一种步进吸合静电锁定的微机械惯性开关制造技术

本发明专利技术提供一种步进吸合静电锁定的微机械惯性开关，其中：阵列式固定电极为阵列式分布并通过布局连线构成，与吸合电极通过空气间隙相互绝缘并位于绝缘衬底上；柔性连接多平面式移动电极与连体蛇形弹簧相连，通过弹簧固定支座形成悬空可动结构，反向限位阻挡结构悬空位于柔性连接多平面式移动电极上方。本发明专利技术平面内阵列式布局大大增加固定电极与柔性连接多平面式移动电极接触可能性；吸合电极与柔性连接多平面式移动电极之间静电吸合作用能够任意延长固定电极与柔性连接多平面式移动电极之间接触时间，提升接触性能；反向阻挡限位结构能够有效抑制柔性连接多平面式移动电极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】
一种步进吸合静电锁定的微机械惯性开关
专利技术涉及的是一种微机电系统
的器件，具体的是一种具有步进吸合作用的静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关。
技术介绍
MEMS惯性开关是一种集传感器与执行器功能与一体的无源器件，具有尺寸小、集成度高、无能耗等特点。基于表面微加工工艺制作的MEMS惯性开关具有制造成本低、阈值一致性好等特点，已成为制作惯性开关的主流。传统报道的MEMS惯性开关，在敏感方向受到超过阈值的外界加速度时，移动电极向固定电极方向移动并发生刚性碰撞，接触时间极为短暂，增加了信号处理电路的难度，应用范围受到了极大地限制；同时，由于加工工艺和设计等局限，移动电极的接触表面很难保证很好的平整度，这将会影响在实际应用中移动电极与固定电极的碰撞接触过程。西安电子科技大学的JianZhao等人于2006年在《AnovelMEMSparallel-beamaccelerationswitch》中根据梁的大饶度后屈曲理论设计了一种应用于汽车安全气囊约束系统的惯性开关。该设计采用两根倾斜的悬臂梁支撑敏感质量块作为移动电极，当在惯性开关的敏感方向施加超过阈值的外界加速度时，敏感质量块在惯性力作用下与固定电极发生碰撞接触，此时支撑悬臂梁将发生屈曲形变，移动电极将会在支撑悬臂梁的屈曲状态下保持一段时间，这段时间为该设计惯性开关的接触时间。理论上，在没有采取复位措施的情况下，该设计的惯性开关的接触时间可以无限延长。但是，在实际应用中，敏感质量块与固定电极的刚性碰撞接触常常会导致反弹现象，尤其在高阈值的惯性开关中，该设计的惯性开关既有更高的反弹概率，因此，这种设计的惯性开关的安全性能以及可靠性是一个重要问题。北京大学的Z.Y.Guo等人于2008年在《Design,fabricationandcharacterizationofalatchingaccelerationswitchwithmulti-contactsindependenttotheproof-mass》中设计了一种具有闭锁结构的惯性开关。当移动电极与固定电极碰撞接触后，两电极在闭锁结构的作用下实现锁定，移动电极不能回复到初始位置，接触时间被无限延长。从设计结构来看，基于摩擦力分析，需要在较大的过载加速度作用下才能实现移动电极与固定电极之间的锁定。分析认为，这种设计的闭锁结构虽然能实现移动电极与固定电极之间的锁定，但是需要非常大的过载加速度才能保证移动电极穿过固定电极的阻挡，因而器件的工作过程对器件有一定的破坏力。因此，该作者进行了改进设计，将质量块设计为感应加速度的功能结构而不是移动电极，质量块在惯性力的作用下驱动移动电极与固定电极发生碰撞接触，并将固定电极设计为可变性弹簧，从而降低闭锁结构的刚度将刚性接触变为柔性接触。同时，为了提高惯性开关的碰撞接触可靠性并增大接触表面，将固定电极的接触点结构改为具有凹槽结构的圆柱形接触面。同样，器件在应用过程中需要一定的过载加速度才能够保证实现移动电极与固定电极之间的闭合锁定，因而，改进后的设计无法满足阈值较低的惯性开关的精度要求，同样存在着测试完成后无法复位的问题。因此，本领域的研究人员致力于研究提高器件电极间的接通可靠性，获得具有较长脉冲宽度的输出信号并且能够在使用完成后能够实现复位，抗干扰能力和过载能力强的MEMS惯性开关，同时，希望能够降低惯性开关的制作工艺难度，降低生产成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于基于表面微加工工艺，提供一种具有步进吸合功能的静电锁定垂直方向敏感的微机械惯性开关，使其能够感知垂直方向的振动加速度。