CN109859986A - 一种基于mems技术的单刀双掷敏感组件及含有该敏感组件的压力开关 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS技术的单刀双掷敏感组件及含有该敏感组件的压力开关，涉及压力开关技术领域。本发明是为了解决基于MEMS技术制作的微机械型压力开关适用范围窄的问题。单刀双掷敏感组件的上支撑体上开有内引压孔，上支撑体的外表面及内引压孔的内表面均覆盖有金属层，固支框呈回环状结构，动触体位于的中心，动触体与固支框之间通过弹性膜片相连，动触体的上端面突出于和固支框的上端面，动触体的下端面内陷于固支框的下端面，下支撑体上开有上导流孔，下支撑体的外表面及上导流孔的内表面均覆盖有金属层，固支框坐落在下电极体的上表面，上电极体坐落在固支框上。采用MEMS技术制造，可以进行大批量生产，适用于各压力开关的应用领域。

Description

一种基于MEMS技术的单刀双掷敏感组件及含有该敏感组件的 压力开关

技术领域

本发明属于压力开关技术领域。

背景技术

压力开关广泛应用于工业、农业、科研、建筑、航天航空及军事等技术领域。但传统的压力开关，多是机械结构式，存在体积大、批量生产性低、一致性差、不易与后续电路集成等不足，所以机械结构式的压力开关正在逐渐被电子式压力开关所取代。

目前，应用在上述领域内的电子式压力开关，多为采用线性压力传感器检测压力，然后与比较电路相配合，达到额定值时完成开关功能。但是，一个线性压力传感器无论从工艺复杂程度或从性能中所包含的信息量来讲都比压力开关复杂、精确，再加上必须配以比较电路，因此会导致成本升高。

近年来由于MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术的近乎成熟的发展，使得一些先行者已开始了利用MEMS技术制作微机械型压力开关的研究。但目前研究的压力开关或者由于其额定工作压力范围窄、或者仅是单刀常开、或者仅是单刀常闭型压力开关等问题的存在，仅限于个别应用领域，适用范围较窄，难以进一步推广应用。

发明内容

本发明是为了解决现有基于MEMS技术制作的微机械型压力开关适用范围窄的问题，现提供一种基于MEMS技术的单刀双掷敏感组件及含有该敏感组件的压力开关。

一种基于MEMS技术的单刀双掷敏感组件，包括：上电极体1、动电极体2和下电极体3，

上电极体1包括上支撑体11，该上支撑体11上开有内引压孔12，上支撑体11的外表面及内引压孔12的内表面均覆盖有金属层，

动电极体2包括动触体21和固支框22，固支框22呈回环状结构，动触体21位于该回环状结构的中心处，动触体21与固支框22之间通过弹性膜片23相连，动触体21的上端面突出于和固支框22的上端面，动触体21的下端面内陷于固支框22的下端面，

下电极体3包括下支撑体31，该下支撑体31上开有上导流孔32，下支撑体31的外表面及上导流孔32的内表面均覆盖有金属层，

固支框22坐落在下电极体3的上表面，上电极体1坐落在固支框22上。

含有上述一种基于MEMS技术的单刀双掷敏感组件的压力开关，包括：敏感组件和转接支架4；

转接支架4包括支架体41和n个导电柱45，支架体41上开有下导流孔44和n个导电柱孔、且支架体41的上表面设有绝缘层42，绝缘层42上表面设有金属层，n个导电柱45分别位于n个导电柱孔内、且导电柱45的两端分别突出于支架体41的上下表面，导电柱45与导电柱孔内壁之间填充有绝缘子43，其中n为大于2的正整数；

敏感组件坐落在转接支架4的上表面、且上导流孔32与下导流孔44连通，上电极体1的金属层、动电极体2的金属层和下电极体3的金属层分别与三个不同的导电柱45的顶端电气连接。

