[發明專利]三維多方向敏感的微機械慣性電學開關

有效

• 申請號: 201010127247.1
• 申請日: 2010-03-19
• 公開（公告）號: CN101789329A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 楊卓青;丁桂甫
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01H35/14
• 分類號: H01H35/14;H01H1/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種微機電系統技術領域的裝置，具體是一種三維多方向敏感的微機械慣 性電學開關。

背景技術

以微機電系統技術為基礎設計和制造的慣性開關因其具有體積小、成本低及批量生產等優 點備受關注。以往的微機械慣性開關，因其加工方法是基于微機電系統技術，很多情況下開關 的制備是以硅為基礎進行刻蝕或電鍍，通過干法刻蝕SOI(Silicon?on?Insulator)硅片得到 能夠懸空的可水平運動結構，并利用刻蝕出的側壁斜面實現慣性開關的接通功能，這即為水平 驅動的微機械慣性開關；而通過在單晶硅基底上的電鍍和犧牲層工藝技術，則可實現垂直驅動 的微機械慣性開關，但由于電鍍過程中難以避免的內應力，這就決定了整個器件的高度不可能 太厚，為了有足夠大的質量塊來感應外界的加速度作用，最終導致器件的整體面積較大。

微機械慣性電學開關的設計多數采用懸臂梁或彈簧連接質量塊電極去接觸碰撞另一固定 電極的形式，制作的開關器件或為水平驅動，或為僅垂直驅動，當需要同時檢測水平和垂直方 向上的加速度作用時，只能聯合使用這兩種不同驅動方式的慣性電學開關，不但造成了開關器 件數量上的浪費，而且也使系統的封裝集成更為困難、復雜。因而，如何盡可能使用少的慣性 開關器件數量來感應、檢測來自多方向的加速度沖擊作用，集能夠敏感三維多方向加速度作用 于一種微開關器件一直是人們努力的方向，結果各種用以改善上述不足的微機械慣性電學開關 設計不斷被提出。

經對現有技術的文獻檢索發現，Wei?Ma等在《Sensors?and?Actuators?A》(《傳感器與執 行器A》，2004年111期63-70頁)發表了題為“Fabrication?and?packaging?of?inertia micro-switch?using?low-temperature?photo-resist?molded?metal-electroplating technology”(“用低溫金屬電鍍技術制造與封裝的慣性微型電學開關”)的論文，提出以硅襯 底為基礎，在其上電鍍金屬的方法來實現微機械慣性開關的制備，該微型慣性開關是以懸臂梁 連接的質量塊作為電極之一，另一電極位于質量塊下方的襯底上、或者與質量塊在同一個平面， 從而實現垂直方向上的驅動、或者水平方向上的驅動。對于水平驅動的慣性電學開關，由于在 硅基底上無法電鍍太厚的質量塊，質量塊需要占據較大的面積來產生足夠大的慣性驅動力以觸 發開關，慣性開關沒有很明顯的立體結構；而對于垂直驅動的慣性開關，其質量塊電極與直接 位于基底上的另一電極碰撞接觸時，兩者的剛度都很大，以至于接觸效果不良且時間短暫，再 加上高速回彈的質量塊沒有任何邊界防護，可能會導致器件受損。更重要的是，論文中提出的 任何一種驅動方式的開關器件都不能獨立使用來同時檢測多個方向的加速度沖擊作用。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種三維多方向敏感的微機械慣性電學開關， 使整個微機械慣性電學開關可以同時敏感來自水平和垂直多個方向上的加速度沖擊作用，并使 其可動質量塊電極和固定電極具有較好的接觸效果，質量塊電極的運動限制在絕緣襯底和固定 電極之間，對器件受到的意外過載沖擊起到一定的保護作用。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括：質量塊電極、懸臂梁水平固定電極、螺 旋型水平固定電極、懸臂梁垂直固定電極、若干組蛇形彈簧、絕緣襯底、螺旋固定電極支撐座、 彈簧支撐座、垂直固定電極支撐座和懸臂梁支撐座，其中：質量塊電極分別與四組蛇形彈簧的 一端相連，蛇形彈簧的另一端與彈簧支撐座相連接并將質量塊電極懸空于絕緣襯底和懸臂梁垂 直固定電極之間，彈簧支撐座和懸臂梁支撐座分別固定設置于絕緣襯底上并位于質量塊電極的 四周，螺旋型水平固定電極和螺旋固定電極支撐座依次固定設置于襯底上。

所述的質量塊電極為疊層金屬電鍍形成的環形體結構，其外徑1000~2000微米、內徑 200~1200微米、高50~500微米，四個周邊突出的半圓內半徑為400~1000微米。

所述的懸臂梁水平固定電極為一層或多層金屬電鍍形成的懸臂結構，其寬度為50~200微 米，長度為100~400微米，厚度50~500微米，斜截面角度為30~60°，該懸臂梁水平固定電極 采用懸空結構，可以有效降低其結構剛度，并配合相應的斜截面接觸，可很好地提高兩電極間 接觸效果。