CN101013637A - 连体蛇形弹簧微型惯性电学开关 - Google Patents

Abstract

一种连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，属于微机电***技术领域。本发明包括：质量块电极、多孔梁固定电极、连体蛇形弹簧、绝缘衬底、缓冲层、弹簧支撑座以及梁支撑座；缓冲层位于绝缘衬底上方、质量块电极下方，弹簧支撑座以及梁支撑座固定在绝缘衬底上、位于质量块电极周围，连体蛇形弹簧与质量块电极相连，并被弹簧支撑座悬空，多孔梁固定电极被梁支撑座悬空、位于质量块电极上方、与质量块电极之间有间隙。本发明增进了带有连体蛇形弹簧质量块在外界加速度作用下运动的协调性，对质量块电极的高速反弹起到了很好的缓冲作用，同时也很好地改善了质量块电极与挡板电极间的接触效果。

Description

连体蛇形弹簧微型惯性电学开关

技术领域

本发明涉及一种微型惯性电学开关，具体涉及一种连体蛇形弹簧微型惯性电学开关。属于微机电***技术领域。

背景技术

以微机电***技术为基础设计和制造的惯性开关因其具有体积小、成本低及批量生产等优点备受关注。以往的微型惯性开关，不论是垂直驱动还是水平驱动，因其加工方法是基于微机电***技术，很多情况下开关的制备是以硅衬底为基础进行电镀，由于电镀过程中不可避免的内应力，这就决定了整个器件的高度不可能太厚，为了有足够大的质量块来感应外界的加速度作用，最终导致器件的整体面积较大，这个问题在水平驱动的惯性开关中更为明显。

微型惯性电学开关的设计多数采用悬臂梁或弹簧连接质量块电极去接触另一固定电极的形式。但是，如何保证悬臂梁或弹簧连接着质量块这一机构在外加速度作用下的快速协调动作，以及处理好质量块电极碰撞到另一固定电极的接触效果和随后的高速反弹问题一直是人们努力的方向，结果各种用以改善上述不足的微型惯性电学开关设计不断被提出。

经对现有技术的文献检索发现，Wei Ma等在《Sensors and Actuators A》(《传感器与执行器A》，2004年111期63-70页)发表了题为“Fabrication andpackaging of inertia micro-switch using low-temperature photo-resistmolded metal-electroplating technology”(“用低温金属电镀技术制造与封装的惯性微型电学开关”)的论文，提出以硅衬底为基础，在其上电镀金属的方法来实现微型惯性开关的制备，该微型惯性开关是以悬臂梁连接的质量块作为电极之一，另一电极位于质量块下方的衬底上、或者与质量块在同一个平面，由于在硅基底上无法电镀太厚的质量块，质量块需要占据较大的面积来产生足够大的惯性驱动力以触发开关，惯性开关没有很明显的立体结构；此外，质量块电极与直接位于基底上的另一电极碰撞接触时，两者的刚度都很大，以至于接触效果不良且时间短暂，再加上高速回弹的质量块没有任何边界防护，可能会导致器件受损。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，使整个微型惯性电学开关具有明显的三维结构特征，并使由弹簧悬空的质量块电极能够协调地快速运动到并接触另一固定电极，而且二者有良好的接触效果和较长的接触时间，质量块电极的快速反弹被缓冲层很好地缓解，对器件的意外损伤起到一定的保护作用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：质量块电极、多孔梁固定电极、连体蛇形弹簧、绝缘衬底、缓冲层、弹簧支撑座以及梁支撑座；缓冲层位于绝缘衬底上方、质量块电极下方，弹簧支撑座以及梁支撑座固定在绝缘衬底上、位于质量块电极周围，连体蛇形弹簧与质量块电极相连，并被弹簧支撑座悬空，多孔梁固定电极被梁支撑座悬空、位于质量块电极上方、与质量块电极之间有15-50微米的间隙。当外界足够大的负加速度沿绝缘衬底上表面法线方向作用于本发明连体蛇形弹簧微型惯性电学开关时，或者足够大的正加速度沿绝缘衬底下表面法线方向作用于上述电学开关时，质量块电极将接触到多孔梁固定电极，实现对外电路的接通。

