[發明專利]應用于醫療介入的由環形彈簧支撐的三維多方向壓力開關

有效

• 申請號: 201110386382.2
• 申請日: 2011-11-28
• 公開（公告）號: CN102426959A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 楊卓青;黃韜;丁桂甫;趙小林
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01H13/26
• 分類號: H01H13/26
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及一種微型開關，具體涉及一種應用于醫療介入的由環形彈簧支撐的三維多方向壓力開關。屬于微機電系統技術領域。

背景技術

以微機電系統技術為基礎設計和制造的微型接觸傳感器因其具有體積小、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開關的接通功能，這即為水平壓力驅動的微機械開關；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壓力開關。

微機械壓力電學開關的設計多數采用懸臂梁作為電極去接觸碰撞另一固定電極的形式，制作的開關器件一般為單一方向力驅動，當需要同時敏感多方向外力作用時，只能聯合使用多個開關，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開關器件數量來感應、檢測來自多方向的外力作用，集能夠敏感三維多方向外力作用于一種微開關器件一直是人們努力的方向，而目前提出這種敏感三維多方向外力作用的電學開關設計還非常少。

經對現有技術的文獻檢索發現，使用機器人技術改造內窺鏡是國際上醫療機器人領域研究的一個熱點。如上海交通大學的高立明等在《中國生物醫學工程學報》(1998年17期36-41頁)發表了題為“全方向蠕動機器人驅動內窺鏡系統的研究”的論文，該論文主要是探究了內窺鏡自動介入的時候的驅動問題。但是內窺鏡要能夠達到自動介入的目的，但必須要配合多方向敏感的壓力開關進行控制，才能夠保證內窺鏡介入的時候能夠自動改變方向成功介入腔道，然而目前這種多方向敏感的壓力開關還沒有一個成熟的設計方案。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種三維多方向敏感的微型壓力開關，使整個微型壓力開關可以同時敏感來自水平和垂直等各個方向上的微觸碰，并使其可動電極和固定電極具有較好的接觸效果。對于傳統的S形彈簧來說，其水平方向剛度遠大于其豎直方向剛度。利用環形彈簧的設計是為了減小彈簧水平方向剛度，改善使彈簧結構各方向剛度，使開關達到導通的各方向壓力閾值相近，保證開關敏感外界多方向壓力時的三維一致性。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括：基底、可動電極、固定電極、水平彈簧和彈簧支撐座；所述的可動電極包括環形可動電極和水平梁兩個部分，環形可動電極與環形水平彈簧連接，并被彈簧支撐座懸空在基底上方；所述的固定電極固定在基底上，位于基底的四周，彈簧支撐座固定在基底、位于基底中央；所述的固定電極為L形，L形一部分平行于基底、另一部分垂直于基底，其中固定電極平行于基底部分與環形可動電極有垂直間隙，固定電極垂直于基底部分與環形可動電極有水平間隙。

當外界達到設定閾值的接觸力沿水平梁負表面法線方向作用于本發明三維多方向壓力開關時，可動電極將接觸到固定電極平行于基底的部分，從而在垂直方向上實現對外電路的接通；當外界達到設定閾值的接觸力沿平行于絕緣基底上表面任意方向作用于上述電學開關時，質量塊電極將接觸到固定電極垂直于基底的部分，從而在水平多方向上實現對外電路的接通，并且通過對所接通的電極的分析可以獲知外界接觸力來源的方向；當外界的接觸力并非完全為平行或垂直基底表面時，外界力的垂直分量和水平分量可使可動電極按上述方式移動，當外界力的分量達到閾值時，可使可動電極與固定電極接觸實現對外電路的接通。

所述的基底可以是石英、玻璃等絕緣材料制備的。

所述可動電極的水平梁部分位于環形可動電極內部，其上表面與環形可動電極上表面平行，整體與環形可動電極為一體。

所述的可動電極是通過多次疊層電鍍鎳或銅等金屬形成的體結構，水平梁為圓環橋連結構。

所述的固定電極是通過多次疊層電鍍鎳或銅等金屬形成的體結構，其橫截面形狀為L形，俯視圖形狀為扇型結構，分為平行于基底部分和垂直于基底部分兩個部分。

所述的固定電極中，垂直于基底部分與平等于基底部分直接相連，因電極與彈簧的相互位置關系不同有整體型、雙側型兩種結構，雙側型結構的雙側邊緣分別與平行于基底部分電極的兩側邊緣在同一直線上。

所述的水平彈簧是通過多次疊層電鍍鎳或銅等金屬形成的多匝環形彈簧。

所述的彈簧支撐座是通過多次疊層電鍍鎳或銅等金屬形成的圓形柱狀結構。