CN110085477B - 一种多阈值加速度开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多阈值加速度开关，包括绝缘衬底、结构框架、质量块、第一S形弹簧、第二S形弹簧、电极阵列、正极连接条、正极引脚、连接柱、负极引脚、负极连接条；结构框架固连在绝缘衬底上；结构框架中间对称设有连接柱，质量块上端与连接柱之间对称设有第一S形弹簧；质量块下端与结构框架对称设有第二S形弹簧；质量块通过第一S形弹簧、第二S形弹簧悬空于绝缘衬底上方；质量块中间设有接线柱，接线柱两端对称设有接线触点；接线柱上端两侧设有电极阵列；两侧的电极阵列通过正极连接条与正极引脚相连；负极引脚通过负极连接条与结构框架连接；所述正极引脚、正极连接条、负极引脚、负极连接条均固定在绝缘衬底上；本发明可实现对阈值接通。

Description

一种多阈值加速度开关
技术领域
本发明属于微机电系统领域，特别是一种多阈值加速度开关。
背景技术
随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术的迅猛发展，基于MEMS技术的加速度开关由于具有尺寸小、易集成和大批量生产的优点，在工业、汽车、航天航空以及军事等多个领域具有巨大的应用需求。
加速度阈值是开关重要性能参数，当输入加速度满足设计阈值时开关电极互相接触形成电气通路。通过对开关加速度阈值的研究，许多具备新功能的开关得到了发展。比如，出现了多阈值开关和可调阈值开关。但是现在的可调阈值开关一般依靠静电力或电磁力调节其阈值，在工作时需要对其持续供电，而许多应用场合需要加速度开关能够长时间待机或工作，这要求加速度开关具有无源工作的能力。另外，静电或电磁调节方式易受电磁等外部环境干扰，造成实际工作阈值偏离设计阈值。不仅如此，可调阈值开关每次调节其阈值会有毫秒级的延时，不能实现快速响应。因此可调阈值开关不能满足恶劣环境下的无源和快速响应要求。而对于多阈值开关，现在存在的普遍问题为：阈值级数少，一般多阈值开关只有2～5个阈值。另外，多阈值开关往往结构复杂，一些多阈值开关为了实现其多阈值功能往往设计有多个敏感单元，造成其结构复杂臃肿，制造困难。
如在文献“Triaxial inertial switch with multiple thresholds andresistive ladder readout”(Sensors and Actuators A:Physical,2013,195:191-197)中设计了一种能够检测加速度方向的多阈值开关。开关由5个阈值分别为50g、100g、150g、200g、250g的多方向敏感开关组成开关阵列。开关虽然实现了多阈值的功能，但是就单个敏感单元而言，仍旧是单阈值开关，每多增加一个阈值就要增加一个敏感单元；与此同时，由于开关采用中心弹簧支撑周边质量块形式，使其结构复杂且响应一致性较差。又如中国专利CN10382308B提出的“一种具有双感应阈值的机械式碰撞加速度传感器”，还有利用利用双稳态原理实现双阈值的方法，当输入加速度达到第一阈值时开关进入第一稳态，带触点的质量块与固定触点接触；当加速度继续增加时开关将会进入第二稳态，带触点的质量块会与中心触点接触，从而实现第二阈值。但是，双稳态要求开关只有在特定的结构下才能实现，这导致结构设计不够灵活。另外，双稳态开关难以利用传统MEMS工艺加工，利用微机械加工的双稳态开关往往尺寸较大，不适于开关的微型化；与此同时，双稳态开关的阈值级数很少，只有两级。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种，以解决已有的加速度开关阈值级数少，结构复杂，抗冲击能力低的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种多阈值加速度开关，包括绝缘衬底、结构框架、质量块、第一S形弹簧、第二S形弹簧、电极阵列、正极连接条、正极引脚、连接柱、负极引脚、负极连接条；
所述结构框架固连在绝缘衬底上；所述结构框架中间对称设有连接柱，所述质量块上端两侧对称设有第一S形弹簧；所述第一S形弹簧的一端与质量块相连，另一端与连接柱相连；所述质量块下端两侧对称设有第二S形弹簧；所述第二S形弹簧的一端与质量块相连，另一端结构框架相连；所述质量块通过第一S形弹簧、第二S形弹簧悬空于绝缘衬底上方；所述质量块中间设有接线柱，接线柱两端对称设有接线触点；所述接线柱上端两侧设有电极阵列；两侧的电极阵列通过正极连接条与正极引脚相连；所述负极引脚通过负极连接条与结构框架连接；所述正极引脚、正极连接条、负极引脚、负极连接条均固定在绝缘衬底上。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明的多阈值加速度开关具有14级阈值，远远高于现有多阈值开关的2～5个阈值。
