CN110491722B - 抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，涉及加速度开关领域，包括透明绝缘顶盖、金属液滴和传导基板，所述金属液滴位于所述透明绝缘顶盖和所述传导基板相扣结合后的封闭空间内。本发明通过调整第一内电极和第二内电极的面积比，可将其设置为常开型或常闭型，属单向敏感触发并可重复使用的加速度开关，对敏感方向的长脉冲冲击过载和恒定加速度过载敏感，抗干扰能力强，兼容SMA封装，体积小，便于集成，可抗中大口径榴弹发射时的后坐冲击过载。当出现超过阈值的单向稳态加速度过载信号后，开关状态发生变化(常闭型导通，常开型闭合)并能稳定保持，当加速度信号消失后，开关可自恢复并保持初始状态。

Description

抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关

技术领域

本发明涉及加速度开关领域，特别涉及弹药引信、航空航天、汽车安全技术中加速度过载识别与控制相关技术。

背景技术

惯性加速度过载测量和控制是弹药引信、汽车电子、航空航天等领域的关键技术之一。常用的惯性元件有加速度传感器、加速度开关等，其中加速度开关(又称为g开关、惯性开关等)是将传感与执行合为一体的无源器件，用于感知加速度信号，当超过门限阈值的加速度信号出现时，其内部的惯性导电体发生运动碰撞固定电极从而执行开关动作。相比加速度传感器，加速度开关具有响应速度快，信号处理简单，低成本等优点，正在得到越来越广泛的应用。例如，弹药引信利用加速度开关识别发射过程中的后坐过载、外弹道飞行过程中的离心过载后解除保险，汽车电子通过加速度开关识别出车辆有效碰撞信号后快速启动安全气囊等。

加速度开关中的惯性导电体(活动电极)常采用弹簧和质量块等机械结构，固定电极和活动电极接触方式为“固—固型”，存在开关在工作过程中惯性体碰撞固定电极后回弹，开关反复闭合等电接触不稳定的问题，并且触点接触电阻也较大，直接影响电接触性能，万向触发的加速度开关难以区分来自敏感方向的过载和非敏感方向的干扰，部分加速度开关含有闭合锁定机构，只能在单向一次性触发，一次性使用，为检测和质量评估带来困难。

为克服固-固接触式开关的上述缺点，有研究者提出采用液态金属水银液滴作为敏感惯性力的部件，替代传统的固体弹性电极，通过水银液滴在微通道中的流动来实现开关的通断。水银是一种疏水液态金属，这种“固-液”型的接触可增大开关触点的有效接触面积，保证稳定的电流特性。水银是粘性体，有较好的缓冲抗震能力，故水银开关中的水银在碰撞后即使自身震荡变形，仍能保持良好的电接触。

目前国内研究者提出的水银加速度开关通常是将水银液滴置入比自身尺寸大的腔室内再封装，水银在封装过程中不被腔室挤压变形，初始状态处于不受预压力状态，可自由流动。当遭遇瞬态冲击加速度干扰，水银在腔室有滚动、碰撞和持续震荡的趋势，可能导致误触发。部分水银加速度开关具有2个腔室，中间有微通道相连，当出现超过阈值的加速度信号时，水银从一个腔室穿过微通道进入另一个腔室，从一个稳态进入另一个稳态，在工作结束后，不能自恢复到原始状态，如需恢复初始状态，需人为施加反方向加速度过载。另外，在水银穿过微通道过程中，如遇干扰，水银有断裂为多个液滴的可能，由于水银断裂导致质量变化，从而引起加速度开关的阈值发生变化，造成器件工作失效。

发明内容

本发明实施例提供了抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，用以解决现有技术中存在的问题。即：目前在惯性测量领域当中的加速度开关，普遍有易振荡、开关动作时间短、抗干扰力差、接触电阻大等缺点，部分产品结构尺寸大、加工工艺复杂、成本高，不能在-45℃～55℃温度范围内可靠工作，限制了其在高可靠产品中的应用。

抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，包括透明绝缘顶盖、金属液滴和传导基板，所述金属液滴位于所述透明绝缘顶盖和所述传导基板相扣结合后的封闭空间内；

所述透明绝缘顶盖包括盖体，所述盖体内部为中空的腔室，并满足b>d>2c，其中，b为所述腔室的宽度，c为所述腔室的高度，d为所述金属液滴在装入所述腔室前的直径；

所述腔室沿开关敏感方向的截面为矩形上部缺一角的五边形，所述腔室包括其左半部分的凸起部腔室和其右半部分的楔型部腔室；

所述传导基板包括绝缘基板，所述绝缘基板上表面中部沿开关敏感方向相对设置第一内电极和第二内电极，所述第一内电极和所述第二内电极外侧均设置粘接密封环，所述第一内电极、所述第二内电极和所述粘接密封环之间为绝缘沟槽。

较佳地，所述透明绝缘顶盖的材料为玻璃或透明的环氧树脂。

较佳地，所述金属液滴为水银或含8.5％铊的液体汞齐。

较佳地，所述第一内电极远离所述第二内电极一端连接第一引脚，所述第二内电极远离所述第一内电极一端连接第二引脚，所述开关敏感方向为第一引脚指向第二引脚方向。

较佳地，所述绝缘沟槽内注有UV胶，所述UV胶固化后将所述绝缘沟槽填平，并与所述第一内电极的高度、所述第二内电极的高度和所述粘接密封环的高度一致。

较佳地，所述第一内电极的面积大于所述第二内电极的面积为常开型金属液滴加速度开关，所述常开型金属液滴加速度开关的所述第一内电极位于所述凸起部腔室和所述楔型部腔室的下方，所述常开型金属液滴加速度开关的所述第二内电极位于所述楔型部腔室的下方。

较佳地，所述第一内电极的面积小于所述第二内电极的面积为常闭型金属液滴加速度开关，所述常闭型金属液滴加速度开关的所述第一内电极位于所述凸起部腔室的下方，所述常闭型金属液滴加速度开关的所述第二内电极位于所述凸起部腔室和所述楔型部腔室的下方。

本发明有益效果：

(1)、兼容SMA封装，体积小，便于集成，可抗中大口径榴弹发射时的后坐冲击过载；

(2)、通过调整第一内电极和第二内电极的面积比，可将其设置为常开型和常闭型金属液滴加速度开关，分别能输出阻断和旁路信号；

(3)金属液滴采用或含8.5％铊的液体汞齐，铊汞齐的凝固点为-60℃，可满足弹药等高可靠性产品对-45℃～55℃工作温度范围的要求；

(4)、该开关结构和制作工艺简单，采用透明透明绝缘顶盖，检测方便，仅通过改变第一内电极、第二内电极面积比；改变金属液滴和腔室的体积比；改变凸起部腔室和楔型部腔室的体积比就可调整开关阈值，改变开关工作形式为常开型或常闭型，便于批量化设计和生产。

(5)、因为采用了扁平的腔室结构，包含凸起部腔室和楔型部腔室，两部分完全连通，无微通道，保证了液滴在工作过程中的完整性，金属液滴在封装过程中被腔室压扁，带有一定的预应力，不能自由流动，提高了抗干扰性，初始的预应力保证了金属液滴与第一内电极、第二内电极接触面积增大，接触电阻减小，在金属液滴运动过程中，金属液滴两侧可自然排气，无需专门的排气通道。整体结构简单，容易保证加工工艺的一致性和成品率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关的爆炸视图；

图2为本发明实施例提供的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关的透明绝缘顶盖的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关的透明绝缘顶盖的横截面示意图；

图4为本发明实施例提供的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关的传导基板的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关的实施例2的传导基板的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关的实施例3的传导基板的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关的实施例3的封装结构示意图；

图8为本发明实施例提供的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关的常闭型金属液滴加速度开关的结构示意图；

