一種微機械萬向碰撞開關的製作方法
2023-10-10 08:11:14
專利名稱：一種微機械萬向碰撞開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微機械慣性開關裝置，特別是一種帶有柔性支撐固定電極和限位銷的微機械萬向碰撞開關。
背景技術：
以微機電技術為基礎的慣性開關具有體積小、重量輕、成本低和易集成等優點，在 汽車安全氣囊、貨物運輸、碰撞記錄以及彈藥發射、引信起爆等領域都有著迫切的應用需求和廣泛的應用前景，如在彈藥發射過程中感應後坐或離心加速度，在戰鬥部碰擊目標時引信的萬向觸發等。目前，公知的微機械慣性開關是由彈簧支撐質量塊為動電極並與固定電極組成的慣性接觸系統，分為觸發和閉鎖兩種，對於觸髮型開關要求閉合後自動斷開，而閉鎖型開關要求閉合以後不再斷開。觸髮型開關的作用過程為當開關受到加速度衝擊時，質量塊發生與加速度方向相反的相對位移，與固定電極接觸而後自動分離，迅速完成開關的通斷動作。但是，現有觸髮型開關能感應的加速方向範圍有限，往往是單向、雙向、一個平面的圓周方向或是以上的組合方向，還不能對一個半球面內所有方向的加速度都有效響應。對於需要對半球面內任意方向加速度都要感應的裝置，以上開關無法滿足要求，或為了滿足要求而在不同方向上安裝多個開關，提高了成本。美國專利US 6765160 BI公布了一種萬向微機械衝擊開關，由蛇形彈簧支撐方形質量塊組成彈簧質量系統。能有效響應水平方向與垂直方向的加速度衝擊。但由於質量塊採用的方形結構，此發明對不同水平方向的加速度衝擊響應效果不同，方向適應能力受到限制。中國發明專利CN 101789329 A公開了一種三維多方向敏感的微機械慣性電學開關。對水平和垂直的多個方向的加速度衝擊能有效響應。但由於沒有設置限位銷，應用在高速旋轉載體時，無法避免質量塊的水平旋轉。加之質量塊用於碰撞的外側邊沿的曲率半徑較小以及固定電極形狀較小的原因，當質量塊同時發生旋轉和水平移動時，不能保證開關可靠閉合。另外此發明專利中發生碰撞的固定電極採用剛性支撐，碰撞接觸時間較短，不利於接觸信號的採集與處理。
發明內容
本發明的目的在於提供一種微機械萬向碰撞開關，對於來自絕緣襯底上方，在開關徑向或軸向分量達到閾值大小的所有加速度衝擊都能有效閉合；通過將開關的固定電極改為柔性支撐方式，很大程度上延長了碰撞接觸時間，保證有效電信號的輸出；並設計有限位銷，防止質量塊產生過大的位移和自身的旋轉，對結構在過載情況下起到有效的保護作用。實現本發明目的的技術解決方案為一種微機械萬向碰撞開關，包括絕緣襯底、中心彈簧支撐座、多個固定電極支撐座、多個弧形支撐彈簧、多個蛇形支撐彈簧、環形質量塊、多個固定電極和多個限位銷，中心彈簧支撐座固定設置在絕緣襯底的中心位置，由中心彈簧支撐座作為支撐點固定弧形支撐彈簧的一端，弧形支撐彈簧的另一端共同連接並支撐起環形質量塊，使環形質量塊懸空設置在絕緣襯底上；固定電極支撐座固定設置在絕緣襯底上，均勻分布於環形質量塊外側，並通過蛇形支撐彈簧連接固定電極，使固定電極7懸空設置在絕緣襯底上；在環形質量塊的邊緣位置上均勻開有數個凹口，每個凹口均位於相鄰的兩個固定電極之間，限位銷設置在凹口內並固定在絕緣襯底上，限制環形質量塊水平和垂直方向的過大位移及自身的旋轉。所述弧形支撐彈簧的個數大於等於3個；固定電極支撐座、蛇形支撐彈簧和固定電極的個數相等且大於等於4個。所述固定電極7設置在環形質量塊的外側，固定電極是與環形質量塊為同心圓的帶翻邊的圓弧梁，由圓弧側板與圓弧頂板相互垂直連接而成；圓弧側板與環形質量塊之間存在徑向接觸間隙為1(Γ50微米，圓弧頂板覆蓋環形質量塊外側的一部分，圓弧頂板與環形質量塊之間存在軸向接觸間隙為1(Γ50微米。