CN116364482B - 一体式高冲击石英微开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子机械系统技术领域，公开了一种一体式高冲击石英微开关。基于熔石英基片一体成型的石英微开关主体，石英微开关主体包括基座、悬臂梁、质量块、下极板、下极板悬臂梁和下极板质量块。质量块通过悬臂梁连接至基座的上端，下极板连接至基座的下端，下极板质量块通过下极板悬臂梁连接至下极板。质量块上设有第一金属层，下极板质量块上设有第二金属层。其中，质量块被构造成可在惯性作用下向下极板质量块移动，当质量块上的第一金属层与下极板质量块的第二金属层未接触时，石英微开关保持断开；当质量块上的第一金属层与下极板质量块的第二金属层接触时，石英微开关导通。该开关结构和加工工艺简单，且导通时间长、可靠性高。

Description

一体式高冲击石英微开关

技术领域

本发明涉及微电子机械系统技术领域，特别涉及一种石英微开关。

背景技术

惯性开关是一种以振动系统中“弹簧-质量-阻尼”为物理模型，以固体质量块为载体感知外界环境中加速度变化，并通过机械接触的方式执行开关通断状态的精密惯性装置。惯性开关是一种无源器件，不受复杂电磁信号的干扰，在武器装备、航空航天、工业等领域中获得广泛应用。

传统的惯性开关采用精密机加的方式加工质量块、壳体、电极、弹簧等零件，再进行装配、调试、筛选。零件特征尺寸在0.1mm～100mm范围，整机体积普遍大于40000mm³。受零件多、装调复杂、体积大等限制，导致其难以在现代化装备向小型化、轻量化、灵巧化方向发展中发挥重要作用。借助于微机电（MEMS）技术的快速发展，传统惯性开关正逐渐由体积小、重量轻、易集成、加工一致性好、免装配的MEMS惯性开关所替代，并在武器装备中获得了应用。

当前，MEMS惯性开关一般为采用金属微电镀方法制备的金属微开关和硅微加工方法制备的硅微开关。金属微开关制备工艺复杂、多层金属堆叠导致的应力失配也为器件的一致性、可靠性带来较多不确定因素；由于硅的绝缘性差，硅微开关的结构中需要在硅表面制作绝缘层，制备工艺复杂，成本高。

另外，现有的MEMS惯性开关（金属微开关、硅微开关）采用悬臂梁-质量块结构，质量块在惯性加速度作用下朝着固定电极移动，直至设置于质量块的移动电极与固定电极接触，MEMS惯性开关导通。由于固定电极固定不动，质量块上的移动电极接触固定电极后受反弹力作用，质量块将快速反向运动，移动电极与固定电极分离。因此，当过载值达到闭合阈值时，开关接触导通时间较短。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种加工工艺简单、可靠性高且可以延长开关导通时间的一体式高冲击石英微开关。

本发明提供一种一体式高冲击石英微开关，包括基于熔石英基片一体成型的石英微开关主体，石英微开关主体包括基座、悬臂梁、质量块、下极板、下极板悬臂梁和下极板质量块。质量块通过悬臂梁连接至基座的上端，下极板连接至基座的下端，下极板质量块通过下极板悬臂梁连接至下极板。质量块上设有第一金属层，下极板质量块上设有第二金属层。其中，质量块被构造成可在惯性作用下向下极板质量块移动，当质量块上的第一金属层与下极板质量块的第二金属层未接触时，石英微开关保持断开；当质量块上的第一金属层与下极板质量块的第二金属层接触时，石英微开关导通。

进一步地，质量块具有第一斜面，下极板质量块具有第二斜面，第一斜面与第二斜面相向设置且两者间具有间隙。第一金属层设于第一斜面上，第二金属层设于第二斜面上。当第一斜面上的第一金属层与第二斜面上的第二金属层未接触时，石英微开关保持断开；当第一斜面上的第一金属层与第二斜面上的第二金属层接触时，石英微开关导通。

可选地，质量块可被构造成两端都连接有悬臂梁。优选地，质量块被构造成具有远离基座的第一悬空端，第一悬空端设有朝下极板延伸的凸部，第一斜面设于凸部且面向基座。

进一步地，石英微开关主体还包括弹簧部，弹簧部连接至下极板。弹簧部用于减小第一斜面上的第一金属层与第二斜面上的第二金属层接触时的碰撞力。

优选地，质量块被构造成还具有第二悬空端，第二悬空端延伸至悬臂梁的下方。下极板具有第三悬空端，下极板被构造成包括内侧部和外侧部，外侧部的一端通过内侧部连接至基座的下端，外侧部的另一端为第三悬空端，下极板质量块通过下极板悬臂梁连接至第三悬空端。弹簧部连接至下极板的内侧部，且位于下极板的内侧部与第二悬空端之间。

