一种微机械万向开关

摘要

本发明公开一种微机械万向开关，包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽；器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架；质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上镀有动电极；封帽包括：径向电极分布在质量块的四周，轴向电极位于质量块的下方，弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合。本发明在轴向0～90度范围内具有相同的加速度阈值，实现万向触发。

权利要求

1.一种微机械万向开关，其特征在于，包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽，构成三明治结构；

所述器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架；所述质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上表面镀有金属作为动电极；

所述封帽包括：径向电极、轴向电极及弧形电极；所述径向电极分布在质量块的四周，所述轴向电极位于质量块的下方，所述弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合；

所述衬底包括多孔镂空结构，分布在质量块和螺旋形弹簧梁的上方；

所述的微机械万向开关在受到加速度冲击时，由螺旋形弹簧梁支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移；当质量块位移趋向于衬底并与镂空结构发生碰撞时，镂空结构具有较小的刚度从而发生形变，冲击产生的动能转化为弹性势能，从而保护质量块和螺旋形弹簧梁在大冲击下不发生损坏；

当质量块产生向下位移时，质量块上的动电极与封帽上的轴向电极发生碰撞接触，从而形成电路回路，开关闭合；

当质量块产生向周围方向的位移时，质量块上的动电极与封帽上的径向电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合；

通过螺旋形弹簧梁和质量块的结构刚度设计，以及匹配质量块动电极与径向电极、轴向电极之间的间隙距离，可以使微机械万向开关在径向和轴向有相同的闭合加速度阈值；

当质量块与轴向和径向成一定夹角的方向上产生位移时，质量块上的动电极与封帽上径向电极和轴向电极的连接处的弧形电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合；

通过对弧形电极对应的弧形台阶的曲率半径、与质量块动电极的间隙距离参数设计，匹配螺旋形弹簧梁和质量块系统在该方向上的刚度，可使该微机械万向开关在半球面方向上具有相同的闭合加速度阈值，实现万向触发。

2.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述质量块为圆柱形结构。

3.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述螺旋形弹簧梁包括四根相同的螺旋形梁组成，每根螺旋形梁的一端与质量块相连，另外一端与框架相连，每根梁螺旋形之间相隔90度圆周分布。

4.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述径向电极共有四个，相隔

90度圆周分布在质量块的四周。

5.根据权利要求2或3所述的微机械万向开关，其特征在于，所述螺旋形弹簧梁的高度与质量块的厚度相同。

6.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述径向电极包括封帽上凸起的四段金属弧形结构组成的圆环状结构，相隔90度圆周分布在质量块的四周，并与质量块保持一定接触间隙。

7.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述轴向电极包括封帽上凸起的金属圆盘状结构，位于质量块的下方并与质量块保持一定接触间隙。

8.根据权利要求1所述的微机械万向开关，其特征在于，所述的径向电极和轴向电极都为固定电极，且所用金属材料相同，径向电极的厚度大于轴向电极，两者连接部分为相同金属材料形成的弧形电极。

说明书

一种微机械万向开关

技术领域

[0001] 本发明属于微机械惯性开关技术领域，更具体地，涉及一种微机械万向开关。

背景技术

[0002] 以微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术为基础设计和制造的惯性开关具有体积小、质量轻、易集成和批量化生产等优点，在汽车安全气囊、货运监测、飞机安全座椅弹射触发、弹药发射和引信起爆等领域都有着广泛的应用前景。微机械惯性开关的物理模型为弹簧质量块惯性系统，一般分为触发式和闭锁式两种，前者要求闭合后自动断开而后者要求闭合以后不再断开。触发式惯性开关在受到加速度冲击时，由弹簧支撑的质量块作为动电极受惯性力作用发生与加速度方向相反的位移，直至触碰到固定电极形成电气闭合回路，而后受弹簧恢复力作用自动分离，完成开关的通断动作。在实际的应用中，加速度的方向是随机的，因此需要微机械开关具有万向触发的特性；微机械开关闭合时输出脉冲信号，但是如果脉冲时间过短(也即脉宽过小)不能被后续接口电路可靠识别，从而无法正常产生触发信号，因此需要微机械开关具有较长的闭合时间；针对不同应用的微机械开关对闭合阈值的大小也不同，但是都要保证开关在低于阈值加速度时不管脉宽多大都不能闭合；对于引信中使用的微机械开关需要能够满足勤务处理中的意外跌落以及弹丸发射的后坐力等高冲击过载下，弹簧、质量块以及固定电极都不发生断裂失效，因此也需要微机械开关具有抗高过载的能力。

