一种微机械万向开关制造技术

本发明专利技术公开一种微机械万向开关，包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽；器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架；质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上镀有动电极；封帽包括：径向电极分布在质量块的四周，轴向电极位于质量块的下方，弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合。本发明专利技术在轴向0～90度范围内具有相同的加速度阈值，实现万向触发。

【技术实现步骤摘要】
一种微机械万向开关
本专利技术属于微机械惯性开关
，更具体地，涉及一种微机械万向开关。
技术介绍
以微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)技术为基础设计和制造的惯性开关具有体积小、质量轻、易集成和批量化生产等优点，在汽车安全气囊、货运监测、飞机安全座椅弹射触发、弹药发射和引信起爆等领域都有着广泛的应用前景。微机械惯性开关的物理模型为弹簧质量块惯性系统，一般分为触发式和闭锁式两种，前者要求闭合后自动断开而后者要求闭合以后不再断开。触发式惯性开关在受到加速度冲击时，由弹簧支撑的质量块作为动电极受惯性力作用发生与加速度方向相反的位移，直至触碰到固定电极形成电气闭合回路，而后受弹簧恢复力作用自动分离，完成开关的通断动作。在实际的应用中，加速度的方向是随机的，因此需要微机械开关具有万向触发的特性；微机械开关闭合时输出脉冲信号，但是如果脉冲时间过短(也即脉宽过小)不能被后续接口电路可靠识别，从而无法正常产生触发信号，因此需要微机械开关具有较长的闭合时间；针对不同应用的微机械开关对闭合阈值的大小也不同，但是都要保证开关在低于阈值加速度时不管脉宽多大都不能闭合；对于引信中使用的微机械开关需要能够满足勤务处理中的意外跌落以及弹丸发射的后坐力等高冲击过载下，弹簧、质量块以及固定电极都不发生断裂失效，因此也需要微机械开关具有抗高过载的能力。传统的微机械开关利用LIGA工艺制作的金属弹簧质量块结构因为使用电铸工艺，容易产生较大的应力和平整度问题，且厚度无法做到很大，如需较大的质量块就需要增大质量块的面积。美国专利US6765160B1的微机械开关因为蛇形弹簧结构设计，只能分别感知平面内的加速度或面外方向加速度，无法在半球面内实现相同阈值的万向触发。中国专利技术专利CN102693865A采用定位销和衬底来实现抗过载功能，无法对质量块和弹簧进行有效地高冲击过载保护，容易在勤务运输和身管发射时受冲击而失效。
技术实现思路
针对现有微机械惯性开关存在的缺陷，本专利技术提供了一种微机械万向开关，以解决现有微机械万向开关产生较大的应力和平整度因而厚度无法做到很大、无法在半球面内实现相同阈值的万向触发及无法对质量块和弹簧进行有效地高冲击过载保护的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种微机械万向开关，包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽，构成三明治结构；所述器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架；所述质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上镀有动电极；所述封帽包括：径向电极、轴向电极及弧形电极；所述径向电极分布在质量块的四周，所述轴向电极位于质量块的下方，所述弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合；所述衬底包括多孔镂空结构，分布在质量块和螺旋形弹簧梁的上方。可选地，所述质量块为圆柱形结构。可选地，所述螺旋形弹簧梁包括四根相同的螺旋形梁组成，每根螺旋形梁的一端与质量块相连，另外一端与框架相连，每根梁螺旋形之间相隔90度圆周分布。可选地，所述径向电极共有四个，相隔90度圆周分布在质量块的四周。可选地，所述螺旋形弹簧梁的高度与质量块的厚度相同。可选地，所述径向电极包括封帽上凸起的四段金属弧形结构组成的圆环状结构，相隔90度圆周分布在质量块的四周，并与质量块保持一定接触间隙。可选地，所述轴向电极包括封帽上凸起的金属圆盘状结构，位于质量块的下方并与质量块保持一定接触间隙。可选地，所述的径向电极和轴向电极都为固定电极，且所用金属材料相同，径向电极的厚度大于轴向电极，两者连接部分为相同金属材料形成的弧形电极。可选地，所述的微机械万向开关在受到加速度冲击时，由螺旋形弹簧梁支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移；当质量块位移趋向于衬底并与其发生碰撞时，镂空结构具有较小的刚度从而发生形变，冲击产生的动能转化为弹性势能，从而保护质量块和螺旋形弹簧梁在大冲击下不发生损坏。可选地，所述的微机械万向开关在受到加速度冲击时，由螺旋形弹簧梁支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移；当质量块产生向下位移时，质量块上的动电极与封帽上的轴向电极发生碰撞接触，从而形成电路回路，开关闭合；当质量块产生向周围方向的位移时，质量块上的动电极与封帽上的径向电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合；通过螺旋形弹簧梁和质量块的结构刚度设计，以及匹配质量块动电极与径向电极、轴向电极之间的间隙距离，可以使微机械万向开关在径向和轴向有相同的闭合加速度阈值；当质量块与轴向和径向成一定夹角的方向上产生位移时，质量块上的动电极与封帽上径向电极和轴向电极的连接处的弧形电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合；通过对弧形电极对应的弧形台阶的曲率半径、与质量块动电极的间隙距离参数设计，匹配螺旋形弹簧梁和质量块系统在该方向上的刚度，可使该微机械万向开关在半球面方向上具有相同的闭合加速度阈值，实现万向触发。