專利名稱：微型機(jī)械式加速度開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅或類似材料制成的微型機(jī)械式加速度開關(guān)。
本發(fā)明適合被用在需要檢測出超過預(yù)定加速度的系統(tǒng)中。例如是用于轎車中起動氣囊的系統(tǒng)，或是用于關(guān)閉受到強(qiáng)烈振動的系統(tǒng)，它可以被用在諸如CD唱機(jī)，離心機(jī)，以及其它旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等不同的產(chǎn)品中。
目前針對于氣囊而言，用來隨時監(jiān)測車輛加速度的加速度傳感器以及一種加速度開關(guān)在應(yīng)用中被組合使用，該加速度開關(guān)可以在加速度超過一個預(yù)定限度時發(fā)出信號。加速度開關(guān)通常是機(jī)械式的，從而使安裝在一個參照系統(tǒng)中的彈簧加載質(zhì)量在受到一定強(qiáng)度的加速度時相對于參照系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動或是形成接觸。這一類開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，但是體積比較大并且造價昂貴。
近來已經(jīng)出現(xiàn)了按照類似方式工作的微型機(jī)械裝置。在公開的專利EP-A-056084，US-A-4855544，WO-A-96/21157和WO-A-85/03383中可以找到這方面的例子。在其中采用了一種懸臂桿，選擇性地在其一端配備有檢測質(zhì)量元件。在一定的加速度下使桿的彎曲足以形成電接觸，從而檢測出加速度已經(jīng)超過了一個閾值。這一閾值電平取決于開關(guān)的物理參數(shù)。在這些公開文件中描述的裝置存在許多缺點(diǎn)。在桿上設(shè)有導(dǎo)電體，由于導(dǎo)體和桿中的其它材料之間在熱力學(xué)和彈性特性上的差異，使得它對溫度的變化很敏感。然而，在WO-A-85/03383中所述的情況則稍有不同。另外，電導(dǎo)體具有比較大的接觸面，這樣就限制了獲得操作可靠性和低加速度閾值電平的可能性，因?yàn)殪o電引力是隨著面積而增大的。
上述公開文件的一個共同特點(diǎn)是對振動具有敏感性，振動會造成桿按照它的諧振頻率發(fā)生振蕩。在US-A-4855544中提出了一種用來控制減振的方案，避免減振的方法是將桿抵靠在針對敏感方向位于桿相對一側(cè)的一塊板上。在EP-A-567938中描述了一種利用諧振的系統(tǒng)，在其中使用了許多上述的桿，每個桿對不同的頻率具有敏感度。這樣就能檢測出系統(tǒng)的振蕩頻率。
上述開關(guān)的閾值取決于桿的尺寸和桿的端部上的檢測質(zhì)量。檢測質(zhì)量的位置和桿的彈性常數(shù)共同決定了開關(guān)的動態(tài)范圍。在制造具有不同閾值的不同開關(guān)時，必須要改變桿的長度和檢測質(zhì)量的大小，因此，可供選擇閾值的靈活性比較小。如果需要不同的閾值，費(fèi)用就會明顯地增加，因?yàn)樾碌拈_關(guān)需要用新的掩模和用來微型機(jī)加工不同元件的設(shè)備。這樣就會降低在生產(chǎn)過程中對開關(guān)進(jìn)行精密調(diào)諧的可能性，并且限制了制造成本，特別是專用元件的成本。
在EP-A-691542中提出了一些改進(jìn)，其中的檢測質(zhì)量是通過電極元件的對稱形狀而獲得的，電極元件懸掛在連接于基片的扭轉(zhuǎn)彈簧上。描述了接觸式的，非接觸式的，和用于反饋檢測的。
