連體蛇形彈簧微型慣性電學開關的製作方法
2023-07-03 04:54:26 1
專利名稱：連體蛇形彈簧微型慣性電學開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微型慣性電學開關，具體涉及一種連體蛇形彈簧微型慣性電學開關。屬於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製造的慣性開關因其具有體積小、成本低及批量生產等優點備受關注。以往的微型慣性開關，不論是垂直驅動還是水平驅動，因其加工方法是基於微機電系統技術，很多情況下開關的製備是以矽襯底為基礎進行電鍍，由於電鍍過程中不可避免的內應力，這就決定了整個器件的高度不可能太厚，為了有足夠大的質量塊來感應外界的加速度作用，最終導致器件的整體面積較大，這個問題在水平驅動的慣性開關中更為明顯。
微型慣性電學開關的設計多數採用懸臂梁或彈簧連接質量塊電極去接觸另一固定電極的形式。但是，如何保證懸臂梁或彈簧連接著質量塊這一機構在外加速度作用下的快速協調動作，以及處理好質量塊電極碰撞到另一固定電極的接觸效果和隨後的高速反彈問題一直是人們努力的方向，結果各種用以改善上述不足的微型慣性電學開關設計不斷被提出。
經對現有技術的文獻檢索發現，Wei Ma等在《Sensors and Actuators A》(《傳感器與執行器A》，2004年111期63-70頁)發表了題為「Fabrication andpackaging of inertia micro-switch using low-temperature photo-resistmolded metal-electroplating technology」(「用低溫金屬電鍍技術製造與封裝的慣性微型電學開關」)的論文，提出以矽襯底為基礎，在其上電鍍金屬的方法來實現微型慣性開關的製備，該微型慣性開關是以懸臂梁連接的質量塊作為電極之一，另一電極位於質量塊下方的襯底上、或者與質量塊在同一個平面，由於在矽基底上無法電鍍太厚的質量塊，質量塊需要佔據較大的面積來產生足夠大的慣性驅動力以觸發開關，慣性開關沒有很明顯的立體結構；此外，質量塊電極與直接位於基底上的另一電極碰撞接觸時，兩者的剛度都很大，以至於接觸效果不良且時間短暫，再加上高速回彈的質量塊沒有任何邊界防護，可能會導致器件受損。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，使整個微型慣性電學開關具有明顯的三維結構特徵，並使由彈簧懸空的質量塊電極能夠協調地快速運動到並接觸另一固定電極，而且二者有良好的接觸效果和較長的接觸時間，質量塊電極的快速反彈被緩衝層很好地緩解，對器件的意外損傷起到一定的保護作用。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括質量塊電極、多孔梁固定電極、連體蛇形彈簧、絕緣襯底、緩衝層、彈簧支撐座以及梁支撐座；緩衝層位於絕緣襯底上方、質量塊電極下方，彈簧支撐座以及梁支撐座固定在絕緣襯底上、位於質量塊電極周圍，連體蛇形彈簧與質量塊電極相連，並被彈簧支撐座懸空，多孔梁固定電極被梁支撐座懸空、位於質量塊電極上方、與質量塊電極之間有15-50微米的間隙。當外界足夠大的負加速度沿絕緣襯底上表面法線方向作用於本發明連體蛇形彈簧微型慣性電學開關時，或者足夠大的正加速度沿絕緣襯底下表面法線方向作用於上述電學開關時，質量塊電極將接觸到多孔梁固定電極，實現對外電路的接通。
所述的絕緣襯底可以是石英、玻璃等絕緣材料製備的。
所述的緩衝層是在絕緣襯底上直接電鍍鎳或銅等金屬形成的，由一系列縱向和橫向分布的短柱陣列而成，短柱可以有不同的形狀和尺寸，陣列的形式也可有各種形式，如短柱可以做成長方體或圓柱體，陣列時一部分在絕緣襯底上、連體蛇形彈簧下方縱向陣列，間隔為100-120微米，另一部分在絕緣襯底上、質量塊下方橫向陣列成4行×5列，緩衝層的短柱截面積不宜太小，一般至少為20微米×80微米，以防止最後器件釋放時脫落，高度適當，一般為5-15微米，能夠對高速彈回的連體蛇形彈簧和質量塊電極起到一定的緩衝作用。