所述的绝缘衬底可以是石英、玻璃等绝缘材料制备的。

所述的缓冲层是在绝缘衬底上直接电镀镍或铜等金属形成的，由一系列纵向和横向分布的短柱阵列而成，短柱可以有不同的形状和尺寸，阵列的形式也可有各种形式，如短柱可以做成长方体或圆柱体，阵列时一部分在绝缘衬底上、连体蛇形弹簧下方纵向阵列，间隔为100-120微米，另一部分在绝缘衬底上、质量块下方横向阵列成4行×5列，缓冲层的短柱截面积不宜太小，一般至少为20微米×80微米，以防止最后器件释放时脱落，高度适当，一般为5-15微米，能够对高速弹回的连体蛇形弹簧和质量块电极起到一定的缓冲作用。

所述的连体蛇形弹簧是通过电镀镍或铜等金属形成的一匝或多匝的结构，其线宽为5-50微米，厚度为4-50微米，半圆的内径为20-100微米，连接半圆间的竖直长为50-500微米，弹簧间连体的长度为10-200微米；本发明中的连体蛇形弹簧相对于以往单一弹簧或悬臂梁分布在质量块周围的设计，其优点在于在受到外界加速度作用后，连体蛇形弹簧悬空和质量块电极的运动能够保持一致性、协调性，有利于接触的稳定可靠。

所述的弹簧支撑座是通过电镀镍或铜等金属形成的方形或者弧形柱状结构，其形状和尺寸因绝缘衬底的形状变化而变化。

所述的质量块电极是通过多次叠层电镀镍或铜等金属形成的方形或圆形体结构，其尺寸和形状因绝缘衬底的形状变化而变化，当为长方体时，其尺寸为长300-1000微米、宽300-1000微米、高50-500微米，在制作过程中质量块电极可在其中间挖出一系列的孔以方便最后的释放。

所述的多孔挡板梁固定电极结构，为室温下采用电镀镍或铜等金属制作的多孔挡板梁，可以为一根或多根，梁和孔的形状及尺寸可以有多种变化。多孔挡板梁固定在梁支撑座上，梁支撑座比质量块电极高出15-50微米，作为多孔梁固定电极与质量块电极间的间隙，梁支撑座典型的高度尺寸为140-180微米。这种多孔挡板梁作为固定电极减小了整体梁的结构刚度，在受到质量块电极的碰撞时，可有效地降低两者间的接触刚度，起到一定的缓冲作用，有利于改善两电极的接触效果，且便于制作过程中器件最后的释放。

所述的梁支撑座可以制作成长方体状，也可做成圆柱体状，这因绝缘衬底的形状可以变化为不同的尺寸和形状，也是采用室温下多次叠层电镀镍或铜等金属制作。

本发明以微机电***加工技术为基础，采用室温下在石英或玻璃等绝缘衬底上多次互不干扰叠层电镀整个开关结构的方法制作。本发明在外界加速度作用下，依靠惯性力驱动连体蛇形弹簧悬空的质量块电极运动，从而接触到与其有一定间距的挡板电极，随后又在弹簧作用力下快速将质量块电极拉回，最终实现对电路瞬间开关。

本发明针对以往微型惯性电学开关在质量块电极运动协调性、接触高速反弹以及接触效果不佳方面存在的问题，提出了一种带有连体蛇形弹簧、缓冲层和多孔梁固定电极的微型惯性电学开关，增进了带有连体蛇形弹簧质量块在外界加速度作用下运动的协调性，对质量块电极的高速反弹起到了很好的缓冲作用，同时也很好地改善了质量块电极与挡板电极间的接触效果。