[0003] 传统的微机械开关利用LIGA工艺制作的金属弹簧质量块结构因为使用电铸工艺，容易产生较大的应力和平整度问题，且厚度无法做到很大，如需较大的质量块就需要增大质量块的面积。

[0004] 美国专利US6765160B1的微机械开关因为蛇形弹簧结构设计，只能分别感知平面内的加速度或面外方向加速度，无法在半球面内实现相同阈值的万向触发。

[0005] 中国发明专利CN102693865A采用定位销和衬底来实现抗过载功能，无法对质量块和弹簧进行有效地高冲击过载保护，容易在勤务运输和身管发射时受冲击而失效。

发明内容

[0006] 针对现有微机械惯性开关存在的缺陷，本发明提供了一种微机械万向开关，以解决现有微机械万向开关产生较大的应力和平整度因而厚度无法做到很大、无法在半球面内实现相同阈值的万向触发及无法对质量块和弹簧进行有效地高冲击过载保护的技术问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种微机械万向开关，包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽，构成三明治结构；

[0008] 所述器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架；所述质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上镀有动电极；

[0009] 所述封帽包括：径向电极、轴向电极及弧形电极；所述径向电极分布在质量块的四周，所述轴向电极位于质量块的下方，所述弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合；

[0010] 所述衬底包括多孔镂空结构，分布在质量块和螺旋形弹簧梁的上方。

[0011] 可选地，所述质量块为圆柱形结构。

[0012] 可选地，所述螺旋形弹簧梁包括四根相同的螺旋形梁组成，每根螺旋形梁的一端与质量块相连，另外一端与框架相连，每根梁螺旋形之间相隔90度圆周分布。

[0013] 可选地，所述径向电极共有四个，相隔90度圆周分布在质量块的四周。

[0014] 可选地，所述螺旋形弹簧梁的高度与质量块的厚度相同。

[0015] 可选地，所述径向电极包括封帽上凸起的四段金属弧形结构组成的圆环状结构，相隔90度圆周分布在质量块的四周，并与质量块保持一定接触间隙。

[0016] 可选地，所述轴向电极包括封帽上凸起的金属圆盘状结构，位于质量块的下方并与质量块保持一定接触间隙。

[0017] 可选地，所述的径向电极和轴向电极都为固定电极，且所用金属材料相同，径向电极的厚度大于轴向电极，两者连接部分为相同金属材料形成的弧形电极。

[0018] 可选地，所述的微机械万向开关在受到加速度冲击时，由螺旋形弹簧梁支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移；

[0019] 当质量块位移趋向于衬底并与其发生碰撞时，镂空结构具有较小的刚度从而发生形变，冲击产生的动能转化为弹性势能，从而保护质量块和螺旋形弹簧梁在大冲击下不发生损坏。

[0020] 可选地，所述的微机械万向开关在受到加速度冲击时，由螺旋形弹簧梁支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移；

[0021] 当质量块产生向下位移时，质量块上的动电极与封帽上的轴向电极发生碰撞接触，从而形成电路回路，开关闭合；

[0022] 当质量块产生向周围方向的位移时，质量块上的动电极与封帽上的径向电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合；

[0023] 通过螺旋形弹簧梁和质量块的结构刚度设计，以及匹配质量块动电极与径向电极、轴向电极之间的间隙距离，可以使微机械万向开关在径向和轴向有相同的闭合加速度阈值；

[0024] 当质量块与轴向和径向成一定夹角的方向上产生位移时，质量块上的动电极与封帽上径向电极和轴向电极的连接处的弧形电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合；

[0025] 通过对弧形电极对应的弧形台阶的曲率半径、与质量块动电极的间隙距离参数设计，匹配螺旋形弹簧梁和质量块系统在该方向上的刚度，可使该微机械万向开关在半球面方向上具有相同的闭合加速度阈值，实现万向触发。