(2)本发明的加速度开关具有很高的单轴敏感性，当开关所受加速度方向不是在平行于绝缘衬底或非沿y轴方向时，开关表现为钝感，其位移响应很小，从而能够有效保护开关。
(3)本发明的加速度开关具有良好的抗反向冲击性能，当开关所受加速度方向是在平行于基底且沿y轴方向，反向加载时，连接板和抗冲击弹簧构能够有效降低开关活动部件的碰撞接触力，降低开关反向冲击失效的风险。
(4)本发明的加速度开关只有一个敏感弹簧质量系统，结构简单，易于制造。
(5)本发明的加速度开关的驱动完全依靠输入加速度，开关本身工作不需要消耗电能因而开关能够实现无源工作且能够对输入加速度做出快速响应。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为多阈值开关的整体结构示意图。
图2为多阈值开关结构框架和抗反向冲击弹簧以及碰撞平板示意图。
图3为多阈值开关弹簧与质量块示连接示意图。
图4为多阈值开关固定电极阵列和电极连接条以及电极引脚示意图。
图5为多阈值开关与电极接触状态检测识别电路连接图。
图6为电极接触状态检测电路图。
图7(a-d)为质量块齿形结构与固定电极碰撞过程示意图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-3，本发明的一种多阈值加速度开关，包括绝缘衬底5、结构框架4、质量块9、第一S形弹簧10、第二S形弹簧6、电极阵列11、正极连接条12、正极引脚13、连接柱14、负极引脚2、负极连接条3；
所述结构框架4固连在绝缘衬底5上；所述结构框架4中间对称设有连接柱14，所述质量块9上端两侧对称设有第一S形弹簧10；所述第一S形弹簧10的一端与质量块9相连，另一端与连接柱14相连；所述质量块9下端两侧对称设有第二S形弹簧6；所述第二S形弹簧6的一端与质量块9相连，另一端结构框架4相连；所述质量块9通过第一S形弹簧10、第二S形弹簧6悬空于绝缘衬底5上方；所述质量块9中间设有接线柱9-1，接线柱9-1两端对称设有接线触点9-2；所述接线柱9-1上端两侧设有电极阵列11；两侧的电极阵列11通过正极连接条12与正极引脚13相连；所述负极引脚2通过负极连接条3与结构框架4连接；所述正极引脚13、正极连接条12、负极引脚2、负极连接条3均固定在绝缘衬底5上。
结合图4，进一步的，所述电极阵列11包括多个引线接线柱，多个引线接线柱一字排开，引线接线柱通过正极连接条12与对应的正极引脚13相连；接线柱9-1上端两侧的引线接线柱等距错开设置。
如图4所示，左下一引线接线柱高于左下一接线柱，右下二引线接线柱高于右下一引线接线柱，左下二引线接线柱高于右下二引线接线，按此顺序，两侧引线接线柱依次等距错开排列。
所述质量块9在加速度作用下，向上运动，其接线触点9-2与两端的电极阵列11相连上的引线接线柱依次相连，以接通对应的正极引脚13。
进一步的，所述质量块9下端设有抗冲击弹簧7；所述抗冲击弹簧7与结构框架4相连，当质量块9向下运行时，能够有效降低质量块9的碰撞接触力。
优选的，所述抗冲击弹簧7为双S型平面弹簧，将刚性止动变为柔性止动，延长接触时间，止动接触过程连续平稳，减小高冲击下开关的失效率。
进一步的，所述双S型弹簧上端通过碰撞平板8与质量块9下端相连，使得双S型弹簧受力均匀，连接稳定，提高抗冲击弹簧7的可靠性。
进一步的，如图7，所述接线触点9-2为单齿形结构，引线接线柱也为单齿形结构，质量块9在与第一个引线接线柱发生斜碰撞之后会改变运动方向(图7b)，在加速度的作用下与第二个固定电极相碰(图7c)，使得质量块9保持向上单向运动(图7d)，齿形接触具有更好的敏感性。
优选的，结合图7(a)，所述接线触点9-2、引线接线柱的单齿形结构的齿形角α在130度到136度之间，接触齿尖间距H在3到7毫米之间，以避免引线接线柱与引线接触点之间出现卡锁现象，提高开关工作的可靠性。
进一步的，单侧电极阵列11包括七个引线接线柱，两侧的电极阵列11共包括14个引线接线柱，可实现14级阈值。
进一步的，本发明通过MSMS工艺，所述绝缘衬底5的长度不大于6000微米，宽度不大于3000微米，以实现小型化。
进一步的，所述S型弹簧的深宽比大于5:1，属于高深宽比，使得开关的一阶振型在绝缘衬底5平面y方向上，确保了实际敏感方向和设计敏感方向的一致性，使得开关具有很高的单轴敏感性。
优选的，所述质量块9为“山”字形，其上表面面积不大于1900微米×1300微米，高度不大于250微米，有利于减小了质量块9的占用面积，缩小了开关的整体尺寸。
进一步的，结合图5，所述多阈值MEMS加速度开关还包括识别电路，所述识别电路第一电阻R1、第二电阻R2、第一电路识别单元、第二电路识别单元；第一电阻R1与第一电路识别单元串连，第一电路识别单元与左侧正极引脚13相连。