本發(fā)明的目的是提供一種加速度開關(guān)，它具有可靠和可重復(fù)的接觸阻抗，制作簡單并且價格低廉，且適于應(yīng)用在包括作為裝在同一芯片上的雙軸加速度開關(guān)在內(nèi)的不同用途中。
按照本發(fā)明所提供的一種微型機(jī)械式加速度開關(guān)，包括包括至少一個棒的電極元件；一個檢測質(zhì)量(proof mass)；一個外殼；以及將電極元件和檢測質(zhì)量連接到外殼上的一個彈簧元件，其中電極元件機(jī)械地鄰接到檢測質(zhì)量，彈簧元件將電極元件和檢測質(zhì)量連接到外殼上，使它們在使用中能夠繞著一個軸線轉(zhuǎn)動，其中上述的至少一個棒是可以彎曲的，在棒的接觸點(diǎn)和外殼內(nèi)的接觸區(qū)之間形成彈性接觸；并且上述的至少一個棒的質(zhì)量比檢測質(zhì)量小得多，并且具有至少一個電接觸點(diǎn)，在使用中，當(dāng)電極元件處在預(yù)定的轉(zhuǎn)角時，該電接觸點(diǎn)與開關(guān)外殼內(nèi)的相應(yīng)接觸區(qū)形成配合的電接觸；并且檢測質(zhì)量的重心與貫穿彈簧元件的軸線相距一個給定的距離。
一般來說，加速度開關(guān)的幾何尺寸是可以按照影響其特性的公知的物理?xiàng)l件而改變的，諸如諧振頻率，減振系數(shù)和閾值等等，從而便于設(shè)計(jì)成用于不同的用途。
按照這種方式獲得的開關(guān)所具有的動態(tài)范圍是由檢測質(zhì)量的尺寸和位置來確定的，而閾值則可以通過棒的長度以及在貫穿彈簧元件的軸線與接觸點(diǎn)之間的距離來調(diào)節(jié)。
操作可靠性的一個重要標(biāo)準(zhǔn)是接觸力，接觸力應(yīng)該大于一定的值，這是由電極材料及其裝配方法所決定的。
在本發(fā)明中，如果所需的加速度閾值是給定的，只要隨著檢測質(zhì)量和彈簧的尺寸來改變棒的質(zhì)量和長度就可以很容易地改變接觸力。另外，為了獲得預(yù)期的性能，還需要考慮到在加速度降低到閾值以下時的“吸附”力，這種力防止斷開電極表面之間的接觸。將棒與檢測質(zhì)量分開可以在尺寸確定上獲得一定的自由度，使接觸力的變化與檢測質(zhì)量的尺寸無關(guān)。采用具有不同長度和接觸間隙的兩個棒就可以制成在上、下方向上具有不同閾值的開關(guān)，并且在同一個開關(guān)外殼內(nèi)可以制成一個以上的開關(guān)，以便對兩個方向上不同的加速度和/或不同方向上的加速度具有敏感性。
這種棒具有可以彎曲的外端，在棒的接觸點(diǎn)和開關(guān)外殼內(nèi)的接觸區(qū)域之間形成彈性接觸。這樣就能使運(yùn)動衰減，從而避免彈簧加載的棒內(nèi)產(chǎn)生不應(yīng)有的振動(“接觸反彈”)。也可以通過在開關(guān)外殼內(nèi)填充減振介質(zhì)來衰減這種振動，優(yōu)選填充一種粘滯氣體，并且也可通過采用扁平形狀的檢測質(zhì)量，由這種形狀所提供的面積與其運(yùn)動方向是相互垂直的。這樣就能通過壓膜減振(squeeze film damping)用周圍的介質(zhì)來減緩扁平質(zhì)量體的運(yùn)動。
如果按照大的高寬比(高度與寬度的比例＞＞1)來設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)彈簧，就能夠減少交叉軸線的敏感性。
另外，在觸點(diǎn)打開和閉合時，棒的彈性會造成電極表面之間彼此相對地摩擦接觸運(yùn)動。這樣就能保證對表面的清潔作用，即使在觸點(diǎn)經(jīng)過許多次接觸操作之后閉合時仍可以具有穩(wěn)定的接觸電阻值，由此確保開關(guān)能可靠地動作。
