集成电路中，过短的接触时间需要提高外电路对接触信号识别的精度，增加了对信号处理的设计难度，故而受到大规模的限制。

中国上海微系统所的贾孟军小组于2007年在《Micro-cantilever shocking-acceleration switches with threshold adjusting and‘on’-state latchingfunctions》报道了一种基于体硅加工技术的MEMS冲击惯性锁定开关。该设计通过惯性冲击力和静电力结合，使开关具有阈值可调的能力。首先惯性开关通过超过阈值加速度的冲击驱使电极接触，接触后电极之间的静电力使多组悬臂梁惯性开关的两个电极出现自锁功能，使得固定电极和可动电极在惯性冲击力消失后仍然保持接触状态，从而延长惯性开关的接触时间。由于作者所设计的惯性开关的阈值加速度较大，可调范围是1000～5000g，静电吸合作用对阈值影响很小，所以它能够用来弥补制备过程中产生的阈值容差和延长接触时间；但是当所设计的惯性开关的阈值加速度较小时，静电吸合作用对阈值的影响就不可忽略了。

北京大学K.F.Deng等于2013年在《A novel inertial switch based onnonlinear-spring shock stop》和《Inertial micro-switch capable of prolongingcontact time》中设计了一种基于体硅微加工技术硅刻蚀双柔性接触的MEMS惯性开关。该设计中可动电极和固定电极分别由一个可动接触点和级联悬臂梁构成，这种非线性弹簧结构能够减少冲击以及接触弹跳效应。根据仿真结果，当质量块在敏感方向运动时，由于弯曲的级联梁和可动接触点都具有柔性，延长了这种新型开关的接触时间；当质量块第一次达到最大位移后向敏感方向的反方向运动时，由于梁惯性力作用，级联梁也会跟着质量块运动，此时开关一直保持闭合状态，进一步增加了开关的接触时间。该惯性开关的测试结果表明，当开关的输入加速度值从420g到870g时，接触时间从135μs增加到335μs，是传统惯性开关接触时间的30倍，并且测试过程中没有发生弹跳行为。但是该结构中级联梁的制备工艺复杂，对实验精度要求高，并且在反复测试过程中级联悬臂梁容易发生损坏。

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，并且希望其工艺过程尽可能简单和便捷，让人们更加方便制造这种便于大规模应用的垂直敏感微机械惯性开关。

发明内容

本发明的目的在于基于表面微加工工艺和体硅微加工工艺，提供一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，提升了惯性开关的稳定性能，工艺简单便捷。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，包括：移动电极、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、柔性阵列式固定电极、吸合电极、键合层和绝缘衬底，其中：

所述移动电极与偶数组连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空于吸合电极和柔性阵列式固定电极的上方；吸合电极、柔性阵列式固定电极和键合层固定于绝缘衬底上；柔性阵列式固定电极对称分布于吸合电极的两侧，且吸合电极与柔性阵列式固定电极的触点所在平面之间存在间隙；弹簧固定支座位于键合层上方，并且通过键合层固定于绝缘衬底上；

当外界加速度沿敏感方向作用于所述开关时，移动电极通过偶数组连体蛇形弹簧向柔性阵列式固定电极运动，移动电极与柔性阵列式固定电极之间的距离越小、移动电极与吸合电极之间的静电力越大；当静电力增大至起主要作用时，移动电极与柔性阵列式固定电极接触，从而实现对外电路的接通，并可由施加的静电力将移动电极和柔性阵列式固定电极保持锁定状态，持续接通外电路。

优选地，在所述移动电极与吸合电极相对的一面上设有一绝缘二氧化硅面，以便于与吸合电极保持恒定的静电力。

优选地，所述移动电极为通过多次叠层电镀金属和各向异性腐蚀硅形成。

优选地，所述柔性阵列式固定电极为通过多次电镀金属形成的悬臂梁结构。

本发明所述柔性阵列式固定电极采用悬臂梁结构，不仅有效降低移动电极与柔性阵列式固定电极碰撞时的刚度，以缓冲移动电极，同时阵列式的布局明显提升了移动电极和柔性阵列式接触的几率，提升了所述开关的稳定性能。

