CN1123027C - 微型机械式加速度开关 - Google Patents

Abstract

一种微型机械式加速度开关，包括弹性的电极元件、检测质量、外壳、及将电极元件和检测质量连接于外壳的弹簧元件。电极元件机械地邻接到检测质量。检测质量的重心与弹簧元件的轴线相距一给定距离，当检测质量在外部施加的加速度作用下绕该轴线转动时，一个分量处在与第一轴线平行的方向。电极元件也绕此轴线转动。转角基本与加速度这一分量的幅值成正比。当电极元件处在给定的转角时，电极元件的接触点与外壳内的相应接触区接触。

Description

微型机械式加速度开关

本发明涉及一种硅或类似材料制成的微型机械式加速度开关。

本发明适合被用在需要检测出超过预定加速度的系统中。例如是用于轿车中起动气囊的系统，或是用于关闭受到强烈振动的系统，它可以被用在诸如CD唱机，离心机，以及其它旋转系统等不同的产品中。

目前针对于气囊而言，用来随时监测车辆加速度的加速度传感器以及一种加速度开关在应用中被组合使用，该加速度开关可以在加速度超过一个预定限度时发出信号。加速度开关通常是机械式的，从而使安装在一个参照系统中的弹簧加载质量在受到一定强度的加速度时相对于参照系统实现制动或是形成接触。这一类开关结构简单，但是体积比较大并且造价昂贵。

近来已经出现了按照类似方式工作的微型机械装置。在公开的专利EP-A-056084，US-A-4855544，WO-A-96/21157和WO-A-85/03383中可以找到这方面的例子。在其中采用了一种悬臂杆，选择性地在其一端配备有检测质量元件。在一定的加速度下使杆的弯曲足以形成电接触，从而检测出加速度已经超过了一个阈值。这一阈值电平取决于开关的物理参数。在这些公开文件中描述的装置存在许多缺点。在杆上设有导电体，由于导体和杆中的其它材料之间在热力学和弹性特性上的差异，使得它对温度的变化很敏感。然而，在WO-A-85/03383中所述的情况则稍有不同。另外，电导体具有比较大的接触面，这样就限制了获得操作可靠性和低加速度阈值电平的可能性，因为静电引力是随着面积而增大的。

上述公开文件的一个共同特点是对振动具有敏感性，振动会造成杆按照它的谐振频率发生振荡。在US-A-4855544中提出了一种用来控制减振的方案，避免减振的方法是将杆抵靠在针对敏感方向位于杆相对一侧的一块板上。在EP-A-567938中描述了一种利用谐振的系统，在其中使用了许多上述的杆，每个杆对不同的频率具有敏感度。这样就能检测出系统的振荡频率。

上述开关的阈值取决于杆的尺寸和杆的端部上的检测质量。检测质量的位置和杆的弹性常数共同决定了开关的动态范围。在制造具有不同阈值的不同开关时，必须要改变杆的长度和检测质量的大小，因此，可供选择阈值的灵活性比较小。如果需要不同的阈值，费用就会明显地增加，因为新的开关需要用新的掩模和用来微型机加工不同元件的设备。这样就会降低在生产过程中对开关进行精密调谐的可能性，并且限制了制造成本，特别是专用元件的成本。

在EP-A-691542中提出了一些改进，其中的检测质量是通过电极元件的对称形状而获得的，电极元件悬挂在连接于基片的扭转弹簧上。描述了接触式的，非接触式的，和用于反馈检测的。

本发明的目的是提供一种加速度开关，它具有可靠和可重复的接触阻抗，制作简单并且价格低廉，且适于应用在包括作为装在同一芯片上的双轴加速度开关在内的不同用途中。

按照本发明所提供的一种微型机械式加速度开关，包括：

包括至少一个棒的电极元件；

一个检测质量(proof mass)；

一个外壳；以及

将电极元件和检测质量连接到外壳上的一个弹簧元件，其中电极元件机械地邻接到检测质量，弹簧元件将电极元件和检测质量连接到外壳上，使它们在使用中能够绕着一个轴线转动，其中：