彈性接觸元件具有過載保護(hù)的功能，它可以將檢測質(zhì)量的轉(zhuǎn)動角度限制在稍稍大于與外殼內(nèi)的相應(yīng)接觸區(qū)形成接觸時的角度。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以用加速度開關(guān)檢測出基本上處在基片或是框架平面方向上的加速度。這還意味著可以用單一的加速度開關(guān)來檢測基片平面內(nèi)沿著兩個正交軸方向的加速度。由于集中了這些功能，這種開關(guān)占有的面積很小，并且具有低廉的制作和使用成本。
以下要參照附圖來解釋本發(fā)明，在附圖中

圖1是本發(fā)明一個實(shí)施例的平面圖；圖2是圖1所示實(shí)施例的截面圖3表示當(dāng)本發(fā)明的電極元件接觸到開關(guān)外殼內(nèi)的一個接觸區(qū)時的具體狀況；圖4A-4C表示棒上的接觸點(diǎn)的不同構(gòu)造以及在開關(guān)外殼內(nèi)的相應(yīng)區(qū)域；以及圖5表示采用了本發(fā)明的一種雙軸加速度開關(guān)；圖6表示包括自測電極在內(nèi)的一種三維開關(guān)。
圖1表示本發(fā)明的一種開關(guān)的例子。開關(guān)包括一個開關(guān)外殼5，它通過一個扭轉(zhuǎn)彈簧元件3連接到電極元件4。電極元件4包括一個細(xì)棒1，在它的外端有一個電接觸點(diǎn)6。檢測質(zhì)量2的重心位置與電極元件4的轉(zhuǎn)動軸線相距一個距離(a)，該距離是由彈簧元件3來限定的，如圖2所示。
如果開關(guān)在與電極元件4的軸線平行的分量方向上出現(xiàn)加速度運(yùn)動，檢測質(zhì)量2和電極元件4就會繞著彈簧3的軸線轉(zhuǎn)動，而棒1就會在朝向或是遠(yuǎn)離外殼表面的方向上移動。當(dāng)加速度超過一定的極限時，接觸點(diǎn)6就會接觸到開關(guān)外殼5內(nèi)的一個對應(yīng)的接觸區(qū)7(參見圖2和3)，這樣就能提供一個電信號，用來指示超過了預(yù)定的極限。
在圖1所示的開關(guān)中，電極元件4還可以有選擇地提供一個較寬的部分，并且在電極元件4的另一端設(shè)置有另一個棒1a，在棒1a上也可以有一個接觸點(diǎn)6，可用來檢測沿著同一個敏感度軸線的兩個方向上的加速度。
在圖2和3中表示了從一個側(cè)面看到的開關(guān)的截面。在這些圖中表示了電極元件4和檢測質(zhì)量2繞著軸線轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，并且棒1上的接觸點(diǎn)6接觸到了開關(guān)外殼5之上部分內(nèi)部的接觸區(qū)7。
在這些圖中，外殼5的上部被位于外殼5的上部與電極元件4之間的距離元件抬高了。另外在外殼的上部是開有槽的，以便為棒1和檢測質(zhì)量2提供向上移動的空間。如果在開關(guān)的上部開槽當(dāng)然也可以獲得這種效果，或者是采用在外殼上部和開關(guān)上都開槽的組合方式。接觸點(diǎn)6在開關(guān)受到加速度時移動的距離應(yīng)該由棒1的長度來決定，這樣就能通過調(diào)節(jié)這一長度來調(diào)節(jié)開關(guān)的閾值。由于棒1的質(zhì)量比檢測質(zhì)量2的質(zhì)量要小，這種閾值是容易調(diào)節(jié)的。如果接觸區(qū)7已經(jīng)針對棒1的長度變化而被賦予了足夠大的范圍，接觸區(qū)7在外殼5上部之內(nèi)的位置將是在需要開關(guān)的不同閾值時唯一需要改變的。
圖2所示的開關(guān)是由三層構(gòu)成的。盡管在某些情況下可以采用其它材料，但中間層最好是采用硅。電極元件4和檢測質(zhì)量2是用同一片材料微型加工成的。上、下層最好是用玻璃制成，電接觸區(qū)7和相應(yīng)的導(dǎo)體優(yōu)選采用薄膜淀積，也可以配合采用鍍覆工藝。
