CN116387094B - 一体式石英微开关 - Google Patents
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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下极板、质量块、悬臂梁和基座。质量块的一端被构造成第一悬空端，质量块的另一端连接悬臂梁的一端，悬臂梁的另一端连接基座的上端，基座的下端连接下极板的一端，下极板的另一端被构造成第二悬空端。质量块的下表面设有第一金属层，下极板的上表面设有第二金属层。当质量块的下表面的第一金属层与下极板上表面的第二金属层未接触时，石英微开关保持断开。当质量块的下表面的第一金属层与接触下极板的上表面的第二金属层接触时，石英微开关导通。该开关结构简单、加工工艺简单且可靠性高。
Description
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。
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且可靠性高的一体式石英微开关。
本发明提供的一体式石英微开关，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下极板、质量块、悬臂梁和基座。质量块的一端被构造成第一悬空端，质量块的另一端连接悬臂梁的一端，悬臂梁的另一端连接基座的上端，基座的下端连接下极板的一端，下极板的另一端被构造成第二悬空端。质量块的下表面设有第一金属层，下极板的上表面设有第二金属层。当质量块的下表面的第一金属层与下极板上表面的第二金属层未接触时，石英微开关保持断开。当质量块的下表面的第一金属层与接触下极板的上表面的第二金属层接触时，石英微开关导通。
进一步地，第一金属层还设于基座和悬臂梁，第一金属层自基座的上端延伸至质量块的下表面。基座的上端设有与第一金属层电导通的第一引线金属层。下极板的第二悬空端设有与第二金属层电导通的第二引线金属层。
进一步地，第二悬空端延伸至第一悬空端的外侧，第二引线金属层设置于下极板的上表面且位于第一悬空端的外侧。优选地，第二金属层还设于下极板的侧面。
进一步地，质量块上的第一金属层设于靠近第一悬空端的部位，下极板上的第二金属层设于靠近第二悬空端的部位。
优选地，质量块、悬臂梁和基座三者的上表面齐平。
优选地，悬臂梁被构造成单悬臂直梁。
本公开的特点及优点包括：
本发明提供的一体式石英微开关，结构简单，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、基座和下极板的材料相同，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。通过在质量块的下表面和下极板的上表面布置金属层实现电导通，其结构简单，可采用溅射的方式制造金属层，其加工工艺简单，便于实现。可以方便地根据需要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石英微开关的主体的正视示意图；
图2是本发明提供的一体式石英微开关的正视示意图。
附图标记说明：
10-石英微开关；12-下极板；121-第二悬空端；14-质量块；141-第一悬空端；124-间隙；15-空腔；16-悬臂梁；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”和“第二”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包括下极板12、质量块14、悬臂梁16以及基座18。特别地，石英微开关主体22的材料是熔石英，且下极板12、质量块14、悬臂梁16和基座18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，本发明的一体式石英微开关10呈中间镂空、周边半封闭的结构。基座18侧为封闭结构，质量块14的悬空端侧未封闭。质量块14和悬臂梁16与下极板12相对设置。质量块14和悬臂梁16形成于下极板12的上侧，质量块14与下极板12之间具有间隙124。质量块14、悬臂梁16、基座18和下极板12的内侧形成空腔15。
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。质量块14具有两个端，其中一端被构造成第一悬空端141，另一端连接悬臂梁16。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二悬空端121。特别地，质量块14、悬臂梁16和基座18三者的上表面齐平。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12移动。
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。
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的下表面，第二金属层19a至少设置于下极板12的上表面，第一金属层11a与第二金属层19a通过间隙124电隔离。当质量块14的下表面的第一金属层11a与下极板12上表面的第二金属层19a未接触时，石英微开关保持断开；在惯性加速度作用，质量块14朝下极板12运动，当过载值达到闭合阈值时，质量块14的下表面的第一金属层11a与下极板12的上表面的第二金属层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。
本发明的一体式石英微开关，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。质量块、悬臂梁、基座和下极板的材料相同，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。通过在质量块的下表面和下极板的上表面布置金属层实现电导通，其结构简单，可采用溅射的方式制造金属层，加工工艺简单，便于实现。