进一步的，上述压力开关还包括：组件壳体和信号引出器件7，

组件壳体为中空的腔体结构，组件壳体顶部开有外引压孔51、底部开有信号引出孔61，组件壳体的内壁设有支撑台阶62；

敏感组件和转接支架4均位于组件壳体的腔体内，转接支架4坐落在支撑台阶62上、并与组件壳体底部之间留有空隙，

信号引出器件7位于信号引出孔61内，n个导电柱45的下端均与信号引出器件7的信号输入端电气连接。

进一步的，上述组件壳体包括管帽5和底座6，

管帽5为下开口的腔体结构，外引压孔51位于管帽5的顶部，管帽5的下开口处设有内台阶52，

底座6为上开口的腔体结构，信号引出孔61位于底座6的底部，底座6的上开口外壁设有外台阶63，支撑台阶62位于底座6内壁，

内台阶52能够与外台阶63紧密配合。

进一步的，上述压力开关还包括紧固件9，紧固件9固定在底座6的外部信号引出孔61处，用于固定信号引出器件7。

进一步的，上述紧固件9与信号引出器件7之间设有密封圈8。

进一步的，上述信号引出器件7为电缆。

进一步的，上述电缆内部设有导气管10，转接支架4与组件壳体底部的空隙通过导气管10与组件壳体外部空间连通。

进一步的，上述敏感组件外表面覆盖有至少一层绝缘层。

进一步的，上述上支撑体11的材料为单晶硅、陶瓷或具有相应杨氏模量的材料，支架体41的材料为单晶硅、陶瓷、硼硅玻璃、金属或具有相应杨氏模量的材料。

本发明的优点：敏感组件采用MEMS技术形成特殊结构的弹性动电极体及上、下电极体，因而可以方便地进行组合并与后续电路集成；动电极体的弹性膜片厚度及动触体上表面与固支框上端面的距离、动触体下表面与固支框下端面的距离决定了压力开关的额定工作压力。流体从外引压孔进入，其压力通过内引压孔作用在动触体并传递到弹性膜片上，当作用于弹性膜片上的压力大于封接时弹性膜片上产生的预应力时，弹性膜片变形使动触体向下运动脱离上电极体并随压力增大而与下电极体相接触。该动触体电极与上、下电极的分、合通过电缆内的连接导线向外输出一个开、一个关的电信号，完成单刀双掷得功能。该敏感组件内没有活动部件，工作可靠，使用寿命长。该压力开关体积小，有利于制作微型化，小型化或面贴式器件，敏感组件采用MEMS技术制造，可以进行大批量生产，降低生产成本，适用于各个领域。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于MEMS技术的单刀双掷压力开关的剖视图；

图2为敏感组件的结构示意图；

图3为上电极体的结构示意图；

图4为动电极体在自由状态下的结构示意图；

图5为下电极体的结构示意图；

图6为转接支架的结构示意图；

图7为管帽的剖视图；

图8为底座的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图2至5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于MEMS技术的单刀双掷敏感组件，包括：上电极体1、动电极体2、下电极体3

如图3所示，上电极体1包括上支撑体11，本实施方式中以双面抛光的单晶硅片作为上支撑体11、且该单晶硅片上覆盖有金属层；利用光刻法在金属层上刻蚀出所需的图形，并在支撑体11上利用腐蚀、激光打孔或超声打孔法获得内引压孔12，再利用电镀法在内引压孔12的内壁镀上金属层，使得该金属层与单晶硅片上覆盖的金属层相连接。

本实施方式中，如图4所示，动电极体2为双面抛光、N型高浓度掺杂的单晶硅片，具有极低的电阻率，厚度为200μm～5000μm，硅片表面生长有0.5μm～1μm的热氧化硅层，该热氧化硅层上淀积有厚度为的氮化硅层，热氧化硅层与氮化硅层共同形成复合掩膜。分别在单晶硅片的上下表面进行刻蚀，获得上下相互正对的回环形凹槽，凹槽内围部分作为动触体21，凹槽外围部分作为固支框22，凹槽处剩余的部分则作为连接动触体21与固支框22的弹性磨片23，同时进一步刻蚀，使得固支框22的上端面低于动触体21的上端面，固支框22的下端面突出于动触体21的下端面。

如图5所示，下电极体3与上电极体1的制备方法和结构完全相同，即：包括下支撑体31，该下支撑体31上开有上导流孔32，下支撑体31的外表面及上导流孔32的内表面均覆盖有金属层。

如图2所示，固支框22坐落在下电极体3的上表面，上电极体1坐落在固支框22上，将放置好的上电极体1、动电极体2和下电极体3放入模具内，采用静电封接、硅硅键合或烧结等方法使三者封接在一起，共同构成敏感组件。

由于动电极体2的动触体21下端面进行了一定厚度的腐蚀，所以动触体21下端面和下电极体3的上端面存在一个间隙，形成了一个常开结构；此时，动电极体2的固支框22上端面由于腐蚀产生的高度差未能与上电极体1的下端面相接触，然而动电极体2的动触体21上端面却和上电极体1的下端面发生接触，形成一个常闭结构；当施加一个预应力后，动电极体2的动触体21下降使得电极体1的下端面向固支框22上端面靠近并最后形成接触并封接在一起；此时，弹性膜片内产生的预应力达到一个极限值，这样弹性膜片内就保有了一个固定预应力，该预应力使动触体21的上端面金属层与上电极体1下端面的金属层保持紧密接触，形成一个常闭结构，从而构成了一个单刀双掷的敏感组件。