硅層中還包括摻雜的導(dǎo)電材料。如果需要用棒1作為導(dǎo)電體，最好是采用后一種技術(shù)方案，這樣就能避免由于在棒1中使用了兩種材料而造成的溫度相關(guān)性。
在圖中所示的最佳實(shí)施例中，整個電極元件4和彈簧元件3都被制作在一個平面上，并且檢測質(zhì)量2比較厚。
這種結(jié)構(gòu)的微型機(jī)加工可以用多種方式來實(shí)現(xiàn)，而這種工藝并不是本發(fā)明的主題，其中方法的一個例子可以包括以下步驟a)通過用光刻法且在p-型硅內(nèi)部擴(kuò)散一種n-型摻雜元件來限定運(yùn)動部件和框架?；蛘呤莕-層可以是外延生長的。
b)從背面對預(yù)先通過擴(kuò)散和/或外延生長而形成的p-n結(jié)進(jìn)行濕法蝕刻，從而從背面形成一個凹槽或是溝槽，它限定了扭轉(zhuǎn)彈簧3和臂的厚度。
c)從前面采用有選擇的光刻掩模的離子蝕刻法來去掉運(yùn)動部件。
然后可以將接觸點(diǎn)6限定在一個棒或是棒1、1a的端部附近，并且可以在硅的內(nèi)部摻雜任何必要的導(dǎo)電路徑或是電路。接觸點(diǎn)6和區(qū)域7可以用黃金或是具有良好的導(dǎo)電和接觸特性的其他材料制成。
在圖1和2中，檢測質(zhì)量2的形狀是一個比較大的厚盤形。它除了便于加工生產(chǎn)之外還具有另外的優(yōu)點(diǎn)。如果在電極元件4周圍的空間內(nèi)充滿氣體或是一種液體，檢測質(zhì)量2的運(yùn)動就會受到阻力，因?yàn)樗仨毰艛D周圍的介質(zhì)。這樣就能衰減電極元件4的振蕩。由外殼5構(gòu)成的空腔可以采用氣密密封，或是簡單地與周圍環(huán)境形成空氣連通，使得空腔內(nèi)的氣體是空氣。也可以采用不同的折衷方案，例如是采用所謂的“壓膜”減振方法，其中通過小縫隙將氣體壓出。
圖3表示棒1和開關(guān)外殼5的上部在棒1的接觸點(diǎn)6和外殼的接觸區(qū)7彼此接觸時的細(xì)節(jié)。在圖中還可以看出，當(dāng)棒1由于檢測質(zhì)量2的運(yùn)動而被壓向接觸區(qū)7時，棒1產(chǎn)生彎曲。這種彎曲會造成接觸區(qū)7的摩擦接觸運(yùn)動。棒1的彈性還可以衰減振動并且防止電極元件4產(chǎn)生“回跳”。
在圖4A-4C中表示了在開關(guān)外殼5和棒1之間的不同類型的觸點(diǎn)6，7。圖4A表示最簡單的情況，一個電極觸點(diǎn)被設(shè)置在棒1的接觸點(diǎn)6和外殼5內(nèi)的相應(yīng)接觸區(qū)7之間。圖4B所示的實(shí)施例是用接觸點(diǎn)6在位于外殼5內(nèi)部的兩個接觸區(qū)7之間形成連接。圖4C表示一種類似的技術(shù)方案，它包括兩個接觸點(diǎn)6，各自與外殼7內(nèi)部的一個接觸區(qū)7形成連接。
最佳的方案取決于具體需要的功能。圖4A的方案需要在棒1上設(shè)置導(dǎo)電體，如上所述，這可以通過摻雜構(gòu)成棒1的材料而實(shí)現(xiàn)。然而，與金屬材料相比，摻雜的硅其導(dǎo)電性比較差。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)體之間的接觸面比較小。
圖4B和4C表示一個分路的方案，利用接觸點(diǎn)6在都是位于開關(guān)外殼5內(nèi)部的兩個導(dǎo)電體之間形成電連接。在圖4B中，接觸點(diǎn)6的表面比較大，因此，形成可靠連接時所需要的力也就比較大。在圖4C中解決了這一問題，它表示了兩個組合的接觸點(diǎn)6，其表面僅為一個接觸點(diǎn)6表面的兩倍，但是，在這種情況下，棒1是一個導(dǎo)體。當(dāng)然也可以采取介于這兩種實(shí)施例之間的技術(shù)方案，通過摻雜或是采用薄的金屬導(dǎo)體在各接觸點(diǎn)6之間形成導(dǎo)體。
