一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关制造技术

本发明专利技术提供了一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，包括绝缘衬底、阵列式固定电极、吸合电极、质量块、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、反向限位阻挡结构，阵列式固定电极由图形阵列通过布局连线构成，与吸合电极通过空气间隙相互绝缘，并位于绝缘衬底上；质量块与四组连体蛇形弹簧相连，通过弹簧固定支座形成悬空可动结构，位于固定电极与吸合电极所在平面上方，反向限位阻挡结构悬空位于质量块的上方。本发明专利技术采用固定电极阵列，平面内多点布局大大增加了固定电极与质量块导通可能性；吸合电极与质量块之间存在静电吸合作用，可任意延长接触时间，提升了接触性能；反向限位阻挡结构有效抑制质量块在非敏感方向的大幅度变形，提升器件稳定性。

【技术实现步骤摘要】

专利技术涉及的是一种微机电系统
的器件，具体的是一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关。
技术介绍
作为一种无源器件，MEMS惯性开关具有无能耗、体积小、集成度高等特点。基于传统工艺设计制造的MEMS惯性开关，当受到施加于敏感方向的超过阈值的外界加速度时，移动电极与固定电极之间刚性接触，接触时间短，无法有效的采集惯性开关的瞬间导通变化，应用范围也受到了很大的限制；同时，由于加工制造过程中，自身加工条件的限制，移动电极的表面很难到达到很好的平整度，这将会影响移动电极与固定电极的碰撞接触导通过程。基于微细加工工艺制备的MEMS惯性开关具有阈值一致性好、制造成本低等特点，已成为目前惯性开关制造的主流。北京大学的Z.Y.Guo等于2010年在《An acceleration switch with a robust latching mechanism and cylindrical contacts》中提出了一种利用锁扣结构来延长接触时间的惯性开关的设计方法，在该作者的初始设计中质量块作为可动电极与固定电极通过机械式锁定结构闭合，保持接触状态。分析认为，这种强行的锁扣机制虽然能在开关闭合之后保持接触，但是需要非常大的过载加速度来促使可动电极强力越过固定电极的阻挡，因此器件的工作过程本身对器件就有一定的破坏力。因此，该作者对此类开关做了改进设计，将两电极独立设计，可动质量块不再作为电极而是作为感应加速度的功能结构，通过质量块的惯性力驱动可动电极与固定电极接触，并将固定电极设计为可变形弹簧，意在将刚性接触改为柔性接触并降低锁扣结构的刚度。同样，采用这样的设计需要在一定的过载加速度作用之下才能实现可动电极与固定电极的闭合，对于设计阈值较低的惯性开关而言，很明显，这样的设计方案满足不了设计阈值较低的惯性开关的精度要求。采用锁扣结构的设计方案结构复杂，加工制作过程也较为复杂，并且，在闭合锁定之后难以释放，不能重复使用。日本中北大学的Tadao Matsunaga等人于2002年在《Acceleration switch with extended holding time using squeeze film effect for side airbag systems》中提出了一种利用压膜阻尼效应在惯性开关接触之后实现接触时间延长的惯性开关。该设计由内外相连的质量块组成可动电极，外环多孔质量块作为产生压膜阻尼的功能组件，内部质量块作为可动电极的接触点。当可动电极在加速度作用下向固定电极移动时，可动电极中间的质量块与固定触点接触的时候，外部具有较大接触面的多孔质量块与底部形成压膜阻尼系统，两个接触面之间的阻尼吸附作用保持了可动接触点与固定接触点之间的持续接触。但是，如此设计的惯性开关由于需要较大的接触面来产生压膜阻尼，所以质量块的设计尺寸较大，不利于降低惯性开关的设计尺寸；其次，由于惯性开关的接触时间受到多种因素影响，特别是对于高阈值的惯性开关而言，阻尼吸附力相对于可动电极的弹性回复力将会变得很弱，则需要考虑采用更大的阻尼吸附作用才能达到延长接触时间的效果。因此，本领域的技术人员致力于专利技术一种接触时间长、抗干扰能力和过载能力强的MEMS惯性开关，并希望其工艺过程比较简单和便捷，让人们更加方便制造这种应用广泛的水平敏感微机械惯性开关。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足/之一，该开关基于微细加工工艺，本专利技术的目的在于提供一种接触时间长、抗干扰能力和过载能力强的静电锁定垂直方向敏感的微机械惯性开关，工艺过程比较简单和便捷。