CN109192560B - 一种基于三段式短斜梁双稳态结构的mems惯性开关 - Google Patents

一种基于三段式短斜梁双稳态结构的mems惯性开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关。包括：开关外壳、双稳态机构和开关辅助机构，开关辅助机构和双稳态机构在加速度方向上依次设置在开关外壳内部，开关辅助机构包括弹簧体和第一质量块，双稳态机构包括三段式短斜梁结构和第二质量块，开关外壳在与第二质量块相对位置处设置有开关触点，第一质量块与第二质量块相对设置，第一质量块的质量大于第二质量块的质量，MEMS惯性开关在受到设定加速度时，第一质量块在惯性的作用下，碰撞第二质量块，使第二质量块沿加速度方向运动，双稳态机构由一种稳态到另一种稳态，按压所述开关触点，导通电路。本发明提供的MEMS惯性开关具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强和抗机械振动能力强的优势。

Description

一种基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关
技术领域
本发明涉及微机电领域，特别是涉及一种基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关。
背景技术
微机电***(MEMS)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技机械电子装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，常见的MEMS产品尺寸一般都在毫米量级，甚至到几百微米。MEMS主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成。MEMS加速度开关是集合了微型传感器和执行器的MEMS器件，可以在环境加速度的激励下，完成开关的闭合-断开(On-Off)功能。目前，常见的MEMS惯性传感与执行器件主要是加速度计，其结构由感应质量块、支撑梁***和控制反馈电路组成，结构十分复杂，加工难度大。控制反馈电路需要在加电的情况下工作，在强电磁干扰下容易产生误动作，不适用于抗电磁干扰的设备。此外，还有一些纯机械结构的微加速开关，但是，这些开关闭合后不具备锁定功能，因此，抗机械振动等外部环境干扰能力不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强和抗机械振动能力强的优势。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，包括：开关外壳、双稳态机构和开关辅助机构，所述开关辅助机构和双稳态机构设置在所述开关外壳内部，并在加速度方向上依次设置；
所述开关辅助机构包括弹簧体和第一质量块，所述弹簧体的两端分别与所述第一质量块以及所述开关外壳内壁相连接；
所述双稳态机构包括三段式短斜梁结构和第二质量块，所述三段式短斜梁结构包括第一梁结构和第二梁结构，所述第一梁结构包括侧梁、第一柔性梁、第二柔性梁和刚性梁，所述侧梁固定在开关壳体的内侧壁，所述侧梁为柔性梁，所述双稳态机构在第一稳态位置时，所述第一柔性梁、第二柔性梁和所述刚性梁为共线的斜梁，所述第一柔性梁一端与所述侧梁中部固定连接，所述第一柔性梁的另一端与刚性梁的一端固定连接，所述刚性梁的另一端与所述第二柔性梁的一端固定连接，所述第二柔性梁的另一端与所述第二质量块的一侧固定连接，所述第一梁结构和第二梁结构关于所述第二质量块的中轴线对称设置，所述第一柔性梁和第二柔性梁为短梁，所述短梁为柔度值小于50的梁；
所述开关外壳在与所述第二质量块相对位置处设置有开关触点；
所述第一质量块与所述第二质量块相对设置，所述第一质量块的质量大于所述第二质量块的质量，所述MEMS惯性开关在受到设定加速度时，所述第一质量块在惯性的作用下，与所述第二质量块接触，对所述第二质量块产生加速度方向的作用力，所述第二质量块沿加速度方向运动，按压所述开关触点。
可选的，所述三段式短斜梁结构的数量为4N1组，开关结构在第一稳态位置，4N1组所述三段式短斜梁结构平行设置，其中，N1为正整数。
可选的，所述第一柔性梁长度小于所述刚性梁长度，所述第一柔性梁长度和第二柔性梁长度相同。