附图说明

图1是实施例1具有一对多孔梁固定电极的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关结构示意图

图2是实施例1的质量块电极结构示意图

图3是实施例1的带方孔挡板梁结构示意图

图4是实施例1的缓冲层结构示意图

图5是实施例2具有一根多孔梁固定电极的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关结构示意图

图6是实施例3具有多匝连体蛇形弹簧的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关结构示意图

图7是实施例4采用圆形衬底和质量块的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1具有一对多孔梁固定电极的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关

如图1所示，本实施例连体蛇形弹簧微型惯性电学开关包括：质量块电极1、多孔梁固定电极2、连体蛇形弹簧3、缓冲层4绝缘衬底5、弹簧支撑座6以及梁支撑座8；缓冲层4位于绝缘衬底5上方、质量块电极1下方，弹簧支撑座6固定在绝缘衬底5上、位于质量块电极1两侧，梁支撑座8也固定在绝缘衬底5上、位于质量块电极1其余两侧，连体蛇形弹簧3与质量块电极1相连，并一起被弹簧支撑座6悬空，多孔梁固定电极2被梁支撑座8悬空，并位于质量块电极1上方，与质量块电极1之间有15-50微米的间隙，连体蛇形弹簧3的匝结构之间连有弹簧间连体7。质量块电极1为长方体状，大小为：长900微米、宽900微米、高100微米，采用多次叠层电镀镍或铜等金属制作；连接质量块电极1的蛇形弹簧3，其线宽10微米、厚度20微米，半圆处的内直径20微米、外直径40微米，弹簧间连体7长20-50微米；弹簧支撑座6长300微米，宽100微米，高30微米；多孔梁固定电极2长1300微米，宽160微米，厚20微米，多孔梁挡板上的孔9的大小为50微米×50微米，与多孔梁挡板同厚，支撑它的梁支撑座8为长100微米×宽360微米×高140微米，梁支撑座比质量块电极高出15-50微米；缓冲层4中短柱长100-200微米，宽30-60微米，高4-8微米，这些短柱可以按不同的方式在绝缘衬底5上阵列：一部分在衬底上、连体蛇形弹簧下方纵向阵列，间隔为100-120微米，另一部分在衬底上、质量块下方阵横向列成4行×5列；绝缘衬底5尺寸为长1700-2000微米、宽1600-2000微米、高50-100微米。

图2为本实施例带有连体蛇形弹簧3的质量块电极1的立体结构示意图，位于质量块电极1两侧的弹簧支撑座6电镀在绝缘衬底5上，将连体蛇形弹簧3和与之相连的质量块电极1悬空起来。

图3是本实施例作为多孔梁固定电极2的多孔挡板梁的结构示意图，梁支撑座8电镀在绝缘衬底5上，多孔梁挡板固定在梁支撑座8上，多孔梁挡板上有一系列的方形孔9，孔9的厚度与多孔梁挡板的厚度一致。

图4是本实施例缓冲层4的结构示意图，由图可见缓冲层4由一系列纵向和横向分布的短柱阵列而成，纵向阵列在绝缘衬底上、连体蛇形弹簧下方，横向阵列在绝缘衬底上、质量块下方。

将外电路的两极分别接于上述连体蛇形弹簧微型惯性电学开关的质量块电极1和多孔梁固定电极2，当受到外界足够大的加速度作用在该开关的敏感轴方向(这里为绝缘衬底5表面的法线方向)后，在质量块惯性力的驱动下，由连体蛇形弹簧3悬空的质量块电极1运动向并接触到多孔梁固定电极2，随后又被连体蛇形弹簧3拉开，从而实现对外电路的快速通断，多孔梁固定电极2的多孔结构减小了其刚度，对惯性力驱动下质量块电极1的快速碰撞起到了一定的缓解作用，增进了接触效果。随后质量块电极1的高速回弹，缓冲层4对此起到了很大的保护作用，很大程度上减小了能量在连体蛇形弹簧3上的积蓄，有利于器件下一次的工作。

