CN108007556A - 一种用弹簧结构作为固定电极触点的纵向驱动阈值传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种用弹簧结构作为固定电极的纵向驱动阈值传感器。包括衬底、阻尼减弱结构、可动电极支撑柱、可动电极悬挂弹簧、可动质量块、固定电极支撑柱、固定电极和固定电极弹性触点。衬底上固定设置有阻尼减弱结构、可动电极支撑柱和固定电极支撑柱。固定电极悬空连接在固定电极支撑柱上，固定电极弹性触点一端与固定电极连接，另一端通过镂空正方形连接。可动电极悬挂弹簧一端与可动质量块相连、另一端与可动电极支撑柱相连并将可动质量块悬空于阻尼减弱结构和固定电极之间。该传感器引入了传动传导的原理，通过对两组电极弹簧的刚度优化，使得电极之间的碰撞接触成为柔性弹簧之间的振动传递过程。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域，具体涉及一种用弹簧结构作为固定电极触点的纵向驱动阈值传感器。
背景技术
微型振动阈值传感器作为一种新型的无源器件，因其具有体积小，重量轻等优点而被广泛应用于各种微电子系统中，尤其随着物联网系统的发展，各种传感器装置与互联网结合成一个传感网络系统，而这些传感器常常因为某种特殊的需要而被放置在偏远的环境中或者被植入更换电池困难的系统内部，造成供电困难。振动阈值传感器相比于加速度计和陀螺仪，不需要在常态下维持一个稳定的电流，其寄生功耗为零，因此成为物联网系统中振动监测的最佳选择。
目前，惯性振动阈值传感器的可动电极通常由“弹簧(悬臂梁)-质量块”敏感元件组成，在质量块的边上制作固定结构作为固定电极触点，两电极之间有一定的距离，当外界加速度超过传感器的设定阈值时，可动电极在其敏感方向运动并与固定电极触点接触，从而实现阈值传感器的导通功能，在阈值传感器导通时，可动电极与固定电极之间的接触时间是影响传感器性能的重要参数，接触时间脉冲宽度大，则器件接触稳定性高，输出信号处理简单；反之，则增加了输出信号的处理难度，因此，延长可动电极与固定电极之间的接触时间是提高阈值传感器性能的重要手段。
惯性传感器作为一种承受惯性冲击敏感器件，如果电极之间的碰撞接触为刚性接触，不但接触时间短，甚至有可能造成器件的破坏，降低使用寿命。因此，改变电极之间的接触方式是提高器件性能的有效途径，通过对现有文献检索发现，Luke J. Currano等在《Sensors and Actuators》、《传感器与执行器A》，2010年159期41-50页)发表了题为“Latching in a MEMS shock sensor: Modeling and experiments”(“闭锁式微机械振动传感器：建模与实验”)的论文，提出了一种对水平面上两个方向敏感的闭锁式传感器，这种闭锁式的传感器虽然回避了电极之间刚性碰撞导致接触时间短的问题，可以在足够大的过载加速度作用下实现信号的连续输出，但是由于电极之间在碰撞接触后形成锁扣结构，不得不在器件中增加了解锁装置，这就导致器件结构变得复杂以至于容易受损，并且这样的结构无疑大大降低了器件的重复工作能力。徐秋等在《Sensors》发表了题为“Design andOptimization of a Stationary Electrode in a Vertically-Driven MEMS InertialSwitch for Extending Contact Duration”（2017年17期527页）论文，报道了一种利用多空悬臂梁作为垂直固定电极触点延长接触时间的惯性开关，但是该器件中的固定电极弹性伸缩有限，制造工艺制约条件多，任何一条悬臂梁缺陷都可能导致固定电极失效。综合目前发明成果分析，只有可伸缩弹簧才能实现较大的弹性形变，使可动电极与固定电极在碰撞接触过程中实现最有效的弹性接触，目前尚未有一种能够有效解决电极之间弹性接触的有效设计方案。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用弹簧结构作为固定电极触点的纵向驱动阈值传感器。该传感器使用两组弹簧电极作为阈值传感器的可动电极和固定电极触点，通过对两组电极弹簧的刚度优化，使得电极之间的碰撞接触成为柔性弹簧之间的振动传递过程。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术手段：一种用弹簧结构作为固定电极触点的纵向驱动阈值传感器，包括衬底、阻尼减弱结构、可动电极支撑柱、可动电极悬挂弹簧、可动质量块、固定电极支撑柱、固定电极悬臂梁和固定电极弹性触点。
衬底上固定设有阻尼减弱结构、可动电极支撑柱和固定电极支撑柱。固定电极悬臂梁悬空连接在固定电极支撑柱上，固定电极弹性触点一端与固定电极悬臂梁连接，另一端通过镂空正方形连接悬空在固定电极悬臂梁中间。可动电极悬挂弹簧一端与可动质量块相连、另一端与可动电极支撑柱相连并将可动质量块悬空于阻尼减弱结构和固定电极悬臂梁之间。