可选的，所述弹簧体的数量为多个，所述弹簧体在所述第一质量块的两侧壁对称设置，所述弹簧体为折叠弹簧梁，所述折叠弹簧梁的一端与所述开关壳体的侧壁固定连接，另一端与所述第一质量块的侧壁固定连接，所述折叠弹簧梁将所述第一质量块支撑固定在所述开关壳体内部。
可选的，所述弹簧体由N2根折叠弹簧梁组成，其中，N2为正整数。
可选的，其特征在于，所述弹簧体的数量为4个，对称设置于所述第一质量块相对的两侧壁的上部和下部。
可选的，所述第一质量块的侧壁和所述开关壳体的内侧壁均为齿梳型结构，所述第一质量块的齿梳型结构和所述开关壳体的齿梳型结构相配合设置，配合方式为间隙配合。
可选的，所述开关辅助机构在SOI硅片上采用双面刻蚀工艺加工而成，其中，所述第一质量块由SOI硅片的底层和器件层加工而成，所述弹簧体由SOI硅片的器件层加工而成。
可选的，所述双稳态机构在SOI硅片上采用双面刻蚀工艺加工而成，其中，所述第二质量块由SOI硅片的底层和器件层加工而成，所述三段式短斜梁由SOI硅片的器件层加工而成。
可选的，所述开关壳体为在SOI硅片的底层和器件层采用双面刻蚀加工加工而成。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关包括开关外壳、双稳态机构和开关辅助机构，开关辅助机构和双稳态机构设置在开关外壳内部，并在加速度方向上依次设置；开关辅助机构包括弹簧体和第一质量块，双稳态机构包括三段式短斜梁结构和第二质量块，第一质量块与第二质量块相对设置，第一质量块的质量大于所述第二质量块的质量；开关外壳在与第二质量块相对位置处设置有开关触点；MEMS惯性开关在受到一定的加速度时，第一质量块在惯性的作用下，与第二质量块接触，对第二质量块产生加速度方向的作用力，第二质量块沿加速度方向运动，双稳态机构由一种稳态到另一种稳态，按压所述开关触点，开关导通。本发明提供的MEMS惯性开关为完全依靠机械结构完成的断开与闭合功能的开关，因而具有良好的抗电磁干扰能力，而且，本发明提供的MEMS惯性开关由于具有的开关辅助机构，使得对微小的加速度也能感应并动作，具有灵敏度高的特点，同时，双稳态机构具有两个稳态，在按下触电后具有自锁功能，抗机械振动能力强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关的结构示意图；
图2为本发明实施例开关辅助机构的结构示意图；
图3为本发明实施例开关外壳的结构示意图；
图4为本发明实施例双稳态机构的结构示意图；
图5为本发明实施例三段式短斜梁双稳态结构的双稳态示意图；
图6为本发明实施例双稳态机构力-位移关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强和抗机械振动能力强的优势。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关的结构示意图，如图1所示，本发明提供的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关包括：开关外壳1、开关辅助机构和双稳态机构，开关辅助机构和双稳态机构设置在开关外壳1内部，且在加速度方向上依次设置；
开关辅助机构为弹簧-阻尼结构，如图2所示，包括弹簧体3和第一质量块2，弹簧体3的两端分别与第一质量块2以及开关外壳1内壁相连接；弹簧体3在第一质量块2的两侧壁对称设置，弹簧体3可以为折叠弹簧梁，折叠弹簧梁的一端与开关壳体1的侧壁固定连接，另一端与第一质量块2的侧壁固定连接，折叠弹簧梁将第一质量块2支撑固定在开关壳体内部，弹簧体3由N2(N2为正整数)根折叠弹簧梁组成。折叠弹簧梁的刚度为设定值。
弹簧体3的数量可以为4个，对称设置于第一质量块2相对的两侧壁的上部和下部。开关辅助机构可以感知环境加速度辅助开关完成闭合。
第一质量块2的侧壁和开关壳体1的内侧壁均为齿梳型结构，第一质量块2的齿梳型结构和开关壳体1的齿梳型结构相配合设置，配合方式为间隙配合。可以给第一质量块2运动提供足够的空气阻尼，达到减震作用，同时，梳齿型结构可以对第一质量块2进行限位，开关壳体1的结构图如图3所示。