实施例2采用一根多孔挡板梁的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关

图5是采用一根多孔挡板梁电极的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关的立体结构示意图，如图所示，该微型惯性电学开关采用了一根多孔挡板梁作为多孔梁固定电极2，该微型惯性电学开关的尺寸与实施例1中连体蛇形弹簧微型惯性电学开关的一致，并且除了多孔梁固定电极，其余部件的形状、尺寸与实施例1一致。

实施例3带有多匝连体蛇形弹簧的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关

图6是本实施例带有多匝连体蛇形弹簧微型惯性电学开关结构示意图，如图所示，该微型惯性电学开关采用的连体蛇形弹簧3是多匝的，该微型惯性电极开关的其余特征与实施例1类似。

实施例4采用圆形衬底和质量块的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关

图7是采用圆形衬底和质量块的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关结构示意图，连体蛇形弹簧3与实施例1中连体蛇形弹簧的尺寸一样，也可以制作成实施例3中连体蛇形弹簧3的多匝结构；质量块电极1为圆柱结构，其底面直径900微米，高100微米；绝缘衬底5为圆柱结构，其底面直径1650微米，高50微米，可在其上类似图1设计，阵列一定尺寸形状的短柱，阵列方式同实施例1一致；多孔梁固定电极2的总长1650微米，中间长方形过渡部分长900微米，宽450微米，结构厚20微米，可在上面分布直径尺寸为50-100微米的圆孔；扇形弹簧支撑座6高20微米，扇形宽100微米，内直径1450微米，外直径1650微米，扇形角度30度；多孔梁的扇形梁支撑座8高160微米，扇形宽100微米，内直径1450微米，外直径1650微米，扇形角度60度。

Claims (10)

1、一种连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，包括：质量块电极、多孔梁固定电极、绝缘衬底、弹簧支撑座以及梁支撑座，其特征在于，还包括：连体蛇形弹簧、缓冲层，缓冲层位于绝缘衬底上方、质量块电极下方，弹簧支撑座以及梁支撑座固定在绝缘衬底上、位于质量块电极周围，连体蛇形弹簧与质量块电极相连，并被弹簧支撑座悬空，多孔梁固定电极被梁支撑座悬空、位于质量块电极上方、与质量块电极之间有间隙。

2、根据权利要求1所述的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，其特征是，所述的绝缘衬底是指石英或玻璃衬底。

3、根据权利要求1所述的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，其特征是，所述的缓冲层是绝缘衬底上的纵向和横向分布的短柱阵列，纵向阵列在绝缘衬底上、连体蛇形弹簧下方，横向阵列在绝缘衬底上、质量块下方。

4、根据权利要求3所述的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，其特征是，所述的短柱，为长方体或圆柱体，其截面积至少为20微米×80微米，高度为5-15微米。

5、根据权利要求1所述的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，其特征是，所述的弹簧支撑座是方形或者弧形柱状结构。

6、根据权利要求1所述的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，其特征是，所述的连体蛇形弹簧是一匝或多匝的结构，其线宽为5-50微米、厚度为4-50微米、半圆的内径为20-100微米、连接半圆间的竖直长为50-500微米、弹簧间连体的长度为10-200微米。

7、根据权利要求1所述的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，其特征是，所述的质量块电极是方形或圆形体结构；当为方形结构时，长300-1000微米、宽300-1000微米、高50-500微米。

8、根据权利要求1所述的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，其特征是，所述的多孔梁固定电极是具有方孔或者圆孔的一根或多根多孔挡板梁。

9、根据权利要求1所述的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，其特征是，所述的梁支撑座，为长方体状或圆柱体状，其高度为140-180微米。

10、根据权利要求1所述的连体蛇形弹簧微型惯性电学开关，其特征是，所述的间隙，为15-50微米。

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