圖5表示裝在單個芯片上的一種雙軸加速度開關(guān)。第二開關(guān)的軸線基本上垂直于第一開關(guān)的軸線。用這種結(jié)構(gòu)可以檢測兩個正交方向上的加速度。
圖6表示一種三維加速度開關(guān)。
在一個變更的實(shí)施例中，可以在圖中沒有表示的接觸區(qū)8和檢測質(zhì)量上的相應(yīng)電極之間施加一個電壓，或者是在接觸點(diǎn)6和接觸區(qū)7之間施加電壓，這樣就能在沒有外部施加的加速度運(yùn)動時利用靜電力形成接觸。如果開關(guān)受到超過給定極限的加速度，觸點(diǎn)之間的連接就會斷開。這一限度是由施加的電壓來設(shè)定的。這樣就能用電子技術(shù)來選擇開關(guān)的閾值，并且可以在系統(tǒng)所極限的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
按照這種方式施加靜電力還可以用來測試開關(guān)。在圖2和6中表示了用來施加電壓的電極8。
權(quán)利要求
1.一種微型機(jī)械式加速度開關(guān)，包括包括至少一個棒的電極元件；一個檢測質(zhì)量；一個外殼；以及將電極元件和檢測質(zhì)量連接到外殼上的一個彈簧元件，其中電極元件機(jī)械地鄰接到檢測質(zhì)量，彈簧元件將電極元件和檢測質(zhì)量連接到外殼上，使它們在使用中能夠繞著一個軸線轉(zhuǎn)動，其特征是上述的至少一個棒是可以彎曲的，在棒上的接觸點(diǎn)和外殼內(nèi)的接觸區(qū)之間形成彈性接觸；上述的至少一個棒的質(zhì)量比檢測質(zhì)量小得多，并且具有至少一個電接觸點(diǎn)，在使用中，當(dāng)電極元件處在預(yù)定的轉(zhuǎn)角時，該電接觸點(diǎn)與開關(guān)外殼內(nèi)的相應(yīng)接觸區(qū)形成配合的電接觸；并且檢測質(zhì)量的重心與貫穿彈簧元件的軸線相距一個給定的距離。
2.按照權(quán)利要求1的開關(guān)，其特征在于它是用硅制成的。
3.按照權(quán)利要求2的開關(guān)，其特征在于它是用單晶硅制成的。
4.按照權(quán)利要求2的開關(guān)，其特征在于它是用多晶硅或是用多晶硅層和單晶硅的組合制成的。
5.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的加速度開關(guān)，其特征在于至少有一個棒是彈性的。
6.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的加速度開關(guān)，其特征在于上述電極元件包括兩個棒，這兩個棒被機(jī)械地鄰接到一個檢測質(zhì)量，而這個檢測質(zhì)量又鄰接到上述檢測質(zhì)量。
7.按照權(quán)利要求6的加速度開關(guān)，其特征是在兩個棒的最外端包括至少一個電接觸點(diǎn)，它與上述外殼內(nèi)的相應(yīng)接觸區(qū)形成配合的電接觸。
8.按照權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)的加速度開關(guān)，其特征是在每個棒上設(shè)有一或多個接觸點(diǎn)，以便在兩個接觸區(qū)之間形成電連接，這兩個接觸區(qū)在電極元件轉(zhuǎn)動到給定的角度時在上述外殼中具有一個對應(yīng)的位置。
9.按照權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)的加速度開關(guān)，其特征是在每個棒的最外端具有一個與上述外殼內(nèi)的相應(yīng)接觸點(diǎn)相配合的接觸點(diǎn)，并且這種棒是一個導(dǎo)電體。