本发明有益的效果：针对以往阈值传感器可动电极与固定电极之间的刚性碰撞，容易对器件造成破坏，并且接触时间短的问题，提出了一种用弹簧结构作为垂直固定电极触点实现弹性接触从而延长接触时间的纵向驱动单向振动阈值传感器，该传感器引入了传动传导的原理，当两个弹簧电极相互碰撞时，惯性冲击由可动电极传导至固定电极，并在电极接触的瞬间实现两电极的协同移动，既延长了接触时间，也避免了电极之间的刚性碰撞对电极造成破坏。
附图说明
图1是整体结构示意图。
图2是阻尼减弱结构和支撑柱结构示意图。
图3是可动质量块结构示意图。
图4是固定电极悬臂梁结构示意图。
附图序号说明：1—衬底；2—阻尼减弱结构；3—可动电极支撑柱；4—可动电极悬挂弹簧；5—可动质量块；6—固定电极支撑柱；7—固定电极悬臂梁；8—固定电极弹性触点。
具体实施方式
以下结合附图，作为实施例，对技术方案进一步说明。一种用弹簧结构作为固定电极触点的纵向驱动阈值传感器，包括衬底1、阻尼减弱结构2、可动电极支撑柱3、可动电极悬挂弹簧4、可动质量块5、固定电极支撑柱6、固定电极悬臂梁7和固定电极弹性触点8。
衬底1为绝缘体，衬底1上固定设有阻尼减弱结构2、可动电极支撑柱3和固定电极支撑柱6。
阻尼减弱结构2为长方形结构，长100—300微米，宽10—100微米，厚5—50微米，呈四边形对称分布，阻尼减弱结构2作用是减弱压膜阻尼效应。
可动质量块5为正方形结构，边长600—1500微米，厚20—300微米。可动质量块5的中心设有贯穿可动质量块5的导流孔，导流孔孔径100—300微米，可动质量块5的四边为凹槽状。
固定电极悬臂梁7为正方形框架结构，边长1000—1900微米，悬臂梁宽100—300微米，固定电极悬臂梁7的四个角点向外延伸悬空连接在固定电极支撑柱6上。
可动电极悬挂弹簧4由四组蛇形弹簧组成，弹簧线宽5—50微米，厚5—50微米。可动电极悬挂弹簧4一端与可动质量块5相连、另一端与可动电极支撑柱3相连并将可动质量块5悬空于阻尼减弱结构2和固定电极悬臂梁7之间，可动电极悬挂弹簧4与可动质量块5对称分布。可动质量块5悬空在阻尼减弱结构2上方5—100微米，可动质量块5悬空在固定电极悬臂梁7下方5—100微米。
固定电极弹性触点8为四根U形弹簧，固定电极弹性触点8一端与固定电极悬臂梁7连接、另一端通过内圆外方的镂空正方形连接悬空在固定电极悬臂梁7上，弹簧线宽10—100微米、厚5—50微米、长200—600微米。镂空正方形位于固定电极悬臂梁7中间，固定电极弹性触点8的中心点距可动质量块5边线的垂直距离为5—50微米。
当外界超过设定阈值的加速度沿绝缘衬底1表面法线方向作用于本发明利用弹簧结构作为纵向驱动固定电极触点时，可动质量块5将接触到悬空在可动质量块5上方的固定电极弹性触点8，从而在垂直方向上实现对外电路的导通。
Claims (5)
1.一种用弹簧结构作为固定电极触点的纵向驱动阈值传感器，包括衬底（1）、阻尼减弱结构（2）、可动电极支撑柱（3）、可动电极悬挂弹簧（4）、可动质量块（5）、固定电极支撑柱（6）、固定电极悬臂梁（7）和固定电极弹性触点（8），其特征在于：衬底（1）为绝缘体，衬底（1）上固定设有阻尼减弱结构（2）、可动电极支撑柱（3）和固定电极支撑柱（6），阻尼减弱结构（2）为长方形结构，呈四边形对称分布；
所述可动质量块（5）为正方形结构，可动质量块（5）的中心设有贯穿可动质量块（5）的导流孔；固定电极悬臂梁（7）为正方形框架结构，固定电极悬臂梁（7）的四个角点向外延伸悬空连接在固定电极支撑柱（6）上；
所述可动电极悬挂弹簧（4）为蛇形弹簧，可动电极悬挂弹簧（4）一端与可动质量块（5）相连、另一端与可动电极支撑柱（3）相连并将可动质量块（5）悬空于阻尼减弱结构（2）和固定电极悬臂梁（7）之间，可动电极悬挂弹簧（4）与可动质量块（5）对称分布；
所述固定电极弹性触点（8）为U形弹簧，固定电极弹性触点（8）一端与固定电极悬臂梁（7）连接、另一端通过内圆外方的镂空正方形连接悬空在固定电极悬臂梁（7）上，镂空正方形位于固定电极悬臂梁（7）中间。
2.根据权利要求1所述用弹簧结构作为固定电极触点的纵向驱动阈值传感器，其特征在于：阻尼减弱结构（2）长100—300微米，宽10—100微米，厚5—50微米。
3.根据权利要求1所述用弹簧结构作为固定电极触点的纵向驱动阈值传感器，其特征在于：可动电极悬挂弹簧（4）由四组蛇形弹簧组成，弹簧线宽5—50微米，厚5—50微米。
4.根据权利要求1所述用弹簧结构作为固定电极触点的纵向驱动阈值传感器，其特征在于：可动质量块（5）边长600—1500微米，厚20—300微米，可动质量块（5）上的导流孔孔径100—300微米，可动质量块（5）悬空在阻尼减弱结构（2）上方5—100微米，可动质量块（5）悬空在固定电极悬臂梁（7）下方5—100微米，可动质量块（5）的四边为凹槽状。
5.根据权利要求1所述用弹簧结构作为固定电极触点的纵向驱动阈值传感器，其特征在于：固定电极弹性触点（8）为四根U形弹簧，弹簧线宽10—100微米、厚5—50微米、长200—600微米，固定电极弹性触点（8）的中心距可动质量块（5）边线的垂直距离为5—50微米。
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