图9为传统的弹簧—质量块式加速度开关在瞬态冲击过载下的输出曲线；

图10为本发明实施例提供的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关的常开型金属液滴加速度开关在瞬态冲击过载下的输出曲线；

图11为本发明实施例提供的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关的常开型金属液滴加速度开关在稳态加速度过载下的输出曲线。

附图标记说明：

1-透明绝缘顶盖，101-盖体，102-凸起部腔室，103-楔型部腔室，2-金属液滴，3-传导基板，301-绝缘基板，302-第一内电极，303-第二内电极，304-粘接密封环，305-绝缘沟槽，306-第一焊盘，307-第二焊盘，4-第一引脚，5-第二引脚。

具体实施方式

下面结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

为了解决现有技术中存在的问题，有必要在加速度开关中设计一个能同时实现容纳、约束、引导液滴的腔室，使液滴在封装过程中可有效又简便的施加预应力，限制液滴自由流动，抑制液滴受干扰后运动、碰撞和振荡。腔室可引导液滴向敏感方向运动并可自然排气，液滴在腔体中运动无论如何变形，始终为一粘连的整体，并可直接观测，具有较高的抗干扰特性又可自恢复初始状态。同时，初始的预应力保证了液滴与第一内电极、第二内电极接触面积增大，有效降低了接触电阻，增大了工作电流。

参照图1-11，本发明提供了抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，

实施例1，

参照图1，包括透明绝缘顶盖1、金属液滴2和传导基板3，所述金属液滴2位于所述透明绝缘顶盖1和所述传导基板3相扣结合后的封闭空间内；

参照图2和图3，所述透明绝缘顶盖1包括盖体101，所述盖体101内部为中空的腔室，用于容纳金属液滴2，所述透明绝缘顶盖1的材料为玻璃或透明的环氧树脂，透过绝缘顶盖1可观察到金属液滴位置和形状，在研发阶段，利用高速摄像机，可对开关进行动态检测和分析评估，能够较为精确的确定开关的加速度阈值，在使用阶段，可对开关进行目测和故障分析。

所述腔室沿开关敏感方向的截面为矩形上部缺一角的五边形，所述腔室沿分割虚线分为一大一小两个空间，分别命名为凸起部腔室102和楔型部腔室103，所述凸起部腔室102为矩形区域，所述楔型部腔室103为楔型区域。

所述金属液滴2为水银或含8.5％铊的液体汞齐。铊汞齐的凝固点为-60℃，可满足弹药等高可靠性产品对工作温度范围的要求。金属液滴2体积占腔室容积50％以上，由于金属液滴2表面张力大，静态时有自聚为一个球形的趋势并占据在凸起部腔室102内，当敏感方向出现超过阈值的加速度过载时，金属液滴整体向楔型部腔室103滑动，受楔型腔体挤压变形同时使开关通断状态发生改变，当加速度过载结束后，金属液滴2回弹至凸起部腔室102，同时开关恢复至初始状态。由于腔室空间有限，金属液滴2占据腔室大部分空间，无论金属液滴如何形变，总能保持粘连为一个整体。

常开型和常闭型金属液滴加速度开关均采用扁平腔室放置金属液滴，即腔室内部沿敏感方向截面高度小于水平方向宽度，金属液滴2装入腔室后，在粘接过程中，金属液滴2被腔室压扁，与腔室顶、底均接触，压扁过程中液滴向与敏感方向垂直的方向流动，同时带有一定的预应力，增大了与第一电极、第二电极的接触面积。由图2的A-A视图可见，金属液滴2在敏感方向运动时，是一种在与腔室顶、底接触的情况下的滑动，同时两侧留有足够的排气空间，无需专门设计排气通道。

因为采用了扁平的腔室结构，使金属液滴在腔室内封装过程中被自然压扁，压扁过程中液滴向与敏感方向垂直的方向流动，同时带有一定的预应力，封装后液滴不能自由流动，提高了抗干扰性，初始的预应力保证了金属液滴的抗干扰性，可抑制自身振荡，在金属液滴运动过程中，金属液滴两侧可自然排气，无需专门的排气通道。整体结构简单，容易保证加工工艺的一致性和成品率。