10.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的加速度開關(guān)，其特征在于彈簧元件是一個扭轉(zhuǎn)彈簧，其成形為沿著軸線延伸的一個桿。
11.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的加速度開關(guān)，其特征在于進(jìn)一步還包括在使用中在電極元件的接觸點(diǎn)和外殼上的一個接觸區(qū)之間提供電壓的裝置，由上述電壓選擇性地在檢測質(zhì)量上的電極和接觸區(qū)之間提供一個力，通過調(diào)節(jié)上述電壓來有選擇地獲得或是防止上述電極元件與第二接觸點(diǎn)之間的接觸。
12.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的加速度開關(guān)，其特征在于進(jìn)一步還包括在檢測質(zhì)量上的電極和接觸區(qū)之間提供電壓的裝置，選擇性地在電極元件上的接觸點(diǎn)和外殼上的接觸區(qū)之間對開關(guān)進(jìn)行自測，在缺少從外部施加的加速度運(yùn)動的情況下在靜電力的作用下使各觸點(diǎn)接觸到一起。
13.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的加速度開關(guān)，其特征在于外殼包括至少兩層，在第一層上裝有彈簧元件、電極元件和檢測質(zhì)量，第二層由玻璃或是等效材料構(gòu)成并包括電接觸區(qū)。
14.按照權(quán)利要求13的加速度開關(guān)，其特征在于外殼的上述第一層、電極元件、彈簧元件和檢測質(zhì)量是用一片材料制成的。
15.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的加速度開關(guān)，其特征在于在開關(guān)外殼內(nèi)填充減振介質(zhì)，并且檢測質(zhì)量具有扁平的形狀以形成壓膜減振。
16.按照權(quán)利要求15的加速度開關(guān)，其特征在于減振介質(zhì)是一種粘滯的氣體。
17.一種雙軸的單體加速度開關(guān)，包括兩個如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的開關(guān)，其特征是第二開關(guān)的軸線基本上垂直于第一開關(guān)的軸線。
全文摘要
一種微型機(jī)械式加速度開關(guān),包括彈性的電極元件、檢測質(zhì)量、外殼、及將電極元件和檢測質(zhì)量連接于外殼的彈簧元件。電極元件機(jī)械地鄰接到檢測質(zhì)量。檢測質(zhì)量的重心與彈簧元件的軸線相距一給定距離,當(dāng)檢測質(zhì)量在外部施加的加速度作用下繞該軸線轉(zhuǎn)動時,一個分量處在與第一軸線平行的方向。電極元件也繞此軸線轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)角基本與加速度這一分量的幅值成正比。當(dāng)電極元件處在給定的轉(zhuǎn)角時,電極元件的接觸點(diǎn)與外殼內(nèi)的相應(yīng)接觸區(qū)接觸。
文檔編號H01H1/12GK1253370SQ9912360
公開日2000年5月17日 申請日期1999年10月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月29日
發(fā)明者T·克維斯特羅伊, H·雅科布森, G·基蒂爾斯蘭德, A·諾德 申請人:森桑諾爾有限公司