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，包括：质量块、反向限位阻挡结构、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、阵列式固定电极、吸合电极、绝缘衬底，其中：质量块与连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空在阵列式固定电极与吸合电极所在平面的上方、反向限位阻挡结构的下方，且质量块与反向限位阻挡结构之间存在间隙，连体蛇形弹簧使质量块处于悬空状态，且在施加外界加速度时，为质量块提供恢复力；弹簧固定支座固定于绝缘衬底上，并位于质量块的四周，且与连体蛇形弹簧相连，对质量块、连体蛇形弹簧结构起支撑作用；反向限位阻挡结构固定于绝缘衬底上；阵列式固定电极与吸合电极均固定于绝缘衬底上，且阵列式固定电极与吸合电极之间相互绝缘；当外界的加速度沿敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，质量块将向阵列式固定电极方向运动，同时质量块与吸合电极间的静电力增大，当静电力起主要作用时，质量块向下运动并接触到阵列式固定电极，从而实现对外电路的导通；当外界的加速度沿非敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，反向限位阻挡限制结构能够有效抑制质量块在非敏感方向的大幅度变形，从而提升所述微机械惯性开关的稳定性。优选地，所述质量块为通过多次叠层电镀金属形成的方形结构或圆形结构；在所述质量块上设有一系列的圆形孔或多边形孔以便于制备工艺最后的释放，即去除牺牲层和种子层。更优选地，所述质量块的四个侧面分别与一个连体蛇形弹簧相连接，且质量块的每个侧面与连体蛇形弹簧有两个接触点，以便更好地实现质量块的平衡。更优选地，方形结构的质量块边长为1000～3000微米、高为40～500微米。更优选地，圆形结构的质量块半径为500～2000微米、高为40～500微米。更优选地，质量块上圆形孔的直径为40～500微米、个数为1～4个。更优选地，质量块上多边形孔的面积为5000～62800平方微米、个数为1～4个。优选地，所述吸合电极为通过电镀金属形成的方形结构，在吸合电极的内部包含着一系列阵列式排列的固定电极；或者，所述吸合电极为通过电镀金属形成的圆形结构或除方形外的多边形结构。更优选地，方形结构的吸合电极的边长为1000～3000微米、高为5～200微米。更优选地，圆形结构的吸合电极，半径为500～2000微米，高为5～200微米；更优选地，多边形结构的吸合电极，面积为5000～62800平方微米，高为5～200微米。优选地，所述阵列式固定电极为通过多次叠层电镀金属形成的阵列式排列圆柱结构，且圆柱结构的阵列式固定电极之间相互连通；或者，所述阵列式固定电极为通过多次叠层电镀金属形成的阵列式排列多边体结构。更优选地，圆柱结构的阵列式固定电极的直径为10～200微米、高为6～210微米，个数为4～35个。更优选地，多边形结构的面积为300～130000平方微米、高为6～210微米，个数为4～35个。优选地，所述连体蛇形弹簧为通过电镀金属形成的多匝结构。更优选地，所述连体蛇形弹簧的线宽为5～80微米、厚度为5～80微米；所述连体蛇形弹簧的拐角处半圆内径为10～200微米。优选地，所述反向限位阻挡结构为通过电镀金属形成的带有一系列孔洞的圆形结构或多边形结构，以及四个带有一系列孔洞的悬臂梁和四个支撑柱，其中：在所述圆形结构上设置有一系列的圆形孔洞或多边形孔洞以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层；所述悬臂梁为长方体结构，在所述悬臂梁上设置有一系列的方形阵列孔或圆形阵列孔以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层；所述四个支撑柱由方形柱或圆形柱组成。