上述的至少一个棒是可以弯曲的，在棒的接触点和外壳内的接触区之间形成弹性接触；并且

上述的至少一个棒的质量比检测质量小得多，并且具有至少一个电接触点，在使用中，当电极元件处在预定的转角时，该电接触点与开关外壳内的相应接触区形成配合的电接触；并且

检测质量的重心与贯穿弹簧元件的轴线相距一个给定的距离。

一般来说，加速度开关的几何尺寸是可以按照影响其特性的公知的物理条件而改变的，诸如谐振频率，减振系数和阈值等等，从而便于设计成用于不同的用途。

按照这种方式获得的开关所具有的动态范围是由检测质量的尺寸和位置来确定的，而阈值则可以通过棒的长度以及在贯穿弹簧元件的轴线与接触点之间的距离来调节。

操作可靠性的一个重要标准是接触力，接触力应该大于一定的值，这是由电极材料及其装配方法所决定的。

在本发明中，如果所需的加速度阈值是给定的，只要随着检测质量和弹簧的尺寸来改变棒的质量和长度就可以很容易地改变接触力。另外，为了获得预期的性能，还需要考虑到在加速度降低到阈值以下时的“吸附”力，这种力防止断开电极表面之间的接触。将棒与检测质量分开可以在尺寸确定上获得一定的自由度，使接触力的变化与检测质量的尺寸无关。采用具有不同长度和接触间隙的两个棒就可以制成在上、下方向上具有不同阈值的开关，并且在同一个开关外壳内可以制成一个以上的开关，以便对两个方向上不同的加速度和/或不同方向上的加速度具有敏感性。

这种棒具有可以弯曲的外端，在棒的接触点和开关外壳内的接触区域之间形成弹性接触。这样就能使运动衰减，从而避免弹簧加载的棒内产生不应有的振动(“接触反弹”)。也可以通过在开关外壳内填充减振介质来衰减这种振动，优选填充一种粘滞气体，并且也可通过采用扁平形状的检测质量，由这种形状所提供的面积与其运动方向是相互垂直的。这样就能通过压膜减振(squeeze film damping)用周围的介质来减缓扁平质量体的运动。

如果按照大的高宽比(高度与宽度的比例＞＞1)来设计扭转弹簧，就能够减少交叉轴线的敏感性。

另外，在触点打开和闭合时，棒的弹性会造成电极表面之间彼此相对地摩擦接触运动。这样就能保证对表面的清洁作用，即使在触点经过许多次接触操作之后闭合时仍可以具有稳定的接触电阻值，由此确保开关能可靠地动作。

弹性接触元件具有过载保护的功能，它可以将检测质量的转动角度限制在稍稍大于与外壳内的相应接触区形成接触时的角度。

本发明的另一个优点是可以用加速度开关检测出基本上处在基片或是框架平面方向上的加速度。这还意味着可以用单一的加速度开关来检测基片平面内沿着两个正交轴方向的加速度。由于集中了这些功能，这种开关占有的面积很小，并且具有低廉的制作和使用成本。

以下要参照附图来解释本发明，在附图中：

图1是本发明一个实施例的平面图；

图2是图1所示实施例的截面图；

图3表示当本发明的电极元件接触到开关外壳内的一个接触区时的具体状况；

图4A-4C表示棒上的接触点的不同构造以及在开关外壳内的相应区域；以及

图5表示采用了本发明的一种双轴加速度开关；

图6表示包括自测电极在内的一种三维开关。

图1表示本发明的一种开关的例子。开关包括一个开关外壳5，它通过一个扭转弹簧元件3连接到电极元件4。电极元件4包括一个细棒1，在它的外端有一个电接触点6。检测质量2的重心位置与电极元件4的转动轴线相距一个距离(a)，该距离是由弹簧元件3来限定的，如图2所示。

如果开关在与电极元件4的轴线平行的分量方向上出现加速度运动，检测质量2和电极元件4就会绕着弹簧3的轴线转动，而棒1就会在朝向或是远离外壳表面的方向上移动。当加速度超过一定的极限时，接触点6就会接触到开关外壳5内的一个对应的接触区7(参见图2和3)，这样就能提供一个电信号，用来指示超过了预定的极限。

在图1所示的开关中，电极元件4还可以有选择地提供一个较宽的部分，并且在电极元件4的另一端设置有另一个棒1a，在棒1a上也可以有一个接触点6，可用来检测沿着同一个敏感度轴线的两个方向上的加速度。

在图2和3中表示了从一个侧面看到的开关的截面。在这些图中表示了电极元件4和检测质量2绕着轴线转动的状态，并且棒1上的接触点6接触到了开关外壳5之上部分内部的接触区7。

