[發(fā)明專利]一種步進(jìn)吸合靜電鎖定的微機(jī)械慣性開關(guān)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710133095.8
• 申請日: 2017-03-07
• 公開（公告）號: CN106971915B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李健;王艷;楊卓青;丁桂甫
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: H01H59/00
• 分類號: H01H59/00;H01H35/14
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

本發(fā)明提供一種步進(jìn)吸合靜電鎖定的微機(jī)械慣性開關(guān)，其中：陣列式固定電極為陣列式分布并通過布局連線構(gòu)成，與吸合電極通過空氣間隙相互絕緣并位于絕緣襯底上；柔性連接多平面式移動電極與連體蛇形彈簧相連，通過彈簧固定支座形成懸空可動結(jié)構(gòu)，反向限位阻擋結(jié)構(gòu)懸空位于柔性連接多平面式移動電極上方。本發(fā)明平面內(nèi)陣列式布局大大增加固定電極與柔性連接多平面式移動電極接觸可能性；吸合電極與柔性連接多平面式移動電極之間靜電吸合作用能夠任意延長固定電極與柔性連接多平面式移動電極之間接觸時間，提升接觸性能；反向阻擋限位結(jié)構(gòu)能夠有效抑制柔性連接多平面式移動電極在非敏感方向的大幅度變形，提升器件穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的器件，具體的是一種具有步進(jìn)吸合作用的靜電鎖定垂直敏感的微機(jī)械慣性開關(guān)。

背景技術(shù)

MEMS慣性開關(guān)是一種集傳感器與執(zhí)行器功能與一體的無源器件，具有尺寸小、集成度高、無能耗等特點。基于表面微加工工藝制作的MEMS慣性開關(guān)具有制造成本低、閾值一致性好等特點，已成為制作慣性開關(guān)的主流。傳統(tǒng)報道的MEMS慣性開關(guān)，在敏感方向受到超過閾值的外界加速度時，移動電極向固定電極方向移動并發(fā)生剛性碰撞，接觸時間極為短暫，增加了信號處理電路的難度，應(yīng)用范圍受到了極大地限制；同時，由于加工工藝和設(shè)計等局限，移動電極的接觸表面很難保證很好的平整度，這將會影響在實際應(yīng)用中移動電極與固定電極的碰撞接觸過程。

西安電子科技大學(xué)的Jian Zhao等人于2006年在《A novel MEMS parallel-beamacceleration switch》中根據(jù)梁的大饒度后屈曲理論設(shè)計了一種應(yīng)用于汽車安全氣囊約束系統(tǒng)的慣性開關(guān)。該設(shè)計采用兩根傾斜的懸臂梁支撐敏感質(zhì)量塊作為移動電極，當(dāng)在慣性開關(guān)的敏感方向施加超過閾值的外界加速度時，敏感質(zhì)量塊在慣性力作用下與固定電極發(fā)生碰撞接觸，此時支撐懸臂梁將發(fā)生屈曲形變，移動電極將會在支撐懸臂梁的屈曲狀態(tài)下保持一段時間，這段時間為該設(shè)計慣性開關(guān)的接觸時間。理論上，在沒有采取復(fù)位措施的情況下，該設(shè)計的慣性開關(guān)的接觸時間可以無限延長。但是，在實際應(yīng)用中，敏感質(zhì)量塊與固定電極的剛性碰撞接觸常常會導(dǎo)致反彈現(xiàn)象，尤其在高閾值的慣性開關(guān)中，該設(shè)計的慣性開關(guān)既有更高的反彈概率，因此，這種設(shè)計的慣性開關(guān)的安全性能以及可靠性是一個重要問題。

北京大學(xué)的Z.Y.Guo等人于2008年在《Design,fabrication andcharacterization of a latching acceleration switch with multi-contactsindependent to the proof-mass》中設(shè)計了一種具有閉鎖結(jié)構(gòu)的慣性開關(guān)。當(dāng)移動電極與固定電極碰撞接觸后，兩電極在閉鎖結(jié)構(gòu)的作用下實現(xiàn)鎖定，移動電極不能回復(fù)到初始位置，接觸時間被無限延長。從設(shè)計結(jié)構(gòu)來看，基于摩擦力分析，需要在較大的過載加速度作用下才能實現(xiàn)移動電極與固定電極之間的鎖定。分析認(rèn)為，這種設(shè)計的閉鎖結(jié)構(gòu)雖然能實現(xiàn)移動電極與固定電極之間的鎖定，但是需要非常大的過載加速度才能保證移動電極穿過固定電極的阻擋，因而器件的工作過程對器件有一定的破壞力。因此，該作者進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，將質(zhì)量塊設(shè)計為感應(yīng)加速度的功能結(jié)構(gòu)而不是移動電極，質(zhì)量塊在慣性力的作用下驅(qū)動移動電極與固定電極發(fā)生碰撞接觸，并將固定電極設(shè)計為可變性彈簧，從而降低閉鎖結(jié)構(gòu)的剛度將剛性接觸變?yōu)槿嵝越佑|。同時，為了提高慣性開關(guān)的碰撞接觸可靠性并增大接觸表面，將固定電極的接觸點結(jié)構(gòu)改為具有凹槽結(jié)構(gòu)的圓柱形接觸面。同樣，器件在應(yīng)用過程中需要一定的過載加速度才能夠保證實現(xiàn)移動電極與固定電極之間的閉合鎖定，因而，改進(jìn)后的設(shè)計無法滿足閾值較低的慣性開關(guān)的精度要求，同樣存在著測試完成后無法復(fù)位的問題。

因此，本領(lǐng)域的研究人員致力于研究提高器件電極間的接通可靠性，獲得具有較長脈沖寬度的輸出信號并且能夠在使用完成后能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)位，抗干擾能力和過載能力強(qiáng)的MEMS慣性開關(guān)，同時，希望能夠降低慣性開關(guān)的制作工藝難度，降低生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容