本发明的一体式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的下表面的第一金属层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12上表面的第二金属层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的上端延伸至质量块14的下表面，使得基座18、悬臂梁16和质量块14三者互相电导通。基座18的上端设有与第一金属层11a电导通的第一引线金属层11b，下极板12的悬空端设有与第二金属层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。
继续参考图2，在一些优选的实施方式中，下极板12的第二悬空端121延伸至质量块14的第一悬空端141的外侧，第二引线金属层19b设置于下极板12的上表面且位于第一悬空端141的外侧，以便于第二引线金属层19b与外部电路连接。优选地，继续参考图2，为了加工方便，下极板12的侧面也设有第二金属层19a。
在一些实施方式中，第一金属层11a的分布位置包括质量块14的下表面的至少一部分、悬臂梁16的至少一部分和基座18的上端，第二金属层19a的分布位置包括下极板12的上表面的至少一部分。换句话说，可以仅在质量块14和悬臂梁16的部分表面设置第一金属层11a，只需满足基座18的上端能够电导通至质量块14的下表面即可。同理，可以仅在下极板12的部分表面设置第二金属层19a，只需要满足当过载值达到闭合阈值时，下极板12的第二金属层19a能够与质量块14的第一金属层11a电导通即可。为了节约材料成本，同时为了便于加工，优选地，质量块14在靠近第一悬空端141的部分设置第一金属层11a，下极板12在靠近第二悬空端121的部分设置第二金属层19a。
本发明通过在基座18的上端和下极板12的悬空端设置引线金属层，不仅方便一体式石英微开关10的外围电路布线，而且可以减小一体式石英微开关10本身的体积尺寸。另外，将金属引线层布置在基座18的上端和下极板12的悬空端，能够降低第一金属层11a和第二金属层19a布置的难度，提高第一金属层11a与第二金属层19a导通（质量块14的第一金属层11a接触下极板12的第二金属层19a）和不导通（质量块14的第一金属层11a未接触下极板12的第二金属层19a）的可靠性。
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，溅射的金属层可通过间隙124形成于质量块14的下表面和下极板12的上表面。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石英微开关，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 (7)
1.一体式石英微开关，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）包括下极板（12）、质量块（14）、悬臂梁（16）和基座（18）；
所述质量块（14）的一端被构造成第一悬空端（141），所述质量块（14）的另一端连接所述悬臂梁（16）的一端，所述悬臂梁（16）的另一端连接所述基座（18）的上端，所述基座的下端连接所述下极板（12）的一端，所述下极板（12）的另一端被构造成第二悬空端（121）；
所述质量块（14）的下表面设有第一金属层（11a），所述下极板（12）的上表面设有第二金属层（19a）；
所述质量块（14）与所述下极板（12）之间具有间隙（124），所述第一金属层（11a）与所述第二金属层（19a）通过所述间隙（124）电隔离；
在惯性加速度作用下，所述质量块（14）可向所述下极板（12）移动，当所述质量块（14）的下表面的所述第一金属层（11a）与所述下极板（12）的上表面的所述第二金属层（19a）未接触时，石英微开关保持断开；当所述质量块（14）的下表面的所述第一金属层（11a）与所述下极板（12）的上表面的所述第二金属层（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），所述第一金属层（11a）自所述基座（18）的上端延伸至所述质量块（14）的下表面；所述基座（18）的上端设有与所述第一金属层（11a）电导通的第一引线金属层（11b）；所述下极板（12）的第二悬空端设有与所述第二金属层（19a）电导通的第二引线金属层（19b）。
3.根据权利要求2所述的一体式石英微开关，其特征在于，所述第二悬空端（121）延伸至所述第一悬空端（141）的外侧，所述第二引线金属层（19b）设置于所述下极板（12）的上表面且位于所述第一悬空端（141）的外侧。
4.根据权利要求3所述的一体式石英微开关，其特征在于，所述第二金属层（19a）还设于所述下极板（12）的侧面。
5.根据权利要求4所述的一体式石英微开关，其特征在于，所述质量块（14）上的所述第一金属层（11a）设于靠近所述第一悬空端（141）的部位，所述下极板（12）上的所述第二金属层（19a）设于靠近所述第二悬空端（121）的部位。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一体式石英微开关，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。
7.根据权利要求6所述的一体式石英微开关，其特征在于，所述悬臂梁（16）被构造成单悬臂直梁。
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| CN116387094A (zh) | 2023-07-04 |
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