一種緊約束型水平敏感的微機(jī)械慣性開關(guān)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的器件，具體的是一種緊約束型水平敏感的微機(jī)械慣性開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]基于微細(xì)加工技術(shù)制備的MEMS慣性開關(guān)體積小、閾值一致性高，制造成本低，已取代傳統(tǒng)機(jī)械慣性開關(guān)成為微系統(tǒng)植入傳感器的主流。傳統(tǒng)的MEMS慣性微開關(guān)，當(dāng)受到超過閾值加速度的沖擊時，移動電極與固定電極剛性接觸，開關(guān)接通時間極短，外電路很難感知開關(guān)的瞬間變化，故而受到大規(guī)模的限制；而且，傳統(tǒng)MEMS慣性微開關(guān)，其約束結(jié)構(gòu)過于簡單，當(dāng)遭受非敏感方向的沖擊時，不能有效約束其移動電極的大范圍運(yùn)動，易導(dǎo)致器件中彈簧應(yīng)力過于集中，發(fā)生斷裂，致使器件失效。
[0003]韓國延世大學(xué)J.-1.Lee 等于 2011 年在《Carbon nanotubes-1ntegratedinertial switch for reliable detect1n of threshold accelerat1n〉〉提出了——種會^夠延長接觸時間的慣性開關(guān)設(shè)計方法，通過在電極之間織布碳納米管改變可動電極與固定電極的表面特性，當(dāng)電極碰撞時，電極之間的碳納米管除了有一定的彈性以外，接觸后的碳納米管之間還有摩擦吸附作用。通過對所制備樣品的測試，表明碳納米管表面改性能夠具有延長接觸時間的作用，在可動電極與固定電極碰撞的瞬間，碳納米管與碳納米管之間的相互擠壓能夠改變電極的剛性接觸為柔性接觸，碳納米管的彈性形變和接觸摩擦過程延長了可動電極與固定電極的接觸時間。測試結(jié)果表明，相比于沒有使用碳納米管的慣性開關(guān)，碳納米管的作用使慣性開關(guān)的接觸時間從7.5微秒延長至114微秒。雖然這類制備方法能夠延長慣性開關(guān)的接觸時間，但是在制備慣性開關(guān)的同時，增加了碳納米管的織布工藝，無疑增加了整體工藝難度。
[0004]韓國Usung Park 等于 2OlO 年在《Development and characterizat1n of anovel configurable MEMS inertial switch using a microscale liquid—metal dropletin amicro-structured channel))中制備一種利用液態(tài)金屬作為敏感結(jié)構(gòu)感知加速度的慣性開關(guān)。首先設(shè)計一個V形凹槽放置可流動液體金屬，在V字形的尖端設(shè)計一個微流體通道和兩個電極。在加速度作用之下，液體金屬在微流體通道中運(yùn)動，當(dāng)加速度超過設(shè)定閾值時，液體金屬穿過微通道到達(dá)固定電極槽，實(shí)現(xiàn)電極之間的相互導(dǎo)通。采用這種方法實(shí)現(xiàn)閉合的慣性開關(guān)可靠性高，接觸時間長。但是，液態(tài)金屬汞是一種劇毒性金屬，使得開關(guān)的制作過程具有一定的危險性，峰值難度大。并且，開關(guān)失效后的回收難度更大，廢棄的慣性開關(guān)一旦回收遺漏，將對環(huán)境造成很大的影響。
[0005]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于發(fā)明一種接觸時間長、抗干擾能力和過載能力強(qiáng)的MEMS慣性開關(guān)，并希望其工藝過程比較簡單和便捷，讓人們更加方便制造這種應(yīng)用廣泛的水平敏感微機(jī)械慣性開關(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種緊約束型水平敏感的微機(jī)械慣性開關(guān)，使慣性開關(guān)能夠感知水平敏感方向的沖擊，當(dāng)感應(yīng)的加速度超過其閾值時，慣性開關(guān)移動電極與固定電極接觸，而且，雙階梯形移動電極能夠發(fā)生較大變形，從而有效地延長接觸時間，使外部電路有效觸發(fā)；本發(fā)明提供一種緊約束限位結(jié)構(gòu)，在水平非敏感方向和豎直方向均能有效控制質(zhì)量塊的位移，避免器件大范圍變形，提升了慣性開關(guān)穩(wěn)定性能。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明提供一種緊約束型水平敏感的微機(jī)械慣性開關(guān)，包括:質(zhì)量塊、限位套筒、U形彈簧、彈簧固定支座、固定電極、雙階梯形移動柔性電極、反向限位阻擋塊和絕緣襯底，其中:所述的質(zhì)量塊與四組所述U形彈簧相連，并被所述彈簧固定支座懸空在所述絕緣襯底的上方、所述限位套筒的下方，且所述質(zhì)量塊與限位套筒之間有間隙；所述限位套筒固定于所述絕緣襯底上；所述雙階梯形移動柔性電極與所述質(zhì)量塊相連，位于所述絕緣襯底的上方，兩者之間存在間隙；四個所述彈簧固定支座、所述固定電極、所述反向限位阻擋塊均固定在所述絕緣襯底上，并位于所述質(zhì)量塊的四周；
[0009]當(dāng)外界的加速度沿敏感方向作用于所述微機(jī)械慣性開關(guān)時，所述質(zhì)量塊將帶動所述雙階梯性柔性電極運(yùn)動，并接觸到所述固定電極，從而實(shí)現(xiàn)對外電路的接通；當(dāng)外界的加速度沿任意非敏感方向作用于所述微機(jī)械慣性開關(guān)時，所述質(zhì)量塊將沿其所對應(yīng)的非敏感運(yùn)動，然后與所述限位套筒或所述反向限位阻擋塊發(fā)生碰撞，所述限位套筒或所述反向限位阻擋塊約束了所述質(zhì)量塊的隨意運(yùn)動，避免所述U型彈簧大變形和應(yīng)力集中，保證了器件整體的穩(wěn)定性。