更优选地，所述圆形结构的反向限位阻挡结构的直径为800～3000微米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，包括：质量块、反向限位阻挡结构、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、阵列式固定电极、吸合电极、绝缘衬底，其中：质量块与连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空在阵列式固定电极与吸合电极所在平面的上方、反向限位阻挡结构的下方，且质量块与反向限位阻挡结构之间存在间隙，连体蛇形弹簧使质量块处于悬空状态，且在施加外界加速度时，为质量块提供恢复力；弹簧固定支座固定于绝缘衬底上，并位于质量块的四周，且与连体蛇形弹簧相连，对质量块、连体蛇形弹簧结构起支撑作用；反向限位阻挡结构固定于绝缘衬底上；阵列式固定电极与吸合电极均固定于绝缘衬底上，且阵列式固定电极与吸合电极之间相互绝缘；当外界的加速度沿敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，质量块将向阵列式固定电极方向运动，同时质量块与吸合电极间的静电力增大，当静电力起主要作用时，质量块向下运动并接触到阵列式固定电极，从而实现对外电路的导通；当外界的加速度沿非敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，反向限位阻挡限制结构能够有效抑制质量块在非敏感方向的大幅度变形，从而提升所述微机械惯性开关的稳定性。

【技术特征摘要】
1.一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，包括：质量块、反向限位阻挡结构、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、阵列式固定电极、吸合电极、绝缘衬底，其中：质量块与连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空在阵列式固定电极与吸合电极所在平面的上方、反向限位阻挡结构的下方，且质量块与反向限位阻挡结构之间存在间隙，连体蛇形弹簧使质量块处于悬空状态，且在施加外界加速度时，为质量块提供恢复力；弹簧固定支座固定于绝缘衬底上，并位于质量块的四周，且与连体蛇形弹簧相连，对质量块、连体蛇形弹簧结构起支撑作用；反向限位阻挡结构固定于绝缘衬底上；阵列式固定电极与吸合电极均固定于绝缘衬底上，且阵列式固定电极与吸合电极之间相互绝缘；当外界的加速度沿敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，质量块将向阵列式固定电极方向运动，同时质量块与吸合电极间的静电力增大，当静电力起主要作用时，质量块向下运动并接触到阵列式固定电极，从而实现对外电路的导通；当外界的加速度沿非敏感方向作用于所述微机械惯性开关时，反向限位阻挡限制结构能够有效抑制质量块在非敏感方向的大幅度变形，从而提升所述微机械惯性开关的稳定性。2.根据权利要求1所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述质量块为通过多次叠层电镀金属形成的方形结构或圆形结构；在所述质量块上设有一系列的圆形孔或多边形孔以便于制备工艺最后的释放，即去除牺牲层和种子层；所述质量块的四个侧面分别与一个连体蛇形弹簧相连接，且质量块的每个侧面与连体蛇形弹簧有两个接触点，以便更好地实现质量块的平衡。3.根据权利要求2所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，方形结构的质量块，边长为1000～3000微米、高为40～500微米；圆形结构的质量块，半径为500～2000微米、高为40～500微米；质量块上圆形孔的直径为40～500微米、个数为1～4个；质量块上多边形孔的面积为5000～62800平方微米、个数为1～4个。4.根据权利要求1所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征
\t在于，所述吸合电极为通过电镀金属形成的方形结构，在吸合电极的内部包含着一系列阵列式排列的固定电极；或者，所述吸合电极为通过电镀金属形成的圆形结构或除方形外的多边形结构。5.根据权利要求4所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，方形结构的吸合电极的边长为1000～3000微米、高为5～200微米；圆形结构的吸合电极，半径为500～2000微米，高为5～200微米；多边形结构的吸合电极，面积为5000～62800平方微米，高为5～200微米。6.根据权利要求1所述一种静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关，其特征在于，所述阵列式固定电极为通过多次叠层电镀金属形成的阵列式排列圆柱结构，且圆柱结构的阵列式固...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，王艳，杨卓青，丁桂甫，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31