双稳态机构包括三段式短斜梁结构4和第二质量块6，三段式短斜梁结构4包括第一梁结构和第二梁结构，如图4所示，双稳态机构在第一稳态位置时，第一梁结构和第二梁结构关于第二质量块6的中轴线对称设置，第一梁结构包括侧梁、第一柔性梁、第二柔性梁和刚性梁，侧梁固定在开关壳体的内侧壁，侧梁为柔性梁，双稳态机构在稳态时，第一柔性梁、第二柔性梁和刚性梁为共线的斜梁，第一柔性梁一端与侧梁中部固定连接，第一柔性梁的另一端与刚性梁的一端固定连接，刚性梁的另一端与第二柔性梁的一端固定连接，第二柔性梁的另一端与第二质量块6的一侧固定连接，第一梁结构和第二梁结构关于第二质量块6的中轴线对称设置，第一柔性梁和第二柔性梁为短梁，短梁为柔度值(杆件长细比)小于50的梁，可以将第一柔性梁长度和第二柔性梁长度设置为相同长度；三段式短斜梁结构4的数量为4N1(N1为正整数)组，多个三段式短斜梁结构4平行设置。为了提高结构在垂直于加速度敏感方向上的抗干扰能力，可以采用4N1组三段式短斜梁结构4支撑第二质量块6。第二质量块6由高掺杂多晶硅加工制成，可以导电。
双稳态机构用于实现开关的闭合和锁定功能，开关外壳1上加工有金属电极，并在与第二质量块6相对位置处设置有开关触点5，当第二质量块6碰撞开关触点5后，导通开关电路，当受到门限加速度作用后，第二质量块6离开开关触点5，开关断开。
第一质量块2的质量大于第二质量块5的质量，第一质量块2与第二质量块6相对设置，双稳态机构包括两个稳定状态，初始状态为第一稳态，在受到设定加速度时，第一质量块2在惯性的作用下，与第二质量块6接触，对第二质量块6产生加速度方向的作用力，第二质量块6沿加速度方向运动，双稳态机构由第一稳态到第二稳态，按压开关触点5，导通MEMS惯性开关电路，当受到反向门限加速度作用后，第二质量块6离开开关触点5，开关断开。
开关辅助机构由一个梳齿型的第一质量块2和4N2根折叠弹簧梁组成，在SOI硅片上采用双面刻蚀工艺加工而成，其中，4N2根折叠弹簧梁由SOI硅片器件层刻蚀加工而成，第一质量块2由SOI器件层和底层双面刻蚀加工而成。
双稳态机构由一个第二质量块5和4N1组三段式短斜梁结构4组成，双稳态机构在SOI硅片上采用双面刻蚀工艺加工而成，其中，4N1组三段式短斜梁结构4结构由SOI硅片器件层加工而成，第二质量块5由SOI硅片底层和器件层双面刻蚀加工而成，第二质量块5为矩形质量块。
开关外壳1也为在SOI硅片上采用双面刻蚀工艺加工而成的结构。
本发明的双稳态机构的双稳态示意图如图5所示，实线为结构第一稳态状态，虚线为结构第二稳态状态，F为施加在结构中心第二质量块上的驱动力，δ为第二质量块竖直方向运动位移。双稳态力-位移关系曲线如图6所示，图6中原点处为结构的第一稳态位置，D点为第二稳态位置，B点为不稳定的平衡位置。A点力F1为双稳态结构从第一稳态跳转至第二稳态的临界力(即所施加外力必须大于F1)，C点F2是结构从第二稳态跳转至第一稳态的临界力。为保证开关闭合后接触力最大，本发明将触点闭合位置设置在质量块运动到C点对应位移处。
本发明提供的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关的工作过程如下：
当MEMS惯性开关受到外加门限加速度aon作用后，第一质量块2和第二质量块6产生的惯性力克服弹簧体3的弹力，驱动双稳态机构，将第二质量块6压下触碰开关外壳1上的开关触点5，从而导通电路，开关完成闭合动作。
外加加速度撤除后，第一质量块2由弹簧体3的折叠梁拉回，由于双稳态***提供的负刚度，第二质量块6可以保证开关触点5继续维持闭合状态。
MEMS惯性开关受到反向加速度aoff可以使第二质量块6脱离开关触点5，当aoff达到开关截止门限时，开关断开。
本发明提供的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关具有以下有益效果：
(1)本发明提供的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关是由纯机械结构完成开关的闭合-断开功能，开关工作过程中不采用静电、电磁或电热等其它装置辅助开关功能，具备抗电磁干扰能力强的特点；
(2)本发明提供的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关具有自锁功能，采用双稳态机构完成开关闭合后的锁定，闭合后撤销激励加速度，开关仍能保持触点稳定闭合，具有很强的抗机械振动能力；
(3)在给定反向加速度作用下，开关可以完成解锁功能，开关可以重复使用；