本实施方式中，所述金属层均作为各自所在结构的电极，材料为铝、铜、镍、铬、金或银的单层或多层结构，采用蒸镀、溅射或化学淀积等方法形成并刻蚀成所需的形状。敏感组件外表面和组件壳体外表面覆盖有至少一层绝缘层，以形成对器件的保护和器件与被测介质的绝缘。

具体实施方式二：参照图1、6、7和8具体说明本实施方式，本实施方式是含有具体实施方式一所述的一种基于MEMS技术的单刀双掷敏感组件的压力开关，本实施方式中，包括：敏感组件、转接支架4、管帽5、底座6和信号引出器件7。

如图6所示，转接支架4包括支架体41和3个导电柱45，支架体41为双面抛光的可伐合金板，支架体41上面采用淀积或氧化法形成绝缘层42，(如果支架体41为绝缘材料，则可以不用制作绝缘层42)；在绝缘层42上表面通过蒸镀或溅射法形成金属层，并采用光刻方法形成所需的图形；采用机械、激光或超声打孔法在支架体41上开设下导流孔44和3个导电柱孔，用烧结法将3个导电柱45分别烧结在3个导电柱孔内、且导电柱45的两端分别突出于支架体41的上下表面，导电柱45与导电柱孔内壁之间填充绝缘子43，以进行绝缘和固接。

敏感组件坐落在转接支架4的上表面、且上导流孔32与下导流孔44连通、下电极体3下表面的金属层与转接支架4上表面的金属层相连接，通过烧结或键合法使二者固接并形成电气连接；上电极体1的金属层、动电极体2的金属层和下电极体3的金属层分别与3个导电柱45的顶端电气连接。

如图1、7和8所示，管帽5为下开口的腔体结构，管帽5的顶部开有外引压孔51，管帽5的下开口处设有内台阶52；底座6为上开口的腔体结构，底座6的底部开有信号引出孔61，底座6的上开口外壁设有外台阶63，支撑台阶62位于底座6内壁；内台阶52能够与外台阶63紧密配合，管帽5与底座6连通，共同构成具有一个腔体的组件壳体；敏感组件和转接支架4均位于组件壳体的腔体内，转接支架4坐落在支撑台阶62上、并与组件壳体底部之间留有空隙，信号引出器件7位于信号引出孔61内，3个导电柱45的下端均与信号引出器件7的信号输入端电气连接。

由于动电极体2的弹性膜片23在封接时固定了一个预应力，由于该预应力的作用，在不加压力的情况下维持着上电极体1与动电极体2的常闭状态以及动电极体2与下电极体3的常开状态；当流体压力从外引压孔51进入，压力通过内引压孔12作用在动触体21上，当该压力大于弹性膜片23内的预应力时，弹性膜片23发生变形使动触体21向下运动，进而离上电极体1，则常闭状态变成常开状态；当运动距离等于动触体23下端面与下电极体3上端面的间隙时，动触体21与下电极体3开始接触，动触体23停止运动，常开状态变常闭状态，器件的开关状态得以改变，完成了单刀双掷压力开关的功能。即：弹性膜片23的厚度与形状以及动触体21上端面与固支框22上端面的高度差决定了常闭掷转换成开态所需要的压力；动触体21下端面与固支框22下端面的高度差决定了常开掷由开态转化为闭态所需要的压力。

由于敏感组件内没有任何活动部件，工作可靠，使用寿命长；压力开关体积小，有利于制作微型化，小型化或面贴式器件，敏感组件采用MEMS技术制造，可以进行大批量生产，降低生产成本，结构简单，一致性好、成本低廉、也可以和常开型固态压力开关、常闭型固态压力开关集成，也易于和后续电路集成在一起，进行信号调理、转换及网络化；所以使用方便，可以广泛适用于工业、农业、科研、建筑、航空航天及军事等领域中。

具体的，信号引出器件7为电缆，将电缆的引线与3个导电柱45的下端焊接，电缆通过信号引出孔61穿过底座6。

实际应用时，还包括紧固件9，紧固件9固定在底座6外部信号引出孔61处，用于固定电缆。在紧固件9与信号引出器件7之间设置密封圈8，旋紧紧固件9对电缆进行固定及密封。

对小量程的压力开关，电缆内部还设有导气管10，转接支架4与组件壳体底部的空隙通过导气管10与组件壳体外部空间连通。对于大量程的压力开关可以不设有导气管。

实际应用时，上支撑体11的材料可以为单晶硅、陶瓷或具有相应杨氏模量的材料。支架体41的材料可以为单晶硅、陶瓷、硼硅玻璃、金属或具有相应杨氏模量的材料。管帽5和底座6之间通过焊接、烧结或粘接固定连接。