综上所述，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)本专利技术提供的微机械惯性开关的惯性敏感机构通过SOI体硅工艺加工，通过在体硅上制作惯性质量块和弹簧结构，可以获得较厚的惯性质量块，相比传统LIGA工艺，可在更小面积下实现相同重量的惯性质量块，减小体积和成本。(2)本专利技术提供的微机械惯性开关通过衬底上制作的镂空结构将冲击能量转化为弹性势能，使开关拥有更高的抗过载能力。(3)本专利技术提供的微机械惯性开关通过径向电极、轴向电极以及两者连接处的弧形台阶电极与质量块动电极的间隙距离设计，匹配弹簧质量块系统在各方向上的刚度，实现在半球面内任意方向上有相同的加速度阈值，即轴向0～90度范围内具有相同的阈值，真正实现万向触发。附图说明图1是本专利技术实施例提供的微机械万向开关器件层结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的微机械万向开关衬底俯视图；图3是本专利技术实施例提供的微机械万向开关封帽俯视图；图4是本专利技术实施例提供的微机械万向开关动电极和固定电极示意图；图5是本专利技术实施例提供的微机械万向开关整体结构剖面图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为圆柱形质量块，2为螺旋形弹簧梁，3为外框架，4为衬底，5为镂空结构，6为封帽，7为固定电极，701为径向电极，702为轴向电极，703为弧形电极，8为封装焊盘，9为动电极。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及一个实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术的设计原理如下：微机械万向开关在受到加速度冲击时，由弹簧支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移。当质量块位移趋向于衬底并与冲击保护结构发生碰撞时，镂空结构具有较小的刚度从而发生形变，冲击产生的动能转化为弹性势能，从而保护质量块和弹簧在大冲击下不发生损坏。当质量块位移沿轴向趋向于封帽时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微机械万向开关，其特征在于，包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽，构成三明治结构；所述器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架；所述质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上镀有金属作为动电极；所述封帽包括：径向电极、轴向电极及弧形电极；所述径向电极分布在质量块的四周，所述轴向电极位于质量块的下方，所述弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合；所述衬底包括多孔镂空结构，分布在质量块和螺旋形弹簧梁的上方。

【技术特征摘要】
1.一种微机械万向开关，其特征在于，包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽，构成三明治结构；所述器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架；所述质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上镀有金属作为动电极；所述封帽包括：径向电极、轴向电极及弧形电极；所述径向电极分布在质量块的四周，所述轴向电极位于质量块的下方，所述弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合；所述衬底包括多孔镂空结构，分布在质量块和螺旋形弹簧梁的上方。2.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述质量块为圆柱形结构。3.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述螺旋形弹簧梁包括四根相同的螺旋形梁组成，每根螺旋形梁的一端与质量块相连，另外一端与框架相连，每根梁螺旋形之间相隔90度圆周分布。4.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述径向电极共有四个，相隔90度圆周分布在质量块的四周。5.根据权利要求2或3所述的微机械万向开关，其特征在于，所述螺旋形弹簧梁的高度与质量块的厚度相同。6.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述径向电极包括封帽上凸起的四段金属弧形结构组成的圆环状结构，相隔90度圆周分布在质量块的四周，并与质量块保持一定接触间隙。7.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述轴向电极包括封帽上凸起的金属圆盘状结构，位于质量块...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘骅锋，涂良成，胡宸源，王秋，渠自强，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42