进一步地，第一金属层还设于基座和悬臂梁上，第一金属层自基座的上表面延伸至质量块的第一斜面；基座的上表面设有与第一金属层电导通的第一引线金属层。第二金属层还设于下极板和下极板悬臂梁上，第二金属层自下极板的下表面延伸至第二斜面；下极板的下表面设有与第二金属层电导通的第二引线金属层。

优选地，下极板悬臂梁和弹簧部均被构造为折叠梁。

优选地，质量块、所述悬臂梁和所述基座三者的上表面齐平。

优选地，悬臂梁被构造为单悬臂直梁。

本公开的特点及优点包括：

本发明提供的一体式高冲击石英微开关，由于石英微开关主体基于同一块熔石英基片一体成型，因此，不需要采用多层基片键合而成，其加工工艺简单，有利于降低开关的制造成本。并且，质量块、悬臂梁、基座、下极板、下极板悬臂梁和下极板质量块的材料相同，使得石英微开关热应力小，器件稳定性高。另外，石英微开关主体的材料为熔石英，使得石英微开关具有低热膨胀系数、无载流子效应和抗辐照性能好的特点，石英微开关的可靠性高。通过在下极板上设置下极板悬臂梁和下极板质量块，在质量块与下极板质量块的接触面上分别布置金属层实现电导通，在惯性加速度作用下，当质量块的金属层与下极板质量块的金属层接触时，由于下极板质量块连接至下极板悬臂梁，质量块可推动下极板质量块一起移动，可延长接触时间，从而延长开关的导通时间。而且，可以方便地根据加工需求获得任意宽度和长度尺寸的石英微开关。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一体式高冲击石英微开关的石英微开关主体的正视示意图；

图2是本发明提供的一体式高冲击石英微开关的正视示意图，其中，石英微开关状态为断开；

图3是本发明提供的一体式高冲击石英微开关的正视示意图，其中，石英微开关状态为导通且石英微开关的下极板悬臂梁未变形；

图4是本发明提供的一体式高冲击石英微开关的正视示意图，其中，石英微开关状态为导通且下极板悬臂梁变形。

附图标记说明：

10-石英微开关，12-下极板，121-第三悬空端，123-内侧部，124-外侧部，125-间隙，126-下极板悬臂梁，13-弹簧部，14-质量块，141-第一悬空端，142-第二悬空端，143-第一斜面，144-下表面，15-空腔，16-悬臂梁，17-下极板质量块，171-第二斜面，18-基座，11a-第一金属层，11b-第一引线金属层，19a-第二金属层，19b-第二引线金属层；22-石英微开关主体。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在本发明描述中，术语“第一”、“第二”和“第三”仅用于区分描述，不表示任何顺序、数量或者重要性，不能理解为指示或暗示先后顺序、相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“上表面”、“下表面”、“侧面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，不能理解为对发明的限制。

参考图1、图2，本发明公开一种一体式高冲击石英微开关10，包括石英微开关主体22及设置于石英微开关主体22的金属层。石英微开关主体22包括基座18、悬臂梁16、质量块14、下极板12、下极板悬臂梁126和下极板质量块17。特别地，石英微开关主体22的材料是熔石英，且基座18、悬臂梁16、质量块14、下极板12、下极板悬臂梁126和下极板质量块17由同一片熔石英基片一体成型地构造而成。

整体而言，参见图1，本发明的一体式高冲击石英微开关10呈中间镂空、周边半封闭的结构。质量块14、悬臂梁16、基座18和下极板12的内侧形成空腔15。基座18侧为封闭结构，质量块14与下极板12被空腔15分隔开。质量块14与悬臂梁16位于空腔15的一侧，下极板12、下极板悬臂梁126和下极板质量块17位于空腔15的另一侧。质量块14与下极板质量块17相对设置且两者之间具有间隙125。特别地，质量块14、悬臂梁16和基座18三者的上表面齐平。

具体地，参见图1，基座18具有上下两个端，上端连接悬臂梁16，下端连接下极板12。悬臂梁16的一端连接至基座18的上端，悬臂梁16的另一端连接至质量块14。下极板质量块17通过下极板悬臂梁126连接至下极板12。由于悬臂梁16和质量块14组成“弹簧-质量”结构，在惯性加速度作用下，质量块14可向下极板质量块17移动。由于下极板质量块17连接至下极板悬臂梁126，质量块14向下移动的过程中，质量块14可推动下极板质量块17一起向下移动。