所述蛇形支撐彈簧與環形質量塊在同一水平位置，是一匝或多匝的對稱彈簧組；線寬為1(Γ30微米，厚度為2(Γ80微米。所述限位銷由圓柱形銷柱和圓盤形銷帽連接構成，凹口與銷柱徑向限位間隙為2(Γ60微米，切向限位間隙為15 55微米；徑向限位間隙大於切向限位間隙，且徑向與切向限位間隙都大於徑向接觸間隙；環形質量塊與限位銷的銷帽間存在軸向限位間隙為3(Γ80微米，軸向限位間隙大於軸向接觸間隙。本發明與現有技術相比，其顯著優點針對以往的微機械慣性開關只能對特殊方向加速度敏感，能感知的加速度方向範圍有限的問題，本發明是一種由若干弧形梁共同支撐環形質量塊作可動電極，蛇形彈簧支撐帶翻邊的圓弧梁作固定電極的微機械萬向碰撞開關，能同時感應來自絕緣襯底上方所有方向的加速度衝擊作用；蛇形彈簧支撐固定電極的設計有效改善了接觸效果並延長了接觸時間；限位銷的設計保證了開關具有較好的抗過載性能。
圖I是微機械萬向碰撞開關的整體結構示意圖。圖2是微機械萬向碰撞開關的彈簧質量塊結構示意圖。圖3是微機械萬向碰撞開關的彈簧質量塊結構與限位銷結構示意圖。圖4是微機械萬向碰撞開關的蛇形支撐彈簧支撐固定電極的結構示意圖。
具體實施例方式本發明的設計原理如下，中心彈簧支撐座固定設置在圓形絕緣襯底的中心位置。由中心彈簧支撐座向外延伸出若干的弧形支撐彈簧共同連接並支撐起環形質量塊，使環形質量塊懸空於絕緣襯底上方。固定電極支撐座固定設置在絕緣襯底上，均勻分布於環形質量塊外側，各固定電極支撐座通過蛇形支撐彈簧連接並支撐起一段與環形質量塊為同心圓且帶翻邊的圓弧梁作為固定電極，固定電極上與絕緣襯底垂直的圓弧板稱為圓弧側板，與絕緣襯底平行的圓弧板稱為圓弧頂板。圓弧側板與環形質量塊間存在很小間隙，是開關完、成水平方向閉合時環形質量塊所要完成的徑向位移，稱之為徑向接觸間隙。同樣，圓弧頂板與環形質量塊間也存在一個很小的間隙，是開關完成垂直方向閉合時環形質量塊所要完成的軸向位移，稱之為軸向接觸間隙，徑向接觸間隙與軸向接觸間隙不必相等。在環形質量塊上的邊緣位置上均勻開有數個凹口，每個凹口均位於相鄰的兩個固定電極之間，在每個凹口內固定設置了限位銷，限制環形質量塊水平和垂直方向的過大位移及自身的旋轉。整個微機械萬向碰撞開關採用非娃微機電製造工藝製作而成。本發明中固定電極的圓弧側板與環形質量塊為同心圓，在水平圓周上將環形質量塊基本包圍，使環形質量塊在水平方向上閉合時所需位移基本相同，增強了開關對不同方向加速度衝擊響應時的方向適應能力和水平方向接觸時的可靠性。本發明針對開關閉合接觸時間短，採用了蛇形彈簧支撐固定電極的解決方案，使得碰撞發生後，環形質量塊沒有被立即彈回，而是推動固定電極保持緊密接觸狀態繼續向前運動，極大程度延長了開關的閉合時間。 本發明為防止加速度衝擊載荷過大時，環形質量塊位移過大而出現結構損壞的現象而設計了限位銷，限位銷由銷柱和銷帽兩部分連接構成，固定設置在環形質量塊外側所開凹口內。銷柱與環形質量塊凹口間存在的徑向間隙和切向間隙分別被稱之為徑向限位間隙和切向限位間隙；垂直方向上銷帽與環形質量塊間存在的間隙稱之為軸向限位間隙。具體功能實現是當水平徑向受到過大加速度衝擊時，環形質量塊碰撞固定電極水平運動直至凹口與限位銷銷柱徑向接觸，實現限位制動作用；當在平行於絕緣襯底的平面內受到過大的旋轉加速度時，環形質量塊繞開關中心自轉直至凹口與限位銷銷柱切向接觸，實現限位制動作用；當垂直方向受到過大加速度衝擊時，環形質量塊碰撞固定電極向上運動直至環形質量塊與限位銷銷帽接觸，實現限位制動作用。