所述的連體蛇形彈簧是通過電鍍鎳或銅等金屬形成的一匝或多匝的結構，其線寬為5-50微米，厚度為4-50微米，半圓的內徑為20-100微米，連接半圓間的豎直長為50-500微米，彈簧間連體的長度為10-200微米；本發明中的連體蛇形彈簧相對於以往單一彈簧或懸臂梁分布在質量塊周圍的設計，其優點在於在受到外界加速度作用後，連體蛇形彈簧懸空和質量塊電極的運動能夠保持一致性、協調性，有利於接觸的穩定可靠。
所述的彈簧支撐座是通過電鍍鎳或銅等金屬形成的方形或者弧形柱狀結構，其形狀和尺寸因絕緣襯底的形狀變化而變化。
所述的質量塊電極是通過多次疊層電鍍鎳或銅等金屬形成的方形或圓形體結構，其尺寸和形狀因絕緣襯底的形狀變化而變化，當為長方體時，其尺寸為長300-1000微米、寬300-1000微米、高50-500微米，在製作過程中質量塊電極可在其中間挖出一系列的孔以方便最後的釋放。
所述的多孔擋板梁固定電極結構，為室溫下採用電鍍鎳或銅等金屬製作的多孔擋板梁，可以為一根或多根，梁和孔的形狀及尺寸可以有多種變化。多孔擋板梁固定在梁支撐座上，梁支撐座比質量塊電極高出15-50微米，作為多孔梁固定電極與質量塊電極間的間隙，梁支撐座典型的高度尺寸為140-180微米。這種多孔擋板梁作為固定電極減小了整體梁的結構剛度，在受到質量塊電極的碰撞時，可有效地降低兩者間的接觸剛度，起到一定的緩衝作用，有利於改善兩電極的接觸效果，且便於製作過程中器件最後的釋放。
所述的梁支撐座可以製作成長方體狀，也可做成圓柱體狀，這因絕緣襯底的形狀可以變化為不同的尺寸和形狀，也是採用室溫下多次疊層電鍍鎳或銅等金屬製作。
本發明以微機電系統加工技術為基礎，採用室溫下在石英或玻璃等絕緣襯底上多次互不幹擾疊層電鍍整個開關結構的方法製作。本發明在外界加速度作用下，依靠慣性力驅動連體蛇形彈簧懸空的質量塊電極運動，從而接觸到與其有一定間距的擋板電極，隨後又在彈簧作用力下快速將質量塊電極拉回，最終實現對電路瞬間開關。
本發明針對以往微型慣性電學開關在質量塊電極運動協調性、接觸高速反彈以及接觸效果不佳方面存在的問題，提出了一種帶有連體蛇形彈簧、緩衝層和多孔梁固定電極的微型慣性電學開關，增進了帶有連體蛇形彈簧質量塊在外界加速度作用下運動的協調性，對質量塊電極的高速反彈起到了很好的緩衝作用，同時也很好地改善了質量塊電極與擋板電極間的接觸效果。
圖1是實施例1具有一對多孔梁固定電極的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關結構示意2是實施例1的質量塊電極結構示意3是實施例1的帶方孔擋板梁結構示意4是實施例1的緩衝層結構示意5是實施例2具有一根多孔梁固定電極的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關結構示意6是實施例3具有多匝連體蛇形彈簧的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關結構示意7是實施例4採用圓形襯底和質量塊的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關結構示意圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
實施例1具有一對多孔梁固定電極的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關如圖1所示，本實施例連體蛇形彈簧微型慣性電學開關包括質量塊電極1、多孔梁固定電極2、連體蛇形彈簧3、緩衝層4絕緣襯底5、彈簧支撐座6以及梁支撐座8；緩衝層4位於絕緣襯底5上方、質量塊電極1下方，彈簧支撐座6固定在絕緣襯底5上、位於質量塊電極1兩側，梁支撐座8也固定在絕緣襯底5上、位於質量塊電極1其餘兩側，連體蛇形彈簧3與質量塊電極1相連，並一起被彈簧支撐座6懸空，多孔梁固定電極2被梁支撐座8懸空，並位於質量塊電極1上方，與質量塊電極1之間有15-50微米的間隙，連體蛇形彈簧3的匝結構之間連有彈簧間連體7。