在一些实施例中，参见图1，质量块14具有两个悬空端，分别为第一悬空端141和第二悬空端142，悬臂梁16连接至质量块14的中部，第一悬空端141为远离悬臂梁16或基座18的一端，第二悬空端142延伸至悬臂梁16的下方。在另一些实施例中，质量块14仅具有一个悬空端，即第一悬空端141，质量块14的另一端连接至悬臂梁16。在一些实施例中，质量块14的下表面144整体为平面。优选地，在一些实施例中，参见图1，质量块14的第一悬空端141设有朝下极板12延伸的凸部，例如在第一悬空端141的下表面144设置凸部，凸部具有第一斜面143。在一些实施例中，如图1所示，第一斜面143可面向基座18设置；在另一些实施例中，第一斜面143可背对基座18设置。需要补充的是，质量块14的凸部不是必须的，例如，第一斜面143可背对基座18设置时，可不设置凸部。

在一些实施例中，下极板质量块17的上表面整体为平面。优选地，继续参见图1，下极板质量块17具有第二斜面171。第一斜面143与第二斜面171相向设置，且二者的倾斜方向相同。在一些实施例中，在自然状态下，第一斜面143与第二斜面171完全错开，参见图2，第一斜面143位于第二斜面171的斜上方，二者错开布置，有利于采用溅射的方式在第一斜面143和第二斜面171上制造金属层。在一些实施例中，第一斜面143和第二斜面171与平面的夹角为30°~60°，优选为45°。

在一些实施例中，继续参见图1，下极板12的一端连接基座18的下端，下极板12的另一端被构造成第三悬空端121。下极板质量块17通过下极板悬臂梁126连接至下极板12的第三悬空端121。在一些实施例中，继续参见图1，下极板12被构造成包括内侧部123和外侧部124，外侧部124的一端通过内侧部123连接至基座18的下端，外侧部124的另一端为第三悬空端121。在一些实施例中，内侧部123的上表面与外侧部124的上表面齐平。在一些实施例中，参见图1，内侧部123的上表面凸出于外侧部124的上表面。在一些实施例中，下极板悬臂梁126设置于外侧部124与质量块14之间的空腔15，外侧部124的上表面低于内侧部123的上表面可为下极板悬臂梁126提供更多的布置空间。

具体地，悬臂梁16可被构造成悬臂直梁、折叠梁、螺旋梁、弓形梁等，形式不限。继续参见图1，在一些实施方式中，为方便加工，悬臂梁16具体为单悬臂直梁。

在一些实施例中，参见图2，石英微开关10的金属层包括第一金属层11a和第二金属层19a，其中第一金属层11a至少设置于质量块14的第一斜面143，第二金属层19a至少设置于下极板质量块17的第二斜面171，第一金属层11a与第二金属层19a通过间隙125电隔离。当质量块14的第一斜面143上的第一金属层11a与下极板质量块17的第二斜面171上的第二金属层19a未接触时，石英微开关保持断开；在惯性加速度作用下，质量块14朝下极板质量块17运动，当过载值达到闭合阈值时，质量块14的第一斜面143上的第一金属层11a与下极板质量块17的第二斜面171上的第二金属层19a物理接触，第一金属层11a与第二金属层19a电导通，即石英微开关导通。

由于接触面被构造成斜面，参见图3和图4，当第一斜面143上的第一金属层11a与第二斜面171上的第二金属层19a物理接触时，质量块14可相对于下极板质量块17继续向下移动，不仅增加导通面积，还可起到缓冲作用，可延长二者的接触时间，从而延长开关的导通时间。

本发明的一体式高冲击石英微开关10，由于石英微开关主体22基于同一块熔石英基片一体成型，因此，不需要采用多层基片键合而成，其加工工艺简单，有利于降低开关的制造成本。质量块14、悬臂梁16、基座18、下极板12、下极板悬臂梁126和下极板质量块17的材料相同，使得石英微开关10热应力小，器件稳定性高。另外，石英微开关主体22的材料为熔石英，使得石英微开关10具有低热膨胀系数、无载流子效应和抗辐照性能好的特点，石英微开关的可靠性高。在下极板12上设置下极板悬臂梁126和下极板质量块17，在质量块14与下极板质量块17的接触面上分别布置金属层实现电导通，在惯性加速度作用下，当质量块14上的金属层与下极板质量块17上的金属层接触时，质量块14可推动下极板质量块17一起移动，可延长接触时间，从而延长开关的导通时间。