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。圖I是微機械萬向碰撞開關的結構示意圖。中心彈簧支撐座2和固定電極支撐座3固定設置在絕緣襯底I上。由中心彈簧支撐座2作為支撐點固定起弧形支撐彈簧3的一端，弧形支撐彈簧3的另一端共同連接並支撐環形質量塊4，使環形質量塊4懸空於絕緣襯底I上。固定電極支撐座3均勻分布於環形質量塊4外側四周，通過蛇形支撐彈簧5與固定電極7連接。固定電極7上的圓弧側板9與環形質量塊6間存在徑向接觸間隙為1(Γ50微米。固定電極7上的圓弧頂板10與環形質量塊6間存在軸向接觸間隙為1(Γ50微米。限位銷8固定在絕緣襯底I上，位於環形質量塊6外側四周的凹口內，用於限制環形質量塊6的過大位移及自身的旋轉。圖2是微機械萬向碰撞開關的彈簧質量塊結構示意圖。中心彈簧支撐座2固定在圓形的絕緣I中心位置。弧形支撐彈簧4的一端固定於中心彈簧支撐座2上，另一端共同連接環形質量塊6，環形質量塊6懸空在絕緣襯底I上方，與絕緣襯底I間存在間隙3(Γ50微米。所述弧形支撐彈簧4線寬10 20微米，厚40 80微米
所述環形質量塊6厚6(Tl20微米，內環半徑30(Γ350微米，外環半徑55(Γ800微米。圖3是微機械萬向碰撞開關的彈簧質量塊結構與限位銷結構示意圖。限位銷8均勻分布於環形質量塊6外側的半圓形凹口中，限位銷8由圓柱形銷柱和圓盤形銷帽連接構成。
所述凹口直徑80 120微米。所述銷柱直徑50 90微米。凹口與銷柱徑向限位間隙為2(Γ60微米，切向限位間隙為15 55微米。徑向限位間隙大於切向限位間隙，且徑向與切向限位間隙都大於徑向接觸間隙。環形質量塊6與限位銷8的銷帽間存在軸向限位間隙為3(Γ80微米，軸向限位間隙大於軸向接觸間隙。圖4是蛇形支撐彈簧支撐固定電極的結構示意圖。圓弧側板9與圓弧頂板10相互垂直連接構成固定電極7。固定電極支撐座3固定於絕緣襯底I上，蛇形支撐彈簧5 —端 固定在固定電極支撐座3上，另一端連接並支撐起懸空的固定電極7。所述蛇形支撐彈簧5與環形質量塊在同一水平位置，是一匝或多匝的對稱彈簧組，線寬為10 30微米，厚度為20 80微米。下面結合具體實施例做進一步說明。如圖I所示，本實施例包括絕緣襯底1，中心彈簧支撐座2，固定電極支撐座3，弧形支撐彈簧4，蛇形支撐彈簧5，環形質量塊6，固定電極7和限位銷8，其中中心彈簧支撐座2固定設置在絕緣襯底I的中心位置上，由中心彈簧支撐座2作為支撐點固定弧形支撐彈簧4的一端，弧形支撐彈簧4的另一端共同連接並支撐起環形質量塊6，使環形質量塊6懸空設置在絕緣襯底I上；固定電極支撐座3固定設置在絕緣襯底I上，均勻分布於環形質量塊6外側，並通過蛇形支撐彈簧5連接固定電極7，使固定電極7懸空設置在絕緣襯底I上，在環形質量塊6上的邊緣位置上均勻開有數個凹口，每個凹口均位於相鄰的兩個固定電極7之間，限位銷8設置在凹口內並固定在絕緣襯底I上，限制環形質量塊6水平和垂直方向的過大位移及自身的旋轉。所述弧形支撐彈簧4線寬15微米，厚60微米；
所述環形質量塊6厚60微米，內環半徑350微米，外環半徑650微米；環形質量塊6與絕緣襯底I間存在垂直間隙40微米；
所述環形質量塊6邊緣所開凹口直徑為90微米；
所述固定電極7由圓弧側板9與圓弧頂板10相互垂直連接而成；圓弧側板9與環形質量塊6之間存在徑向接觸間隙為15微米。圓弧頂板10與環形質量塊6之間存在軸向接觸間隙為20微米；
所述銷柱直50微米；凹口與銷柱徑向限位間隙為30微米，切向限位間隙為20微米；環形質量塊6與限位銷8的銷帽間存在軸向限位間隙為30微米；
所述蛇形支撐彈簧5是兩匝對稱的彈簧組。線寬20微米，厚60微米；