質量塊電極1為長方體狀，大小為長900微米、寬900微米、高100微米，採用多次疊層電鍍鎳或銅等金屬製作；連接質量塊電極1的蛇形彈簧3，其線寬10微米、厚度20微米，半圓處的內直徑20微米、外直徑40微米，彈簧間連體7長20-50微米；彈簧支撐座6長300微米，寬100微米，高30微米；多孔梁固定電極2長1300微米，寬160微米，厚20微米，多孔梁擋板上的孔9的大小為50微米×50微米，與多孔梁擋板同厚，支撐它的梁支撐座8為長100微米×寬360微米×高140微米，梁支撐座比質量塊電極高出15-50微米；緩衝層4中短柱長100-200微米，寬30-60微米，高4-8微米，這些短柱可以按不同的方式在絕緣襯底5上陣列一部分在襯底上、連體蛇形彈簧下方縱向陣列，間隔為100-120微米，另一部分在襯底上、質量塊下方陣橫向列成4行×5列；絕緣襯底5尺寸為長1700-2000微米、寬1600-2000微米、高50-100微米。
圖2為本實施例帶有連體蛇形彈簧3的質量塊電極1的立體結構示意圖，位於質量塊電極1兩側的彈簧支撐座6電鍍在絕緣襯底5上，將連體蛇形彈簧3和與之相連的質量塊電極1懸空起來。
圖3是本實施例作為多孔梁固定電極2的多孔擋板梁的結構示意圖，梁支撐座8電鍍在絕緣襯底5上，多孔梁擋板固定在梁支撐座8上，多孔梁擋板上有一系列的方形孔9，孔9的厚度與多孔梁擋板的厚度一致。
圖4是本實施例緩衝層4的結構示意圖，由圖可見緩衝層4由一系列縱向和橫向分布的短柱陣列而成，縱向陣列在絕緣襯底上、連體蛇形彈簧下方，橫向陣列在絕緣襯底上、質量塊下方。
將外電路的兩極分別接於上述連體蛇形彈簧微型慣性電學開關的質量塊電極1和多孔梁固定電極2，當受到外界足夠大的加速度作用在該開關的敏感軸方向(這裡為絕緣襯底5表面的法線方向)後，在質量塊慣性力的驅動下，由連體蛇形彈簧3懸空的質量塊電極1運動向並接觸到多孔梁固定電極2，隨後又被連體蛇形彈簧3拉開，從而實現對外電路的快速通斷，多孔梁固定電極2的多孔結構減小了其剛度，對慣性力驅動下質量塊電極1的快速碰撞起到了一定的緩解作用，增進了接觸效果。隨後質量塊電極1的高速回彈，緩衝層4對此起到了很大的保護作用，很大程度上減小了能量在連體蛇形彈簧3上的積蓄，有利於器件下一次的工作。
實施例2採用一根多孔擋板梁的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關圖5是採用一根多孔擋板梁電極的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關的立體結構示意圖，如圖所示，該微型慣性電學開關採用了一根多孔擋板梁作為多孔梁固定電極2，該微型慣性電學開關的尺寸與實施例1中連體蛇形彈簧微型慣性電學開關的一致，並且除了多孔梁固定電極，其餘部件的形狀、尺寸與實施例1一致。
實施例3帶有多匝連體蛇形彈簧的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關圖6是本實施例帶有多匝連體蛇形彈簧微型慣性電學開關結構示意圖，如圖所示，該微型慣性電學開關採用的連體蛇形彈簧3是多匝的，該微型慣性電極開關的其餘特徵與實施例1類似。
實施例4採用圓形襯底和質量塊的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關圖7是採用圓形襯底和質量塊的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關結構示意圖，連體蛇形彈簧3與實施例1中連體蛇形彈簧的尺寸一樣，也可以製作成實施例3中連體蛇形彈簧3的多匝結構；質量塊電極1為圓柱結構，其底面直徑900微米，高100微米；絕緣襯底5為圓柱結構，其底面直徑1650微米，高50微米，可在其上類似圖1設計，陣列一定尺寸形狀的短柱，陣列方式同實施例1一致；多孔梁固定電極2的總長1650微米，中間長方形過渡部分長900微米，寬450微米，結構厚20微米，可在上面分布直徑尺寸為50-100微米的圓孔；扇形彈簧支撐座6高20微米，扇形寬100微米，內直徑1450微米，外直徑1650微米，扇形角度30度；多孔梁的扇形梁支撐座8高160微米，扇形寬100微米，內直徑1450微米，外直徑1650微米，扇形角度60度。
