基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁及其制备方法，所述密码锁包括一对密码轮，用于控制光耦合盘位置；一个光耦合盘，位于其中一个密码轮下方，用于与该密码轮配合实现光通路；两组微电机，一组传动机构，包括四个传动齿轮、两组棘轮棘爪，用于控制密码轮转向；六个支撑住，用于支撑密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮棘爪；两个基板，用于封装和保护密码锁内部机构。本发明专利技术采用EFAB一体化工艺，具有工艺简洁、体积小、结构精密、性能安全可靠的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁及其制备方法
本专利技术涉及一种微机电
的机械密码锁，具体地，涉及一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁及其制备方法。
技术介绍
微机电安全密码锁是一种用于要害系统(highconsequencesystem，指由于意外事故或人为破坏造成重大灾难性后果的系统)中的能量门控或开关机构(energygatingorswitchingmechanism)，能阻止外加能量通过屏障(barrier)到达禁区(exclusionregion)内部。能打开此密码锁的唯一号码是一组独特信号(UQS,UniqueSignal)。相对于数字密码锁可以被破解的缺点，微机电安全密码锁满足要害系统的四个安全主题，即隔离性(isolation)、不兼容性(incompatibility)、不可操作性(inoperability)、独立性(independence)。随着集成电路工艺和超精密加工技术的迅猛发展，机械结构尺寸越来越细小，微机电密码锁技术已成为各发达国家的研究热点。基于MEMS技术的微机电密码锁具有可靠性高、误解码率低、外型微小、寿命长等特点，是一种典型的机电一体化或光机电一体化系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁的结构和工艺，具有体积小、结构精密、工艺简单，性能安全可靠的优点。根据本专利技术的一个方面，提供一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，所述密码锁包括：一对密码轮，用于控制光耦合盘位置；一个光耦合盘，位于一对密码轮其中一个的下方，用于与密码轮配合实现光通路；一组传动机构，包括四个传动齿轮和两组棘轮棘爪，用于控制密码轮转向；两个微电机，每个微电机由两个定子和一个转子组成，用于带动传动齿轮转动，从而带动密码轮转动；八个支撑柱，用于支撑密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪；两个基板，用于封装和保护密码锁其他各部件。优选地，所述密码轮为一对单向运动的反干涉齿轮集，由传动机构带动并控制转动方式，可实现密码固化与鉴别，可通过调整各层码盘的齿分布、码盘的层数来适应密码比特数的变化。优选地，在所述光耦合盘的特定位置打孔，基板在特定位置处也留有通孔，当密码正确时，光耦合盘上的孔与基板上的通孔形成一条光通路，进而实现光通信。优选地，所述传动机构包括四个传动齿轮和两组棘轮、棘爪，其中：传动齿轮由微电机驱动转动，从而带动密码轮转动；棘爪控制棘轮单方向转动，从而控制传动齿轮单方向转动，最终控制密码轮单方向转动。优选地，两个所述微电机的结构相同，均由两个定子和一个转子组成，其中：两个定子分别生长在两个基板上，转子由支撑柱支撑，转子与两个定子间的气隙一致；转子的外围为与传动齿轮啮合的齿轮结构，当转子转动时带动传动齿轮转动，从而带动密码轮转动。更优选地，所述定子的线圈中间有镍磁芯，并在线圈之间填充氧化铝作为绝缘材料。更优选地，所述线圈的材料为铜。优选地，用于支撑所述棘爪的所述支撑柱一个端面生长在基板上，其他所述支撑柱的两个端面分别生长在两个基板上；所述支撑柱与密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪之间均留有间隙，以使密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪均可绕支撑柱转动。优选地，两个所述基板均为长方体结构，并由支撑柱连接，两个所述基板之间构成容纳和保护其他各部件的空间；所述基板用于生长微电机的定子，定子的线圈引线穿过基板，基板的表面有金焊点用于电气连接。更优选地，所述基板的材料为铁氧体，铁氧体是电阻率较大的导磁材料，有利于微电机磁路性能的提高。优选地，所述密码轮、光耦合盘、传动齿轮、棘轮棘爪、支撑柱以及微电机的转子材料均为镍。根据本专利技术的另一个方面，提供一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)、定子加工工艺：在硅基板沉积金焊点；接着沉积聚酰亚胺牺牲层；沉积Cu引线；沉积硅基板通孔的聚酰亚胺牺牲层；沉积铁氧体基板；沉积底层连接线层和传动机构的支撑柱；沉积Al2O3绝缘层；沉积铜引线和传动机构的支撑柱；沉积Al2O3绝缘层；沉积第一层线圈和传动机构的支撑柱，线圈中间是镍磁芯；沉积Al2O3绝缘层；沉积Cu引线和传动机构的支撑柱，沉积Al2O3绝缘层，重复上述步骤制作接下来的几层线圈，最后得到带有引线脚线圈的定子；(2)、其他结构的工艺：在一个制作好定子的硅基板上分层沉积，按照EFAB工艺，沉积一层结构层，再沉积一层牺牲层，将结构层和牺牲层磨平，再加工下一层；最终实现光耦合盘、传动齿轮、支撑柱、微电机转子、密码轮、棘轮、棘爪的结构，其中：在支撑柱与光耦合盘、密码轮、转子、传动齿轮、棘轮、棘爪之间设置牺牲层，后期腐蚀去掉，以便于光耦合盘、密码轮、传动齿轮、棘轮、棘爪可以绕其支撑柱转动；(3)将步骤(2)得到的结构作为密码锁的下层结构，将下层结构的硅基板剥除并腐蚀掉牺牲层；将另一个制作好定子的硅基板剥除并腐蚀掉牺牲层，作为密码锁的上层结构；将上下两层结构键合，得到完整的密码锁。