[0026] 综上所述，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

[0027] (1)本发明提供的微机械惯性开关的惯性敏感机构通过SOI体硅工艺加工，通过在体硅上制作惯性质量块和弹簧结构，可以获得较厚的惯性质量块，相比传统LIGA工艺，可在更小面积下实现相同重量的惯性质量块，减小体积和成本。

[0028] (2)本发明提供的微机械惯性开关通过衬底上制作的镂空结构将冲击能量转化为弹性势能，使开关拥有更高的抗过载能力。

[0029] (3)本发明提供的微机械惯性开关通过径向电极、轴向电极以及两者连接处的弧形台阶电极与质量块动电极的间隙距离设计，匹配弹簧质量块系统在各方向上的刚度，实现在半球面内任意方向上有相同的加速度阈值，即轴向0～90度范围内具有相同的阈值，真正实现万向触发。

附图说明

[0030] 图1是本发明实施例提供的微机械万向开关器件层结构示意图；

[0031] 图2是本发明实施例提供的微机械万向开关衬底俯视图；

[0032] 图3是本发明实施例提供的微机械万向开关封帽俯视图；

[0033] 图4是本发明实施例提供的微机械万向开关动电极和固定电极示意图；

[0034] 图5是本发明实施例提供的微机械万向开关整体结构剖面图；

[0035] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为圆柱形质量块，2为螺旋形弹簧梁，3为外框架，4为衬底，5为镂空结构，6为封帽，7为固定电极，701为径向电极，702为轴向电极，703为弧形电极，8为封装焊盘，9为动电极。

具体实施方式

[0036] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及一个实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0037] 本发明的设计原理如下：微机械万向开关在受到加速度冲击时，由弹簧支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移。当质量块位移趋向于衬底并与冲击保护结构发生碰撞时，镂空结构具有较小的刚度从而发生形变，冲击产生的动能转化为弹性势能，从而保护质量块和弹簧在大冲击下不发生损坏。当质量块位移沿轴向趋向于封帽时，质量块上的动电极与封帽上的轴向固定电极发生碰撞接触，从而形成电路回路，即开关闭合。当质量块产生径向位移时，质量块上的动电极与封帽上的径向固定电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合。通过弹簧和质量块的结构刚度设计，以及匹配质量块动电极与径向、轴向固定电极之间的间隙距离，可以使开关在径向和轴向有相同的闭合加速度阈值。当质量块与轴向和径向成一定夹角的方向上产生位移，质量块上的动电极与封帽上径向电极和轴向电极的连接处的金属弧形台阶发生碰撞接触，形成回路，开关闭合。通过对弧形台阶的曲率半径、与质量块动电极的间隙距离等参数设计，匹配弹簧和质量块系统在该方向上的刚度，可使该微机械开关在半球面方向上具有相同的闭合加速度阈值，实现万向触发。

[0038] 在一个示例中，本发明提供的微机械万向开关，包括器件层、衬底和封帽，所述器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架，所述衬底包括：冲击保护结构，所述封帽包括：径向电极、轴向电极和弧形电极。

[0039] 器件层上下为衬底和封帽，构成三明治结构的微机械万向开关。质量块为圆柱形结构，由螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上表面镀有一层金属作为动电极。螺旋形弹簧梁包括四根相同的螺旋形梁组成，梁宽可以为20μm-100μm，每根梁的一端与质量块相连另外一端与框架相连，每根梁之间相隔90度圆周分布。螺旋形弹簧梁的高度与质量块的厚度相同，可以为300μm-1000μm；冲击保护结构包括在衬底上的多孔镂空结构，分布在质量块结构和弹簧结构的下方。

[0040] 径向电极包括封帽上凸起的四段金属弧形结构组成的圆环状结构，相隔90度圆周分布在质量块的四周，并与质量块保持一定接触间隙；该间隙可以为10μm-50μm。

[0041] 轴向电极包括封帽上凸起的金属圆盘状结构，位于质量块的下方并与质量块保持一定的接触间隙；该间隙可以为10μm-50μm。

[0042] 径向电极和轴向电极都为固定电极，且所用金属材料相同，径向电极的厚度大于轴向电极，两者连接部分为相同金属形成的弧形台阶，该弧形台阶即作为弧形电极。

[0043] 微机械万向开关在受到加速度冲击时，由弹簧支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移。当质量块位移趋向于衬底并与冲击保护结构发生碰撞时，镂空结构具有较小的刚度从而发生形变，冲击产生的动能转化为弹性势能，从而保护质量块和弹簧在大冲击下不发生损坏。当质量块位移沿轴向趋向于封帽时，质量块上的动电极与封帽上的轴向固定电极发生碰撞接触，从而形成电路回路，即开关闭合。当质量块产生径向位移时，质量块上的动电极与封帽上的径向固定电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合。通过弹簧和质量块的结构刚度设计，以及匹配质量块动电极与径向、轴向固定电极之间的间隙距离，可以使开关在径向和轴向有相同的闭合加速度阈值。