[0010]優(yōu)選地，所述的質(zhì)量塊為通過多次疊層電鍍金屬鎳或銅形成的方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊的邊長為1000?2000微米、高50?500微米。
[0011]更優(yōu)選地，在所述的質(zhì)量塊上挖出一系列的方形孔以便于最后的釋放，即去除犧牲層和種子層，方形孔的邊長為50?500微米，個數(shù)為2?6個。
[0012]更優(yōu)選地，在所述的質(zhì)量塊四個角處配合相應(yīng)的斜截接觸面，斜截接觸面的角度為30?60度，使之更方便地與U形彈簧相連。
[0013]優(yōu)選地，所述的雙階梯形移動柔性電極為通過電鍍金屬鎳或銅形成的一層或多層懸臂結(jié)構(gòu)，雙階梯形移動柔性電極的總長度為300?1000微米、寬度為50?200微米、厚度50?500微米；所述雙階梯形移動柔性電極采用階躍式懸空結(jié)構(gòu)，可以有效降低其結(jié)構(gòu)剛度，很好地提高雙階梯形移動柔性電極與固定電極間的接觸效果。
[0014]優(yōu)選地，所述的固定電極為通過電鍍金屬鎳或銅形成的長方體結(jié)構(gòu)，固定電極的長度為800?1600微米、寬度為200?800微米、厚度為50?500微米。
[0015]優(yōu)選地，所述的U形彈簧為通過電鍍金屬鎳或銅形成的多匝結(jié)構(gòu)，U形彈簧的線寬為5?50微米、厚度為4?50微米，U形彈簧的拐角處半圓內(nèi)徑為50?200微米。
[0016]優(yōu)選地，所述的限位套筒為通過電鍍金屬鎳或銅形成的一層或多層結(jié)構(gòu)，包括帶有一系列孔洞的懸空梁以及左右支撐柱，其中:
[0017]所述懸空梁為長方體結(jié)構(gòu)，懸空梁的長為1300?2600微米、寬度為500?1000微米、高度為20?50微米；
[0018]所述左右支撐柱為一系列的方形柱組成，方形柱的高度為80?200微米；
[0019]懸空梁的下表面與左右支撐柱的上表面相連。
[0020]更優(yōu)選地，在所述的懸空梁上設(shè)置有一系列的方形陣列孔以便于最后的釋放，孔的長度為30?80微米、個數(shù)為20?40個。
[0021]優(yōu)選地，所述的反向限位阻擋塊為通過電鍍金屬鎳或銅形成的柱狀結(jié)構(gòu)，反向限位阻擋塊的長度為80?200微米、寬度為40?120微米，當(dāng)在與敏感相反的方向施加一定的加速度時，能夠避免產(chǎn)生誤觸發(fā)，降低了非敏感方向的敏感性。
[0022]更優(yōu)選地，在所述的反向限位阻擋塊接近質(zhì)量塊的一端設(shè)有傾斜面，以降低反向阻擋塊的剛度，傾斜面的傾斜角度為30?60度。
[0023]優(yōu)選地，所述的絕緣襯底為石英或玻璃襯底，絕緣襯底的厚度為0.1?2毫米。
[0024]優(yōu)選地，所述的彈簧固定支座為通過電鍍鎳或銅金屬形成的方形結(jié)構(gòu)，彈簧固定支座的長度為80?200微米、寬度為40?120微米、厚度為50?300微米。
[0025]以上各尺寸的選取，能在制備過程中，工藝簡單，既保證了器件的微型化，又不失其穩(wěn)定性和敏感性，增強(qiáng)了微機(jī)械慣性開關(guān)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果如下:
[0027]本發(fā)明針對以往微機(jī)械慣性電學(xué)開關(guān)移動電極與固定電極之間剛性碰撞，接觸時間短暫，以及質(zhì)量塊在非敏感方向運(yùn)動范圍較大等問題，提出了一種帶有雙階梯性柔性移動電極和緊密約束限位套筒的慣性開關(guān)新結(jié)構(gòu)，移動柔性電極與固定電極發(fā)生彈性變形，大大延長了接觸時間，提升了接觸性能，緊密約束限位套筒能夠有效抑制質(zhì)量塊在非敏感方向的大范圍變形，提升了器件的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0029]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的質(zhì)量塊、雙階梯形移動柔性電極以及U形彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的限位套筒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖4是本發(fā)明一實(shí)施例的雙階梯形移動柔性電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖5是本發(fā)明一實(shí)施例的絕緣襯底、彈簧固定支座、固定電極以及反向限位阻擋塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖6是本發(fā)明一實(shí)施例的U形彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖中:質(zhì)量塊1、限位套筒2、U形彈簧3、彈簧固定支座4、固定電極5、雙階梯形移動柔性電極6、反向限位阻擋塊7、絕緣襯底8。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0037]本發(fā)明以微機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，采用室溫下在石英或玻璃等絕緣襯底上多次互不干擾疊層電鍍整個開關(guān)結(jié)構(gòu)的方法制作。本發(fā)明在外界加速度作用下，依靠慣性力驅(qū)動U形彈簧懸空的質(zhì)量塊，帶動雙階梯性移動柔性電極運(yùn)動，從而接觸到與其有一定間距的固定電極；加速度大于一定閾值時，雙階梯性移動柔性電極發(fā)生彈性變形，延長了與固定電極的接觸時間，隨后又在U型彈簧和雙階梯性移動柔性電極