优选地，所述连体蛇形弹簧为偶数组，且均为通过电镀金属形成的多匝结构。

优选地，所述吸合电极通过电镀金属形成。

优选地，所述键合层位于吸合电极与柔性阵列式固定电极的外侧，并且通过多层电镀金属形成。

优选地，所述弹簧固定支座为通过在硅表面电镀金属形成。

优选地，所述绝缘衬底为石英或玻璃衬底或其他绝缘材料。

本发明所述开关的组成部件的选取，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，增强了所述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开关移动电极与固定电极之间刚性碰撞、容易发生反弹现象、导致接触时间短暂的问题，采用上述具有柔性阵列触点(即柔性阵列式固定电极)的惯性开关新结构，通过移动电极和吸合电极之间的静电力，使移动电极和柔性阵列式固定电极长时间保持接触状态，从而实现静电锁定，提升了接触性能；同时，柔性阵列式固定电极使用悬臂梁结构，从而有效降低了移动电极与柔性阵列式固定电极碰撞时的刚度、缓冲了移动电极，同时阵列式的布局明显提升了移动电极和柔性阵列式固定电极接触的几率，提升了开关稳定性能。

进一步的，本发明上述开关结构，可以采用基于表面微加工工艺和体硅微加工工艺制备得到，制备工艺简单便捷，能便于大规模生成和应用。

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是本发明一优选实施例的整体结构示意图；

图2是本发明一优选实施例的整体结构剖面图；

图3是本发明一优选实施例的移动电极、连体蛇形弹簧以及弹簧固定支座的结构示意图；

图4是本发明一优选实施例的柔性阵列式固定电极的结构示意图；

图5是本发明一优选实施例的绝缘衬底、键合层、柔性阵列式固定电极以及吸合电极的结构示意图；

图6是本发明一优选实施例的连体蛇形弹簧的结构示意图；

图中：移动电极1、连体蛇形弹簧2、弹簧固定支座3、柔性阵列式固定电极4、吸合电极5、键合层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。

本发明提供一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，所述开关在外界加速度作用下，依靠惯性力驱动与连体蛇形弹簧相连的质量块，带动悬空的移动电极向柔性阵列式固定电极方向运动，从而二者发生接触，实现外电路导通；同时，移动电极和吸合电极之间的静电力将起到使移动电极和柔性固定电极保持接触状态的作用，从而实现静电锁定，当去除移动电极和吸合电极之间的电压，二者之间的静电力消失，质量块受到连体蛇形弹簧的弹性恢复力，回到平衡位置，此时外电路断开。该开关可以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。

如图1、图2所示，为一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关的实施例，其中包括：移动电极1、连体蛇形弹簧2、弹簧固定支座3、柔性阵列式固定电极4、吸合电极5、键合层6和绝缘衬底7，其中：

移动电极1与四组连体蛇形弹簧2相连，并被弹簧固定支座3悬空在柔性阵列式固定电极4和吸合电极5的上方；吸合电极5、柔性阵列式固定电极4和键合层6固定于绝缘衬底7上，柔性阵列式固定电极4对称分布于吸合电极5的两侧，且吸合电极5与柔性阵列式固定电极4的触点所在平面之间存在间隙；弹簧固定支座3位于键合层6的上方，并且通过键合层6固定于绝缘衬底7上；

当外界加速度沿敏感方向作用于所述开关时，移动电极1通过四组连体蛇形弹簧2向柔性阵列式固定电极4运动，移动电极1与柔性阵列式固定电极4之间的距离越小、移动电极1与吸合电极5之间的静电力越大；当静电力增大至起主要作用时，移动电极1与柔性阵列式固定电极4接触，从而实现对外电路的接通。

如图2所示，为一优选实施例开关的整体结构剖面图；所述柔性阵列式固定电极4的悬臂梁所在平面与所述的吸合电极5之间存在间隙，间隙的高度为10～200微米；所述移动电极1悬空于柔性阵列式固定电极4和吸合电极5的上方，移动电极1的下平面与柔性阵列式固定电极4的上平面之间的间隙高度为50～1000微米；

当所述开关受到敏感方向冲击时，移动电极1向柔性阵列式固定电极4方向运动，两者之间的间隙逐渐减小，当两者间隙缩小到零时，移动电极1与柔性阵列式固定电极4接触，从而实现外电路导通。

如图3所示，为一优选实施例的移动电极、连体蛇形弹簧以及弹簧固定支座的结构示意图；所述移动电极1为通过多次叠层电镀金属镍和各向异性腐蚀硅形成的方形结构，移动电极1的边长为1000～4000微米、高为200～800微米。

进一步的，所述移动电极1在制作过程中，在移动电极1的中部设有一方形绝缘二氧化硅面，以便于与吸合电极5保持恒定的静电力；其中：方形绝缘二氧化硅面的边长为900～3700微米、厚度为100～500纳米。

所述移动电极1与四组连体蛇形弹簧2相连，并且通过弹簧固定支座3固定，其中：所述弹簧固定支座3为通过在硅表面电镀镍或铜金属形成的方框形结构，方框形的弹簧固定支座3的内边长为1600～6400微米、外边长为2000～8000微米、厚度为200～800微米。