本实施方式中，所述的一种基于MEMS技术的单刀双掷压力开关，结构简单、体积小、一致性好、成本低廉、易于和后续电路集成在一起，进行信号调理、转换及网络化；与固态常开压力开关、固态常闭压力开关形成系列，甚至可以与单刀常开、单刀常闭型压力开关集成在一起，在各个领域有着广泛的用途，扩大了适用范围。

Claims (10)

1.一种基于MEMS技术的单刀双掷敏感组件，其特征在于，包括：上电极体(1)、动电极体(2)和下电极体(3)，

上电极体(1)包括上支撑体(11)，该上支撑体(11)上开有内引压孔(12)，上支撑体(11)的外表面及内引压孔(12)的内表面均覆盖有金属层，

动电极体(2)包括动触体(21)和固支框(22)，固支框(22)呈回环状结构，动触体(21)位于该回环状结构的中心处，动触体(21)与固支框(22)之间通过弹性膜片(23)相连，动触体(21)的上端面突出于和固支框(22)的上端面，动触体(21)的下端面内陷于固支框(22)的下端面，

下电极体(3)包括下支撑体(31)，该下支撑体(31)上开有上导流孔(32)，下支撑体(31)的外表面及上导流孔(32)的内表面均覆盖有金属层，

固支框(22)坐落在下电极体(3)的上表面，上电极体(1)坐落在固支框(22)上。

2.含有权利要求1所述的一种基于MEMS技术的单刀双掷敏感组件的压力开关，其特征在于，包括：敏感组件和转接支架(4)；

转接支架(4)包括支架体(41)和n个导电柱(45)，支架体(41)上开有下导流孔(44)和n个导电柱孔、且支架体(41)的上表面设有绝缘层(42)，绝缘层(42)上表面设有金属层，n个导电柱(45)分别位于n个导电柱孔内、且导电柱(45)的两端分别突出于支架体(41)的上下表面，导电柱(45)与导电柱孔内壁之间填充有绝缘子(43)，其中n为大于2的正整数；

敏感组件坐落在转接支架(4)的上表面、且上导流孔(32)与下导流孔(44)连通，上电极体(1)的金属层、动电极体(2)的金属层和下电极体(3)的金属层分别与三个不同的导电柱(45)的顶端电气连接。

3.根据权利要求2所述的压力开关，其特征在于，还包括：组件壳体和信号引出器件(7)，

组件壳体为中空的腔体结构，组件壳体顶部开有外引压孔(51)、底部开有信号引出孔(61)，组件壳体的内壁设有支撑台阶(62)；

敏感组件和转接支架(4)均位于组件壳体的腔体内，转接支架(4)坐落在支撑台阶(62)上、并与组件壳体底部之间留有空隙，

信号引出器件(7)位于信号引出孔(61)内，n个导电柱(45)的下端均与信号引出器件(7)的信号输入端电气连接。

4.根据权利要求3所述的压力开关，其特征在于，组件壳体包括管帽(5)和底座(6)，

管帽(5)为下开口的腔体结构，外引压孔(51)位于管帽(5)的顶部，管帽(5)的下开口处设有内台阶(52)，

底座(6)为上开口的腔体结构，信号引出孔(61)位于底座(6)的底部，底座(6)的上开口外壁设有外台阶(63)，支撑台阶(62)位于底座(6)内壁，

内台阶(52)能够与外台阶(63)紧密配合。

5.根据权利要求4所述的压力开关，其特征在于，还包括紧固件(9)，紧固件(9)固定在底座(6)的外部信号引出孔(61)处，用于固定信号引出器件(7)。

6.根据权利要求5所述的压力开关，其特征在于，紧固件(9)与信号引出器件(7)之间设有密封圈(8)。

7.根据权利要求3、4、5或6所述的压力开关，其特征在于，信号引出器件(7)为电缆。

8.根据权利要求7所述的压力开关，其特征在于，电缆内部设有导气管(10)，转接支架(4)与组件壳体底部的空隙通过导气管(10)与组件壳体外部空间连通。

9.根据权利要求2、3、4、5、6或8所述的压力开关，其特征在于，敏感组件外表面覆盖有至少一层绝缘层。

10.根据权利要求2、3、4、5、6或8所述的压力开关，其特征在于，上支撑体(11)的材料为单晶硅、陶瓷或具有相应杨氏模量的材料，支架体(41)的材料为单晶硅、陶瓷、硼硅玻璃、金属或具有相应杨氏模量的材料。