当沿惯性开关的敏感方向施加超过阈值的加速度时，惯性开关的移动电极向固定电极方向移动并与之发生碰撞接触，并且，通过移动电极与吸合电极之间的静电力使移动电极与固定电极之间保持接触状态，从而大大延长接触时间，实现有效触发；同时，本专利技术提供的柔性连接多平面式移动电极，通过分块式的结构，能够实现步进吸合作用，降低吸合电压，保证移动电极表面的平整度；并且，本专利技术提供的阵列式固定电极，能够有效减小对有效吸合面积的影响，从而，保证惯性开关的移动电极与固定电极实现有效接触并实现锁定功能，提高所述微机械惯性开关的稳定性。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步进吸合静电锁定的微机械惯性开关，包括：柔性连接多平面式移动电极、反向阻挡限位结构、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：所述柔性连接多平面式移动电极与连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空于反向阻挡限位结构的下方、阵列式固定电极和吸合电极所在平面的上方，且柔性连接多平面式移动电极与反向阻挡限位结构之间存在间隙；所述连体蛇形弹簧使柔性连接多平面式移动电极处于悬空状态，且在施加外界加速度时为柔性连接多平面式移动电极提供恢复力；所述弹簧固定支座固定于绝缘衬底上，且与连体蛇形弹簧相连，用于对连体蛇形弹簧、柔性连接多平面式移动电极起支撑作用；所述反向阻挡限位结构固定于绝缘衬底上，用于对柔性连接多平面式移动电极在敏感方向的反方向大位移运动起阻挡作用；所述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通过空气相互绝缘；当外界的加速度沿敏感方向作用于所述微机械惯性开关，柔性连接多平面式移动电极向阵列式固定电极方向运动，同时柔性连接多平面式移动电极与吸合电极之间的静电力不断增大，当静电力起主要作用时，柔性连接多平面式移动电极向下运动接触到阵列式固定电极，从而实现对外电路的导通，并通过静电力实现柔性连接多平面式移动电极与阵列式固定电极之间的锁定，任意控制接触时间；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，反向阻挡限位结构能够有效抑制柔性连接多平面式移动电极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，所述柔性连接多平面式移动电极为通过多次叠层电镀金属形成的方形结构。更优选地，所述柔性连接多平面式移动电极为方形结构的边长为500～3500微米、高为20～450微米。优选地，所述柔性连接多平面式移动电极由分块平面移动电极和柔性结构构成，其中：分块平面移动电极为方形结构或圆形结构；柔性结构为矩形结构。更优选地，当所述分块平面移动电极为方形结构时，其边长为90～680微米、高为20～450微米；当所述分块平面移动电极为圆形结构时，其半径为50～400微米、高为20～450微米。更优选地，所述柔性结构的宽为10～80微米、长为20～160微米、高为20～450微米。优选地，在所述柔性连接多平面式移动电极上设置一系列的孔以便于最后的释放，即去除牺牲层和种子层。更优选地，所述孔为圆形孔，圆形孔的直径为30～250微米，个数为1～4个；或者，所述孔为多边形孔，多边形孔的面积为2800～196000平方微米、个数为1～4个。优选地，所述柔性连接多平面式移动电极的四个侧面与连体蛇形弹簧相连接，且每个侧面与对应连接的连体蛇形弹簧有两个接触点，以便更好地实现柔性连接多平面式移动电极的平衡。优选地，所述吸合电极为通过电镀金属形成的方形结构或者圆形结构或者多边形结构，并在吸合电极内部包含一系列的固定电极。