(4)第一质量块为带有梳齿的结构，可以给第一质量块运动提供足够的空气阻尼，达到减震作用。同时，梳齿型结构可以对第一级质量块进行限位。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，其特征在于，包括：开关外壳、双稳态机构和开关辅助机构，所述开关辅助机构和双稳态机构设置在所述开关外壳内部，并在加速度方向上依次设置；
所述开关辅助机构包括弹簧体和第一质量块，所述弹簧体的两端分别与所述第一质量块以及所述开关外壳内壁相连接；
所述双稳态机构包括三段式短斜梁结构和第二质量块，所述三段式短斜梁结构包括第一梁结构和第二梁结构，所述第一梁结构包括侧梁、第一柔性梁、第二柔性梁和刚性梁，所述侧梁固定在开关外壳的内侧壁，所述侧梁为柔性梁，所述双稳态机构在第一稳态位置时，所述第一柔性梁、第二柔性梁和所述刚性梁为共线的斜梁，所述第一柔性梁一端与所述侧梁中部固定连接，所述第一柔性梁的另一端与刚性梁的一端固定连接，所述刚性梁的另一端与所述第二柔性梁的一端固定连接，所述第二柔性梁的另一端与所述第二质量块的一侧固定连接，所述第一梁结构和第二梁结构关于所述第二质量块的中轴线对称设置，所述第一柔性梁和第二柔性梁为短梁，所述短梁为柔度值小于50的梁；
所述开关外壳上加工有金属电极，开关外壳在与所述第二质量块相对位置处设置有开关触点；当第二质量块碰撞开关触点后，开关电路导通；
所述第一质量块与所述第二质量块相对设置，所述第一质量块的质量大于所述第二质量块的质量，所述MEMS惯性开关在受到设定加速度时，所述第一质量块在惯性的作用下，与所述第二质量块接触，对所述第二质量块产生加速度方向的作用力，所述第二质量块沿加速度方向运动，按压所述开关触点；导通MEMS惯性开关电路，当受到反向门限加速度作用后，第二质量块离开开关触点，开关断开；
第一质量块的侧壁和开关外壳的内侧壁均为齿梳型结构，第一质量块的齿梳型结构和开关外壳的齿梳型结构相配合设置，配合方式为间隙配合；
所述弹簧体的数量为多个，所述弹簧体在所述第一质量块的两侧壁对称设置，所述弹簧体为折叠弹簧梁，所述折叠弹簧梁的一端与所述开关外壳的侧壁固定连接，另一端与所述第一质量块的侧壁固定连接，所述折叠弹簧梁将所述第一质量块支撑固定在所述开关外壳内部。
2.根据权利要求1所述的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，其特征在于，所述三段式短斜梁结构的数量为4N1组，4N1组所述三段式短斜梁结构平行设置，其中，N1为正整数。
3.根据权利要求1所述的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，其特征在于，所述第一柔性梁长度小于所述刚性梁长度，所述第一柔性梁长度和第二柔性梁长度相同。
4.根据权利要求1所述的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，其特征在于，所述弹簧体由N2根折叠弹簧梁组成，其中，N2为正整数。
5.根据权利要求1或4所述的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，其特征在于，所述弹簧体的数量为4个，对称设置于所述第一质量块相对的两侧壁的上部和下部。
6.根据权利要求1所述的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，其特征在于，所述开关辅助机构在SOI硅片上采用双面刻蚀工艺加工而成，其中，所述第一质量块由SOI硅片的底层和器件层加工而成，所述弹簧体由SOI硅片的器件层加工而成。
7.根据权利要求1所述的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，其特征在于，所述双稳态机构在SOI硅片上采用双面刻蚀工艺加工而成，其中，所述第二质量块由SOI硅片的底层和器件层加工而成，所述三段式短斜梁结构由SOI硅片的器件层加工而成。
8.根据权利要求1所述的基于三段式短斜梁双稳态结构的MEMS惯性开关，其特征在于，所述开关外壳为在SOI硅片的器件层和底层上采用双面刻蚀工艺加工而成。
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