權利要求
1.一種連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，包括質量塊電極、多孔梁固定電極、絕緣襯底、彈簧支撐座以及梁支撐座，其特徵在於，還包括連體蛇形彈簧、緩衝層，緩衝層位於絕緣襯底上方、質量塊電極下方，彈簧支撐座以及梁支撐座固定在絕緣襯底上、位於質量塊電極周圍，連體蛇形彈簧與質量塊電極相連，並被彈簧支撐座懸空，多孔梁固定電極被梁支撐座懸空、位於質量塊電極上方、與質量塊電極之間有間隙。
2.根據權利要求1所述的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，其特徵是，所述的絕緣襯底是指石英或玻璃襯底。
3.根據權利要求1所述的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，其特徵是，所述的緩衝層是絕緣襯底上的縱向和橫向分布的短柱陣列，縱向陣列在絕緣襯底上、連體蛇形彈簧下方，橫向陣列在絕緣襯底上、質量塊下方。
4.根據權利要求3所述的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，其特徵是，所述的短柱，為長方體或圓柱體，其截面積至少為20微米×80微米，高度為5-15微米。
5.根據權利要求1所述的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，其特徵是，所述的彈簧支撐座是方形或者弧形柱狀結構。
6.根據權利要求1所述的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，其特徵是，所述的連體蛇形彈簧是一匝或多匝的結構，其線寬為5-50微米、厚度為4-50微米、半圓的內徑為20-100微米、連接半圓間的豎直長為50-500微米、彈簧間連體的長度為10-200微米。
7.根據權利要求1所述的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，其特徵是，所述的質量塊電極是方形或圓形體結構；當為方形結構時，長300-1000微米、寬300-1000微米、高50-500微米。
8.根據權利要求1所述的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，其特徵是，所述的多孔梁固定電極是具有方孔或者圓孔的一根或多根多孔擋板梁。
9.根據權利要求1所述的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，其特徵是，所述的梁支撐座，為長方體狀或圓柱體狀，其高度為140-180微米。
10.根據權利要求1所述的連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，其特徵是，所述的間隙，為15-50微米。
全文摘要
一種連體蛇形彈簧微型慣性電學開關，屬於微機電系統技術領域。本發明包括質量塊電極、多孔梁固定電極、連體蛇形彈簧、絕緣襯底、緩衝層、彈簧支撐座以及梁支撐座；緩衝層位於絕緣襯底上方、質量塊電極下方，彈簧支撐座以及梁支撐座固定在絕緣襯底上、位於質量塊電極周圍，連體蛇形彈簧與質量塊電極相連，並被彈簧支撐座懸空，多孔梁固定電極被梁支撐座懸空、位於質量塊電極上方、與質量塊電極之間有間隙。本發明增進了帶有連體蛇形彈簧質量塊在外界加速度作用下運動的協調性，對質量塊電極的高速反彈起到了很好的緩衝作用，同時也很好地改善了質量塊電極與擋板電極間的接觸效果。
文檔編號H01H35/14GK101013637SQ200710037039
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月1日 優先權日2007年2月1日
發明者丁桂甫, 楊卓青, 趙小林, 劉瑞 申請人:上海交通大學