如图4所示，为一优选实施例的柔性阵列式固定电极的结构示意图；所述柔性阵列式固定电极4为通过多次电镀金属镍或铜形成的悬臂梁结构，悬臂梁的支座的边长为50～200微米、高15～300微米，悬臂梁的长为90～370微米、宽50～200微米、高5～100微米；柔性阵列式固定电极4的个数为6～40；

所述柔性阵列式固定电极4采用悬臂梁结构，不仅有效降低移动电极1与柔性阵列式固定电极4碰撞时的刚度，缓冲了移动电极1；同时阵列式的布局明显提升了移动电极1和柔性阵列式固定电极4接触的几率，提升了所述开关的稳定性能。

如图5所示，为一优选实施例的绝缘衬底、键合层、柔性阵列式固定电极以及吸合电极的结构示意图，在绝缘衬底7的上方分别固定有柔性阵列式固定电极4、吸合电极5以及键合层6；其中：

所述绝缘衬底7为石英、玻璃的绝缘材料制备，厚度为0.1～2毫米；

所述吸合电极5为通过电镀金属金形成的方形结构，吸合电极5的边长为900～3700微米、厚度为5～100微米；

所述键合层6为通过多层电镀金属镍或锡形成的方框形结构，方框形的键合层6的内边长为1600～6400微米、外边长为2000～8000微米、高度为50～1000微米。

如图6所示，为一优选实施例的连体蛇形弹簧的结构示意图；所述连体蛇形弹簧2为通过电镀金属镍或铜形成的多匝结构，连体蛇形弹簧2的线宽为5～60微米、厚度为5～60微米，连体蛇形弹簧2的拐角处半圆内径为5～150微米。

上述各部件尺寸的选取，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，增强了所述开关在各个领域的应用。

另外，在其它实施例里，所述连体蛇形弹簧2的组数除了四组以外还可以是其它偶数组；所述移动电极1还可以是除方形以外的其它形状，如圆形；所述移动电极1上的绝缘二氧化硅面还可以是圆形或者其它形状，所述弹簧固定支座3、所述吸合电极5、所述键合层6也相应的调整形状。

本发明所述开关能够感知垂直敏感方向的冲击，当移动电极与吸合电极之间的静电吸合作用增大至起主要作用时，移动电极与柔性阵列式固定电极接触，实现外电路的导通，而且静电吸合作用能够实现两电极锁定，持续接通电路，提升了接触性能；具有柔性阵列触点的固定电极使用悬臂梁结构，有效降低了移动电极与柔性阵列式固定电极碰撞时的刚度，缓冲了移动电极，同时阵列式的布局明显提升了移动电极和柔性阵列式固定电极接触的几率，提升了惯性开关的稳定性能。

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)

1.一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，其特征在于，包括：移动电极、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、柔性阵列式固定电极、吸合电极、键合层和绝缘衬底，其中：

所述移动电极与偶数组所述连体蛇形弹簧相连，并通过所述弹簧固定支座悬空于所述吸合电极和所述柔性阵列式固定电极的上方；所述吸合电极、所述柔性阵列式固定电极和所述键合层固定于所述绝缘衬底上；所述柔性阵列式固定电极对称分布于所述吸合电极的两侧，且所述吸合电极与所述柔性阵列式固定电极的触点所在平面之间存在间隙；所述弹簧固定支座位于所述键合层上方，并且通过所述键合层固定于所述绝缘衬底上；所述柔性阵列式固定电极为通过电镀金属形成的悬臂梁结构；在所述移动电极与所述吸合电极相对的一面上设有一绝缘二氧化硅面，以便于与所述吸合电极保持恒定的静电力；

当外界加速度沿敏感方向作用于所述开关时，所述移动电极通过偶数组所述连体蛇形弹簧向所述柔性阵列式固定电极运动，所述移动电极与所述柔性阵列式固定电极之间的距离越小、所述移动电极和所述吸合电极之间的静电力越大；当静电力增大至起主要作用时，所述移动电极与所述柔性阵列式固定电极接触，从而实现对外电路的接通，并可由施加的静电力将所述移动电极和所述柔性阵列式固定电极保持锁定状态，持续接通外电路。

2.根据权利要求1所述的一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，其特征在于，所述移动电极为通过多次叠层电镀金属和各向异性腐蚀硅形成。

3.根据权利要求1所述的一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，其特征在于，偶数组所述连体蛇形弹簧均为通过电镀金属形成的多匝结构。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，其特征在于，所述吸合电极通过电镀金属形成。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，其特征在于，所述键合层位于所述吸合电极与所述柔性阵列式固定电极的外侧，并且通过多层电镀金属形成。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，其特征在于，所述弹簧固定支座为通过在硅表面电镀金属形成。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，其特征在于，所述绝缘衬底为石英或玻璃衬底。