中心彈簧支撐座2與固定電極支撐座3分別連接外電路的兩極。當所受衝擊加速度在徑向或軸向分量達到或超過閾值時，環形質量6塊與固定電極7在徑向或軸向發生碰撞接觸。碰撞過種中，蛇形支撐彈簧5大大減小了碰撞時的剛度,有效增長了碰撞時的接觸時間並增強了接觸效果。當受到的加速度衝擊較大時，環形質量塊6將推動固定電極7運動較大位移直至與限位銷接觸，實現制動作用。
權利要求
1.一種微機械萬向碰撞開關，其特徵在於包括絕緣襯底(I)、中心彈簧支撐座(2)、多個固定電極支撐座(3)、多個弧形支撐彈簧(4)、多個蛇形支撐彈簧(5)、環形質量塊(6)、多個固定電極(7)和多個限位銷(8)，中心彈簧支撐座(2)固定設置在絕緣襯底(I)的中心位置，由中心彈簧支撐座(2)作為支撐點固定弧形支撐彈簧(4)的一端，弧形支撐彈簧(4)的另一端共同連接並支撐起環形質量塊(6)，使環形質量塊(6)懸空設置在絕緣襯底(I)上；固定電極支撐座(3 )固定設置在絕緣襯底(I)上，均勻分布於環形質量塊(6 )外側，並通過蛇形支撐彈簧(5)連接固定電極(7)，使固定電極(7)懸空設置在絕緣襯底(I)上；在環形質量塊(6 )的邊緣位置上均勻開有數個凹口，每個凹口均位於相鄰的兩個固定電極(7 )之間，限位銷(8 )設置在凹口內並固定在絕緣襯底(I)上，限制環形質量塊(6 )水平和垂直方向的過大位移及自身的旋轉。
2.根據權利要求I所述的微機械萬向碰撞開關，其特徵在於所述弧形支撐彈簧(4)的個數大於等於3個；固定電極支撐座(3)、蛇形支撐彈簧(5)和固定電極(7)的個數相等且大於等於4個。
3.根據權利要求I所述的微機械萬向碰撞開關，其特徵在於所述固定電極(7)設置在環形質量塊(6)的外側，固定電極(7)是與環形質量塊(6)為同心圓的帶翻邊的圓弧梁，由圓弧側板(9)與圓弧頂板(10)相互垂直連接而成；圓弧側板(9)與環形質量塊(6)之間存在徑向接觸間隙為1(Γ50微米，圓弧頂板(10)覆蓋環形質量塊(6)外側的一部分，圓弧頂板(10)與環形質量塊(6)之間存在軸向接觸間隙為1(Γ50微米。
4.根據權利要求I所述的微機械萬向碰撞開關，其特徵在於所述蛇形支撐彈簧(5)與環形質量塊(6)在同一水平位置，是一匝或多匝的對稱彈簧組；線寬為1(Γ30微米，厚度為20 80微米。
5.根據權利要求I所述的微機械萬向碰撞開關，其特徵在於所述限位銷(8)由圓柱形銷柱和圓盤形銷帽連接構成，凹口與銷柱徑向限位間隙為2(Γ60微米，切向限位間隙為15 55微米；徑向限位間隙大於切向限位間隙，且徑向與切向限位間隙都大於徑向接觸間隙；環形質量塊(6)與限位銷(8)的銷帽間存在軸向限位間隙為3(Γ80微米，軸向限位間隙大於軸向接觸間隙。
全文摘要
本發明公開了一種微機械萬向碰撞開關。固定在絕緣襯底(1)中心位置的中心彈簧支撐座(2)連接弧形支撐彈簧(4)的一端，弧形支撐彈簧(4)的另一端連接並支撐起懸空的環形質量塊(6)；固定在絕緣襯底(1)上的固定電極支撐座(3)均勻分布於環形質量塊(6)外側，並通過蛇形支撐彈簧(5)與懸空的固定電極(7)相連。環形質量塊(6)分別與的圓弧側板(9)和圓弧頂板(10)之間存在徑向接觸間隙和軸向接觸間隙。環形質量塊(6)外側凹口內設置有限位銷(8)。本發明對來自絕緣襯底(1)上方任一方向的加速度都有良好響應並具有較好的抗高過載性能。
文檔編號H01H35/14GK102693865SQ20121019817
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者席佔穩, 張平, 程玄玄, 聶偉榮 申請人:南京理工大學