[0044] 当质量块与轴向和径向成一定夹角的方向上产生位移，质量块上的动电极与封帽上径向电极和轴向电极的连接处的金属弧形台阶发生碰撞接触，形成回路，开关闭合。通过对弧形台阶的曲率半径、与质量块动电极的间隙距离等参数设计，匹配弹簧和质量块系统在该方向上的刚度，可使该微机械开关在半球面方向上具有相同的闭合加速度阈值，实现万向触发。

[0045] 为了更进一步地说明本发明实施例提供的微机械万向开关，现结合附图对本发明作进一步详述。

[0046] 图1是微机械万向开关的器件层结构示意图。如图1所示，圆柱形质量块1由四个相同的螺旋形弹簧2支撑在外框架3上。质量块、弹簧梁和外框架的厚度相同为500μm。质量块的直径为1mm，弹簧梁宽为30μm，外框架外形尺寸为3mm*3mm。

[0047] 图2是微机械万向开关衬底的俯视图。如图2所示，衬底4的面积与器件层外框架相同，为3mm*3mm，厚度为100μm。衬底4上分布有多个圆形穿孔构成的镂空结构。衬底4与器件层分别为SOI晶片的较薄硅层和较厚硅层，质量块1、弹簧2和镂空结构5都是通过深硅刻蚀工艺将硅层刻穿形成。

[0048] 图3是微机械万向开关封帽的俯视图。如图3所示，封帽6的材料为单晶硅或者玻璃，外形尺寸为3.5mm*3mm*0.5mm。封帽6上有分布有固定电极7和封装焊盘8。固定电极7的圆心与质量块1的圆柱中心共线。

[0049] 图4为微机械万向开关动电极和固定电极示意图。如图4所示，质量块1表面镀金作为动电极9。封帽6上的固定电极7共有三部分组成，分别为径向电极701，轴向电极702和两者连接处的弧形电极703。固定电极7由3D电镀金工艺加工制作而成。当质量块1受到外界径向加速度时，动电极9与径向电极701接触，开关闭合；当质量块1受到外界轴向加速度时，动电极9与轴向电极702接触，开关闭合；当质量块1受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角的作用，动电极9与弧形电极703接触，开关闭合。

[0050] 质量块1与弹簧2构成的系统，第一阶模态为面外方向轴向平动，谐振频率为1390Hz，第二阶模态为面内方向径向平动，谐振频率为1550Hz。因此，在受到相同大小加速度作用下，质量块1的轴向位移和径向位移的大小接近；而受到与轴向和径向成45度夹角方向上的相同大小加速度时，质量块1的位移约为径向或轴向位移的 倍。因此将动电极9与径向电极701和轴向电极702的间隙距离设计为30μm和40μm，以及在弧形电极703的配合下，微机械万向开关可以在受到轴向夹角为0-90度范围，大小为300g±40g的加速度作用下可靠闭合，从而实现微机械开关的万向性。

[0051] 图5为微机械万向开关整体结构剖面图。如图5所示，器件层和衬底4由SOI晶圆加工而成，相对位置固定。封帽6通过封装焊盘8与器件层进行对准封装，形成机械固连和电气互连，动电极9和固定电极7的电气接口均设置在封帽6上，并与外界开关信号调理电路相连。当微机械万向开关受到后坐力冲击时，质量块1向衬底4方向移动，产生碰撞以后通过镂空结构5的形变将冲击能量转换成弹性势能，从而为微机械万向开关的结构形成高抗冲击过载保护。当微机械万向开关受到轴向夹角0-90度范围内的任意方向300g±40g大小的加速度时，动电极9和固定电极7接触，开关闭合。当加速度大小超过阈值范围时，固定电极7对质量块1有限位制动作用。

[0052] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。