由图3的A-A视图，若要实现金属液滴与电极的可靠接触并留有排气通道，则应满足以下尺寸要求：

b>d>2c

其中，d为金属液滴2在装入腔室前的直径，b为腔室宽度，c为腔室高度。

参照图4，所述传导基板3包括绝缘基板301和其上表面设置的导电金属层，所述导电金属层包括沿开关敏感方向相对设置第一内电极302和第二内电极303，所述第一内电极302和所述第二内电极303外侧均设置粘接密封环304，所述第一内电极302、所述第二内电极303和所述粘接密封环304之间为绝缘沟槽305。所述绝缘沟槽305内注有UV胶，所述UV胶固化后将所述绝缘沟槽305填平，并与所述第一内电极302的高度、所述第二内电极303的高度和所述粘接密封环304的高度一致。所述第一内电极302远离所述第二内电极303一端连接第一引脚4，所述第二内电极303远离所述第一内电极302一端连接第二引脚5。

传导基板可采用光刻或电镀工艺完成，传导基板和绝缘顶盖之间键合采用UV低温键合工艺，内应力小，工艺复杂度低，容易满足规范化量产要求的良品率。

粘接密封环304为透明绝缘顶盖1和传导基板3之间的低温粘接起到密封和定位作用，由于透明绝缘顶盖1为透光材料，可采用UV胶低温粘接，粘接时，传导基板3除第一内电极302、第二内电极303以外的区域均涂覆有UV胶，当传导基板3对正透明绝缘顶盖1结合后，经紫外光照射透明绝缘顶盖1，可使透明绝缘顶盖1和传导基板3粘合为一个整体。

参照图2，常开型金属液滴加速度开关的所述第一内电极302位于所述凸起部腔室102和所述楔型部腔室103的下方，所述常开型金属液滴加速度开关的所述第二内电极303位于所述楔型部腔室103的下方，所述第一内电极302的面积大于所述第二内电极303的面积为常开型金属液滴加速度开关。

参照图8，常闭型金属液滴加速度开关的所述第一内电极302位于所述凸起部腔室102的下方，所述常闭型金属液滴加速度开关的所述第二内电极303位于所述凸起部腔室102和所述楔型部腔室103的下方，所述第一内电极302的面积小于所述第二内电极303的面积为常闭型金属液滴加速度开关。

实施例2，与上述实施例不同之处在于，

参照图5，第二内电极303的形状可缩小至最小(即只要第二内电极303包含在所述盖体101内部的中空腔室内即可)，通过提高第一电极和第二电积的面积比提高常开型开关阈值、提高过载方向探测灵敏度、增强抗干扰能力，常闭型开关也可采用类似方法。

调整本发明的金属液滴加速度开关阈值的方法有：改变第一内电极302、第二内电极303的面积比；改变金属液滴2和腔室的体积比；改变凸起部腔室102和楔型部腔室103的体积比等，便于批量化设计和生产。

实施例3，与上述实施例不同之处在于，

参照图6和图7，传导基板3的长度可延长，长于透明绝缘顶盖1，第一引脚4改为第一焊盘306，第二引脚5改为第二焊盘307，这样就可使用图7的封装形式，在图7中，金属液滴加速度开关通过第一焊盘306、第二焊盘307与外围电路连接，适合与外围电路一起封装为混合集成电路。

为满足弹药引信工作环境温度-45℃～55℃的使用要求，开关导电金属液滴为水银或含8.5％铊的液体汞齐，铊汞齐的凝固点为-60℃，液滴原始直径1.5mm。开关安装面积4mm×2mm，安装时敏感方向指向弹丸径向，阈值40g。

参照图9，为传统的弹簧—质量块式加速度开关在瞬态冲击过载下的输出曲线，可看出，传统“固—固”接触的加速度开关，由于质量块的反弹，质量块与固定电极脱离接触，开关闭合时间极短，闭合时间表现为短暂的时间“点”。