第二电路识别单元与第二电阻R2串联后，再接入第一电阻R与第一电路识别单元之间；第二电路识别单元与右侧正极引脚13相连；第一电路识别单元、第二电路识别单元均包括至少一个测试电阻；对应侧的测试电阻连接在相邻的两个正极引脚13之间；第一电路识别单元用于检测左侧电极阵列11上的导通电信号；所述第二电路识别单元用于检测右侧电极阵列11的导通电信号。
结合图5-6，以14个引线接线柱为例，识别电路的工作原理为：14个引线接线柱时，即接线柱9-1左右两侧各有7个接线柱，所述第一电路识别单元按左侧引线接线柱之间从下到上接入电阻，依次包括R3～R8，所述第二电路识别单元按右侧接线柱之间从下到上接入电阻，依次包括R9～R15，当线柱9-1右侧的第一个引线接线柱与接线触点9-2碰撞接触时，将接入识别电路中的R1、R2、R9～R15，那么输出电压Vout是Vin×R1/(R1+R2+R9+R10+R11+R12+R13+R14+R15)；当接线触点9-2与第二个引线接线(左侧第一个引线接线柱)相碰时，将接入电阻梯网络中的R1、R3～R8，那么输出的电压将是Vin×R1/(R1+R3+R4+R5+R6+R7+R8)，依次类推，直到接线触点9-2与倒数第二个引线接线柱相碰连接时，输出的电压将是Vin×R1/(R1+R2+R9)；接线触点9-2与最后一个引线接线柱相碰连接时，输出的电压将是Vin。根据所测输出电压Vout的大小识别不同的加速度，在不同加速度的激励下，接线柱9-1向上运动不同距离，与相应位置的引线接线柱接触，以接通正极引脚13和负极引脚2。

Claims (10)

1.一种多阈值加速度开关，其特征在于，包括绝缘衬底(5)、结构框架(4)、质量块(9)、第一S形弹簧(10)、第二S形弹簧(6)、电极阵列(11)、正极连接条(12)、正极引脚(13)、连接柱(14)、负极引脚(2)、负极连接条(3)；
所述结构框架(4)固连在绝缘衬底(5)上；所述结构框架(4)中间对称设有连接柱(14)，所述质量块(9)上端两侧对称设有第一S形弹簧(10)；所述第一S形弹簧(10)的一端与质量块(9)相连，另一端与连接柱(14)相连；所述质量块(9)下端两侧对称设有第二S形弹簧(6)；所述第二S形弹簧(6)的一端与质量块(9)相连，另一端结构框架(4)相连；所述质量块(9)通过第一S形弹簧(10)、第二S形弹簧(6)悬空于绝缘衬底(5)上方；所述质量块(9)中间设有接线柱(9-1)，接线柱(9-1)两端对称设有接线触点(9-2)；所述接线柱(9-1)上端两侧设有电极阵列(11)；两侧的电极阵列(11)通过正极连接条(12)与正极引脚(13)相连；所述负极引脚(2)通过负极连接条(3)与结构框架(4)连接；所述正极引脚(13)、正极连接条(12)、负极引脚(2)、负极连接条(3)均固定在绝缘衬底(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种多阈值加速度开关，其特征在于，所述电极阵列(11)包括多个引线接线柱，多个引线接线柱一字排开，引线接线柱通过正极连接条(12)与对应的正极引脚(13)相连；接线柱(9-1)上端两侧的引线接线柱等距错开设置。
3.根据权利要求2所述的一种多阈值加速度开关，其特征在于，所述质量块(9)下端设有抗冲击弹簧(7)；所述抗冲击弹簧(7)与结构框架(4)相连。
4.根据权利要求3所述的一种多阈值加速度开关，其特征在于，所述抗冲击弹簧(7)为双S型平面弹簧。
5.根据权利要求4所述的一种多阈值加速度开关，其特征在于，所述双S型平面弹簧上端通过碰撞平板(8)与质量块(9)下端相连。
6.根据权利要求2所述的一种多阈值加速度开关，其特征在于，所述接线触点(9-2)、引线接线柱均为单齿形结构。
7.根据权利要求6所述的一种多阈值加速度开关，其特征在于，所述接线触点(9-2)、引线接线柱的单齿形结构的齿形角α在130度到136度之间，接触齿尖间距H在3毫米到7毫米之间。
8.根据权利要求4所述的一种多阈值加速度开关，其特征在于，所述双S型平面弹簧的深宽比大于5:1。
9.根据权利要求1所述的一种多阈值加速度开关，其特征在于，所述质量块(9)为“山”字形。
10.根据权利要求1所述的一种多阈值加速度开关，其特征在于，所述多阈值加速度开关还包括识别电路，所述识别电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电路识别单元、第二电路识别单元；第一电阻R1与第一电路识别单元串连，第一电路识别单元与左侧正极引脚(13)相连；
第二电路识别单元与第二电阻R2串联后，再接入第一电阻R1与第一电路识别单元之间；第二电路识别单元与右侧正极引脚(13)相连；第一电路识别单元、第二电路识别单元均包括至少一个测试电阻；对应侧的测试电阻连接在相邻的两个正极引脚(13)之间；第一电路识别单元用于检测左侧电极阵列(11)上的导通电信号；所述第二电路识别单元用于检测右侧电极阵列(11)的导通电信号。
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