更优选地，当所述吸合电极为方形结构时，其边长为500～3500微米、高为3～250微米；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种步进吸合静电锁定的微机械惯性开关，其特征在于，包括：柔性连接多平面式移动电极、反向阻挡限位结构、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：所述柔性连接多平面式移动电极与连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空于反向阻挡限位结构的下方、阵列式固定电极和吸合电极所在平面的上方，且柔性连接多平面式移动电极与反向阻挡限位结构之间存在间隙；所述连体蛇形弹簧使柔性连接多平面式移动电极处于悬空状态，且在施加外界加速度时为柔性连接多平面式移动电极提供恢复力；所述弹簧固定支座固定于绝缘衬底上，且与连体蛇形弹簧相连，用于对连体蛇形弹簧、柔性连接多平面式移动电极起支撑作用；所述反向阻挡限位结构固定于绝缘衬底上，用于对柔性连接多平面式移动电极在敏感方向的反方向大位移运动起阻挡作用；所述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通过空气间隙相互绝缘；当外界的加速度沿敏感方向作用于所述微机械惯性开关，柔性连接多平面式移动电极向阵列式固定电极方向运动，同时柔性连接多平面式移动电极与吸合电极之间的静电力不断增大，当静电力起主要作用时，柔性连接多平面式移动电极向下运动接触到阵列式固定电极，从而实现对外电路的导通，并通过静电力实现柔性连接多平面式移动电极与阵列式固定电极之间的锁定，任意控制接触时间；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，反向阻挡限位结构能够有效抑制柔性连接多平面式移动电极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】
1.一种步进吸合静电锁定的微机械惯性开关，其特征在于，包括：柔性连接多平面式移动电极、反向阻挡限位结构、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：所述柔性连接多平面式移动电极与连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空于反向阻挡限位结构的下方、阵列式固定电极和吸合电极所在平面的上方，且柔性连接多平面式移动电极与反向阻挡限位结构之间存在间隙；所述连体蛇形弹簧使柔性连接多平面式移动电极处于悬空状态，且在施加外界加速度时为柔性连接多平面式移动电极提供恢复力；所述弹簧固定支座固定于绝缘衬底上，且与连体蛇形弹簧相连，用于对连体蛇形弹簧、柔性连接多平面式移动电极起支撑作用；所述反向阻挡限位结构固定于绝缘衬底上，用于对柔性连接多平面式移动电极在敏感方向的反方向大位移运动起阻挡作用；所述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通过空气间隙相互绝缘；当外界的加速度沿敏感方向作用于所述微机械惯性开关，柔性连接多平面式移动电极向阵列式固定电极方向运动，同时柔性连接多平面式移动电极与吸合电极之间的静电力不断增大，当静电力起主要作用时，柔性连接多平面式移动电极向下运动接触到阵列式固定电极，从而实现对外电路的导通，并通过静电力实现柔性连接多平面式移动电极与阵列式固定电极之间的锁定，任意控制接触时间；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，反向阻挡限位结构能够有效抑制柔性连接多平面式移动电极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所述一种步进吸合静电锁定的微机械惯性开关，其特征在于，所述柔性连接多平面式移动电极为通过多次叠层电镀金属形成的方形结构；所述柔性连接多平面式移动电极由分块平面移动电极和柔性结构构成，其中：分块平面移动电极为方形结构或圆形结构；柔性结构为矩形结构；在所述柔性连接多平面式移动电极上设有一系列的孔以便于制备工艺的最后释放，即去除牺牲层和种子层；所述柔性连接多平面式移动电极的四个侧面分别与一个连体蛇形弹簧相连接，且每个侧面与对应连接的连体蛇形弹簧有两个接触点。3.根据权利要求2所述的一种步进吸合静电锁定的微机械惯性开关，其特征在于，所述柔性连接多平面式移动电极的边长为500～3500微米、高为20～450微米；当所述分块平面移动电极为方形结构时，其边长为90～680微米、高为20～450微米；当所述分块平面移动电极为圆形结构时，其半径为50～400微米、高为20～450微米；所述柔性结构的宽为10～80微米、长为20～160微米、高为20～450微米；当所述柔性连接多...

【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