本专利技术中所述密码锁采用EFAB工艺，逐层沉积的技术可加工出任意的内部结构，一体化的工艺使得所述密码锁结构紧凑精密，完善的部件设计保障了安全可靠的性能。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、利用EFAB工艺思想，可通过相对简单的工艺得到复杂的三维结构；2、借助微加工优势使得密码锁器件小型化，结构精密；3、工艺设计中牺牲层和绝缘层的设置，保障了可靠的操作性能；4、棘轮棘爪以及反干涉齿轮的设计，使得密码锁成为功能完善，安全可靠的器件。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一实施例的基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁的三维结构示意图；图2为本专利技术一实施例的反干涉传动齿轮集的三维示意图；图3A为本专利技术一实施例的光耦合盘的三维示意图；图3B为本专利技术一实施例在密码正确时实现光通路的三维示意图；图4为本专利技术一实施例的传动机构的三维示意图；；图5A为本专利技术一实施例的微电机结构的三维示意图；图5B为本专利技术一实施例的微电机定子的结构示意图；图5C为本专利技术一实施例的微电机转子的结构示意图；图6为本专利技术一实施例的基板的三维示意图；图7为本专利技术一实施例的微电机定子的工艺流程图；图8A为本专利技术一实施例的工艺流程图；图8B为本专利技术一实施例的支撑柱与转动部件间隙的工艺设计图。图中：1为铁氧体基板，2为棘爪，3为棘轮，4为传动齿轮，5为定子，6为转子，7为密码轮，8为光耦合盘，9为支撑柱，10为金焊点，11为硅基板，12为聚酰亚胺牺牲层，13为氧化铝绝缘层，14为铜连接线，15为铜线圈，16为镍磁芯，17为黑色牺牲层，18为光通孔。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，本实施例提供一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，包括：一对密码轮7，用于控制光耦合盘8位置；一个光耦合盘8，位于一对密码轮7其中一个的下方，用于与密码轮7配本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，所述密码锁包括：一对密码轮，用于控制光耦合盘位置；一个光耦合盘，位于一对密码轮其中一个的下方，用于与密码轮配合实现光通路；一组传动机构，包括四个传动齿轮和两组棘轮棘爪，用于控制密码轮转向；两个微电机，每个微电机由两个定子和一个转子组成，用于带动传动齿轮转动，从而带动密码轮转动；八个支撑柱，用于支撑密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪；两个基板，用于封装和保护密码锁其他各部件。

【技术特征摘要】
1.一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，所述密码锁包括：一对密码轮，用于控制光耦合盘位置；一个光耦合盘，位于一对密码轮其中一个的下方，用于与密码轮配合实现光通路；在所述光耦合盘的特定位置打孔，基板在特定位置处也留有通孔，当密码正确时，光耦合盘上的孔与基板上的通孔形成一条光通路，进而实现光通信；一组传动机构，包括四个传动齿轮和两组棘轮棘爪，用于控制密码轮转向；两个微电机，每个微电机由两个定子和一个转子组成，用于带动传动齿轮转动，从而带动密码轮转动；八个支撑柱，用于支撑密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪；两个基板，用于封装和保护密码锁其他各部件。2.根据权利要求1所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，所述密码轮为一对单向运动的反干涉齿轮集，由传动机构带动并控制转动方式，可实现密码固化与鉴别，可通过调整各层码盘的齿分布、码盘的层数来适应密码比特数的变化。3.根据权利要求1所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，所述光耦合盘的材料为镍。4.根据权利要求1所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，所述传动机构包括四个传动齿轮和两组棘轮、棘爪，其中：传动齿轮由微电机驱动转动，从而带动密码轮转动；棘爪控制棘轮单方向转动，从而控制传动齿轮单方向转动，最终控制密码轮单方向转动。5.根据权利要求1所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，两个所述微电机的结构相同，均由两个定子和一个转子组成，其中：两个定子分别生长在两个基板上，转子由支撑柱支撑，转子与两个定子间的气隙一致，转子的外围为与传动齿轮啮合的齿轮结构，当转子转动时带动传动齿轮转动，从而带动密码轮转动。6.根据权利要求5所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，所述定子的线圈中间有镍磁芯，并在线圈之间填充氧化铝作为绝缘材料；所述线圈的材料为铜；所述转子的材料为镍。7.根据权利要求1所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，用于支撑所述棘爪的所述支撑柱一个端面...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，邢亚亮，唐健，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31