在一些实施例中，参见图1，石英微开关主体22还包括弹簧部13，弹簧部13连接至下极板12；弹簧部13用于减小第一斜面143上的第一金属层11a与第二斜面171上的第二金属层19a接触时的碰撞力，即弹簧部13可缓解质量块14对下极板质量块17的冲击。优选地，弹簧部13连接至下极板12的内侧部123的靠近基座18的一端，弹簧部13位于下极板12的内侧部123与第二悬空端142之间。参见图3和图4，在惯性加速度作用下，当第一斜面143上的第一金属层11a与第二斜面171上的第二金属层19a接触时，弹簧部13与质量块14的第二悬空端142接触，在质量块14相对于下极板质量块17继续向下移动的过程中，弹簧部13受质量块14的下表面144的挤压而发生形变，可减小质量块14对下极板质量块17的冲击力，减小碰撞力。

弹簧部13和下极板悬臂梁126可被构造成悬臂直梁、折叠梁、螺旋梁、弓形梁等，形式不限。在一些实施例中，参见图1，弹簧部13和下极板悬臂梁126均被构造成折叠梁。

参见图2，本发明的一体式高冲击石英微开关还包括与外部电路连接的第一引线金属层11b和第二引线金属层19b。第一引线金属层11b与质量块14的第一斜面143上的第一金属层11a电导通，可布置于质量块14、悬臂梁16或基座18上；第二引线金属层19b与下极板质量块17的第二斜面171的第二金属层19a电导通，可布置于下极板12或基座18上。

优选地，在一些实施方式中，为了便于与外部电路连接，参考图2，基座18、悬臂梁16和质量块14设有互相导通的第一金属层11a，第一金属层11a自基座18的上表面延伸至质量块14的第一斜面143，使得基座18、悬臂梁16和质量块14三者互相电导通。基座18的上表面设有与第一金属层11a电导通的第一引线金属层11b。下极板12、下极板悬臂梁126和下极板质量块17设有互相导通的第二金属层19a，第二金属层19a自下极板12的下表面延伸至下极板质量块17的第二斜面171。下极板12的下表面设有与第二金属层19a电导通的第二引线金属层19b。第一引线金属层11b和第二引线金属层19b用于与外部电路连接。其中，第二引线金属层19b可设于外侧部124的下表面，也可设于内侧部123的下表面。在图2所示的实施例中，第二引线金属层19b设于外侧部124的下表面。

通过在基座18的上表面设置第一引线金属层11b和下极板12的下表面设置第二引线金属层19b，不仅方便一体式高冲击石英微开关10的外围电路布线，还能降低引线布置对“弹簧-质量块”的惯性加速度敏感性的影响，即可以提高第一金属层11a与第二金属层19a导通（质量块14的第一斜面143上的第一金属层11a接触下极板质量块17的第二斜面171上的第二金属层19a）和不导通（质量块14的第一斜面143上的第一金属层11a未接触下极板质量块17的第二斜面171上的的第二金属层19a）的可靠性。

在一些实施方式中，可以仅在质量块14、悬臂梁16和基座18的部分表面设置第一金属层11a，只需满足第一引线金属层11b能够电导通至质量块14的第一斜面143即可。同理，可以仅在下极板12、下极板悬臂梁126和下极板质量块17的部分表面设置第二金属层19a，只需要满足第二引线金属层19b能够电导通至下极板质量块17的第二斜面171即可。

采用物理掩膜的方法，在石英微开关主体22上溅射金属层，形成第一金属层11a和第二金属层19a。在一些实施例中，具体地，在基座18、悬臂梁16和质量块14上溅射金属层，形成第一金属层11a；在下极板12、下极板悬臂梁126和下极板质量块17上溅射金属层，形成第二金属层19a。在一些实施例中，在石英微开关主体22的正面和背面分别溅射金属层，在向石英微开关主体22的正面和背面溅射金属层时，质量块14的第一斜面143上以及下极板质量块17的第二斜面171上会分别形成第一金属层11a与第二金属层19a。溅射金属层具体是指依次溅射铬（Cr）、金（Au），溅射厚度分别为200Ǻ、2000Ǻ。

本发明提供的一体式高冲击石英微开关，其结构简单，导通时间长，可靠性高。由于石英微开关主体是基于同一片熔石英基片加工形成，因此，避免了多层基片键合，加工工艺简单，有利于降低开关的制造成本。