在这些图中，外壳5的上部被位于外壳5的上部与电极元件4之间的距离元件抬高了。另外在外壳的上部是开有槽的，以便为棒1和检测质量2提供向上移动的空间。如果在开关的上部开槽当然也可以获得这种效果，或者是采用在外壳上部和开关上都开槽的组合方式。接触点6在开关受到加速度时移动的距离应该由棒1的长度来决定，这样就能通过调节这一长度来调节开关的阈值。由于棒1的质量比检测质量2的质量要小，这种阈值是容易调节的。如果接触区7已经针对棒1的长度变化而被赋予了足够大的范围，接触区7在外壳5上部之内的位置将是在需要开关的不同阈值时唯一需要改变的。

图2所示的开关是由三层构成的。尽管在某些情况下可以采用其它材料，但中间层最好是采用硅。此外，根据本发明，开关可以用硅制成，或者用单晶硅制成，或者用多晶硅或多晶硅层和单晶硅组合制成。电极元件4和检测质量2是用同一片材料微型加工成的。上、下层最好是用玻璃制成，电接触区7和相应的导体优选采用薄膜淀积，也可以配合采用镀覆工艺。

硅层中还包括掺杂的导电材料。如果需要用棒1作为导电体，最好是采用后一种技术方案，这样就能避免由于在棒1中使用了两种材料而造成的温度相关性。

在图中所示的最佳实施例中，整个电极元件4和弹簧元件3都被制作在一个平面上，并且检测质量2比较厚。

这种结构的微型机加工可以用多种方式来实现，而这种工艺并不是本发明的主题，其中方法的一个例子可以包括以下步骤：

a)通过用光刻法且在p-型硅内部扩散一种n-型掺杂元件来限定运动部件和框架。或者是n-层可以是外延生长的。

b)从背面对预先通过扩散和/或外延生长而形成的p-n结进行湿法蚀刻，从而从背面形成一个凹槽或是沟槽，它限定了扭转弹簧3和臂的厚度。

c)从前面采用有选择的光刻掩模的离子蚀刻法来去掉运动部件。

然后可以将接触点6限定在一个棒或是棒1、1a的端部附近，并且可以在硅的内部掺杂任何必要的导电路径或是电路。接触点6和区域7可以用黄金或是具有良好的导电和接触特性的其他材料制成。

在图1和2中，检测质量2的形状是一个比较大的厚盘形。它除了便于加工生产之外还具有另外的优点。如果在电极元件4周围的空间内充满气体或是一种液体，检测质量2的运动就会受到阻力，因为它必须排挤周围的介质。这样就能衰减电极元件4的振荡。由外壳5构成的空腔可以采用气密密封，或是简单地与周围环境形成空气连通，使得空腔内的气体是空气。也可以采用不同的折衷方案，例如是采用所谓的“压膜”减振方法，其中通过小缝隙将气体压出。

图3表示棒1和开关外壳5的上部在棒1的接触点6和外壳的接触区7彼此接触时的细节。在图中还可以看出，当棒1由于检测质量2的运动而被压向接触区7时，棒1产生弯曲。这种弯曲会造成接触区7的摩擦接触运动。棒1的弹性还可以衰减振动并且防止电极元件4产生“回跳”。

在图4A-4C中表示了在开关外壳5和棒1之间的不同类型的触点6，7。图4A表示最简单的情况，一个电极触点被设置在棒1的接触点6和外壳5内的相应接触区7之间。图4B所示的实施例是用接触点6在位于外壳5内部的两个接触区7之间形成连接。图4C表示一种类似的技术方案，它包括两个接触点6，各自与外壳5内部的一个接触区7形成连接。

最佳的方案取决于具体需要的功能。图4A的方案需要在棒1上设置导电体，如上所述，这可以通过掺杂构成棒1的材料而实现。然而，与金属材料相比，掺杂的硅其导电性比较差。这种方案的优点在于导体之间的接触面比较小。

图4B和4C表示一个分路的方案，利用接触点6在都是位于开关外壳5内部的两个导电体之间形成电连接。在图4B中，接触点6的表面比较大，因此，形成可靠连接时所需要的力也就比较大。在图4C中解决了这一问题，它表示了两个组合的接触点6，其表面仅为一个接触点6表面的两倍，但是，在这种情况下，棒1是一个导体。当然也可以采取介于这两种实施例之间的技术方案，通过掺杂或是采用薄的金属导体在各接触点6之间形成导体。