参照图10，为常开型金属液滴加速度开关在瞬态冲击过载下的输出曲线，图中由压电加速度传感器测得冲击加速度峰值约2000g，加速度脉宽2.6ms，由于金属液滴的粘性，常开型金属液滴加速度开关在加速度过载出现后持续闭合时间约30ms，闭合时间表现为较长的时间“段”。

参照图11，为常开型金属液滴加速度开关在稳态加速度过载下的输出曲线，试验在离心过载试验机上进行，当离心过载试验机启动后，开关状态由断开转为闭合，信号稳定无弹跳。

综上所述，本发明通过调整第一内电极和第二内电极的面积比，可将其设置为常开型或常闭型，属单向敏感触发并可重复使用的加速度开关，对敏感方向的长脉冲冲击过载和恒定加速度过载敏感，抗干扰能力强，兼容SMA封装，体积小，便于集成，可抗中大口径榴弹发射时的后坐冲击过载。当出现超过阈值的单向稳态加速度过载信号后，开关状态发生变化(常闭型导通，常开型闭合)并能稳定保持，当加速度信号消失后，开关可恢复初始状态。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，其特征在于，包括透明绝缘顶盖(1)、金属液滴(2)和传导基板(3)，所述金属液滴(2)位于所述透明绝缘顶盖(1)和所述传导基板(3)相扣结合后的封闭空间内；

所述透明绝缘顶盖(1)包括盖体(101)，所述盖体(101)内部为中空的腔室，并满足b>d>2c，其中，b为所述腔室的宽度，c为所述腔室的高度，d为所述金属液滴(2)在装入所述腔室前的直径；

所述腔室沿开关敏感方向的截面为矩形上部缺一角的五边形，所述腔室包括其左半部分的凸起部腔室(102)和其右半部分的楔型部腔室(103)；

所述传导基板(3)包括绝缘基板(301)和在所述绝缘基板(301)上表面设置的导电金属层，所述导电金属层包括沿开关敏感方向相对设置第一内电极(302)和第二内电极(303)，所述第一内电极(302)和所述第二内电极(303)外侧均设置粘接密封环(304)，所述第一内电极(302)、所述第二内电极(303)和所述粘接密封环(304)之间为绝缘沟槽(305)。

2.如权利要求1所述的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，其特征在于，所述透明绝缘顶盖(1)的材料为玻璃或透明的环氧树脂。

3.如权利要求1所述的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，其特征在于，所述金属液滴(2)为水银或含8.5％铊的液体汞齐。

4.如权利要求1所述的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，其特征在于，所述第一内电极(302)远离所述第二内电极(303)一端连接第一引脚(4)，所述第二内电极(303)远离所述第一内电极(302)一端连接第二引脚(5)，所述开关敏感方向为第一引脚指向第二引脚方向。

5.如权利要求1所述的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，其特征在于，所述绝缘沟槽(305)内注有UV胶，所述UV胶固化后将所述绝缘沟槽(305)填平，并与所述第一内电极(302)的高度、所述第二内电极(303)的高度和所述粘接密封环(304)的高度一致。

6.如权利要求1所述的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，其特征在于，所述第一内电极(302)的面积大于所述第二内电极(303)的面积为常开型金属液滴加速度开关，所述常开型金属液滴加速度开关的所述第一内电极(302)位于所述凸起部腔室(102)和所述楔型部腔室(103)的下方，所述常开型金属液滴加速度开关的所述第二内电极(303)位于所述楔型部腔室(103)的下方。

7.如权利要求1所述的抗干扰自恢复贴片封装金属液滴加速度开关，其特征在于，所述第一内电极(302)的面积小于所述第二内电极(303)的面积为常闭型金属液滴加速度开关，所述常闭型金属液滴加速度开关的所述第一内电极(302)位于所述凸起部腔室(102)的下方，所述常闭型金属液滴加速度开关的所述第二内电极(303)位于所述凸起部腔室(102)和所述楔型部腔室(103)的下方。

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