以上仅为本公开的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本公开实施例进行各种改动或变型而不脱离本公开的精神和范围。

Claims (9)

1.一体式高冲击石英微开关，其特征在于，包括基于同一片熔石英基片一体成型的石英微开关主体（22），所述石英微开关主体（22）包括基座（18）、悬臂梁（16）、质量块（14）、下极板（12）、下极板悬臂梁（126）和下极板质量块（17）；

所述质量块（14）通过所述悬臂梁（16）连接至所述基座（18）的上端，所述下极板（12）连接至所述基座（18）的下端，所述下极板质量块（17）通过所述下极板悬臂梁（126）连接至所述下极板（12）；

所述质量块（14）上设有第一金属层（11a），所述下极板质量块（17）上设有第二金属层（19a）；

所述质量块（14）与所述下极板质量块（17）相对设置且两者之间具有间隙（125），所述第一金属层（11a）与所述第二金属层（19a）通过所述间隙（125）电隔离；

其中，所述质量块（14）被构造成可在惯性作用下向所述下极板质量块（17）移动，当质量块（14）上的第一金属层（11a）与所述下极板质量块（17）的第二金属层（19a）未接触时，石英微开关保持断开；当质量块（14）上的第一金属层（11a）与所述下极板质量块（17）的第二金属层（19a）接触时，石英微开关导通。

2.根据权利要求1所述的一体式高冲击石英微开关，其特征在于，所述质量块（14）具有第一斜面（143），所述下极板质量块（17）具有第二斜面（171）；

所述第一金属层（11a）设于所述第一斜面（143）上，所述第二金属层（19a）设于所述第二斜面（171）上；

当所述第一斜面（143）上的所述第一金属层（11a）与所述第二斜面（171）上的所述第二金属层（19a）未接触时，石英微开关保持断开；当第一斜面（143）上的所述第一金属层（11a）与所述第二斜面（171）上的所述第二金属层（19a）接触时，石英微开关导通。

3.根据权利要求2所述的一体式高冲击石英微开关，其特征在于，所述质量块（14）被构造成具有远离所述基座（18）的第一悬空端（141），所述第一悬空端（141）设有朝下极板（12）延伸的凸部，所述第一斜面（143）设于所述凸部且面向所述基座（18）。

4.根据权利要求3所述的一体式高冲击石英微开关，其特征在于，所述石英微开关主体（22）还包括弹簧部（13），所述弹簧部（13）连接至所述下极板（12）；

所述弹簧部（13）用于减小所述第一斜面（143）上的所述第一金属层（11a）与所述第二斜面（171）上的所述第二金属层（19a）接触时的碰撞力。

5.根据权利要求4所述的一体式高冲击石英微开关，其特征在于，所述质量块（14）被构造成还具有第二悬空端（142），所述第二悬空端（142）延伸至所述悬臂梁（16）的下方；

所述下极板（12）具有第三悬空端（121），所述下极板（12）被构造成包括内侧部（123）和外侧部（124），所述外侧部（124）的一端通过所述内侧部（123）连接至所述基座（18）的下端，所述外侧部（124）的另一端为所述第三悬空端（121），所述下极板质量块（17）通过所述下极板悬臂梁（126）连接至所述第三悬空端（121）；

所述弹簧部（13）连接至所述下极板（12）的内侧部（123），且位于所述下极板（12）的内侧部（123）与所述第二悬空端（142）之间。

6.根据权利要求5所述的一体式高冲击石英微开关，其特征在于，所述第一金属层（11a）还设于所述基座（18）和所述悬臂梁（16）上，所述第一金属层（11a）自所述基座（18）的上表面延伸至所述质量块（14）的所述第一斜面（143）；所述基座（18）的上表面设有与所述第一金属层（11a）电导通的第一引线金属层（11b）；

所述第二金属层（19a）还设于所述下极板（12）和所述下极板悬臂梁（126）上，所述第二金属层（19a）自所述下极板（12）的下表面延伸至所述第二斜面（171）；所述下极板（12）的下表面设有与所述第二金属层（19a）电导通的第二引线金属层（19b）。

7.根据权利要求4所述的一体式高冲击石英微开关，其特征在于，所述下极板悬臂梁（126）和所述弹簧部（13）均被构造为折叠梁。

8.根据权利要求1~7中任一项所述的一体式高冲击石英微开关，其特征在于，所述质量块（14）、所述悬臂梁（16）和所述基座（18）三者的上表面齐平。

9.根据权利要求8所述的一体式高冲击石英微开关，其特征在于，所述悬臂梁（16）被构造为单悬臂直梁。