图5表示装在单个芯片上的一种双轴加速度开关。第二开关的轴线基本上垂直于第一开关的轴线。用这种结构可以检测两个正交方向上的加速度。

图6表示一种三维加速度开关。

在一个变更的实施例中，可以在接触区8和检测质量上的相应电极(在图中没有示出)之间施加一个电压，或者是在接触点6和接触区7之间施加电压，这样就能在没有外部施加的加速度运动时利用静电力形成接触。如果开关受到超过给定极限的加速度，触点之间的连接就会断开。这一限度是由施加的电压来设定的。这样就能用电子技术来选择开关的阈值，并且可以在系统所极限的范围内进行调节。

按照这种方式施加静电力还可以用来测试开关。在图2和6中表示了用来施加电压的电极8。

Claims (16)

1.一种微型机械式加速度开关，包括：

包括至少一个棒的电极元件；

一个检测质量；

一个外壳；以及

将电极元件和检测质量连接到外壳上的一个弹簧元件，其中电极元件机械地邻接到检测质量，弹簧元件将电极元件和检测质量连接到外壳上，使它们在使用中能够绕着一个轴线转动，其特征是：

上述的至少一个棒是可以弯曲的，在棒上的接触点和外壳内的接触区之间形成弹性接触；

上述的至少一个棒的质量比检测质量小得多，并且具有至少一个电接触点，在使用中，当电极元件处在预定的转角时，该电接触点与开关外壳内的相应接触区形成配合的电接触；并且

检测质量的重心与贯穿弹簧元件的轴线相距一个给定的距离。

2.按照权利要求1的开关，其特征在于它是用硅制成的。

3.按照权利要求2的开关，其特征在于它是用单晶硅制成的。

4.按照权利要求2的开关，其特征在于它是用多晶硅或是用多晶硅层和单晶硅的组合制成的。

5.按照前述权利要求中任一项的加速度开关，其特征在于至少有一个棒是弹性的。

6.按照权利要求1的加速度开关，其特征是在两个棒的最外端包括至少一个电接触点，它与上述外壳内的相应接触区形成配合的电接触。

7.按照权利要求1至4中任一项的加速度开关，其特征是在每个棒上设有一或多个接触点，以便在两个接触区之间形成电连接，这两个接触区在电极元件转动到给定的角度时在上述外壳中具有一个对应的位置。

8.按照权利要求1至4中任一项的加速度开关，其特征是在每个棒的最外端具有一个与上述外壳内的相应接触点相配合的接触点，并且这种棒是一个导电体。

9.按照权利要求1至4中任一项的加速度开关，其特征在于弹簧元件是一个扭转弹簧，其成形为沿着轴线延伸的一个杆。

10.按照权利要求1至4中任一项的加速度开关，其特征在于进一步还包括在使用中在电极元件的接触点和外壳上的一个接触区之间提供电压的装置，由上述电压选择性地在检测质量上的电极和接触区之间提供一个力，通过调节上述电压来有选择地获得或是防止上述电极元件与第二接触点之间的接触。

11.按照权利要求1至4中任一项的加速度开关，其特征在于进一步还包括在检测质量上的电极和接触区之间提供电压的装置，选择性地在电极元件上的接触点和外壳上的接触区之间对开关进行自测，在缺少从外部施加的加速度运动的情况下在静电力的作用下使各触点接触到一起。

12.按照权利要求1至4中任一项的加速度开关，其特征在于外壳包括至少两层，在第一层上装有弹簧元件、电极元件和检测质量，第二层由玻璃或是等效材料构成并包括电接触区。

13.按照权利要求12的加速度开关，其特征在于外壳的上述第一层、电极元件、弹簧元件和检测质量是用一片材料制成的。

14.按照权利要求1至4中任一项的加速度开关，其特征在于在开关外壳内填充减振介质，并且检测质量具有扁平的形状以形成压膜减振。

15.按照权利要求14的加速度开关，其特征在于减振介质是一种粘滞的气体。

16.一种包括两个如前述任何一项权利要求所述开关的双轴的单体加速度开关，其特征是第二开关的轴线基本上垂直于第一开关的轴线。

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