專利名稱：雙穩(wěn)態(tài)感應(yīng)微開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電子元器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及感應(yīng)微開關(guān)，可用于汽車的安全 氣囊及防抱死系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
感應(yīng)微開關(guān)，是由微電子機械系統(tǒng)(簡稱MEMS)技術(shù)加工而成，可以感知加速度， 并受控于加速度門限值，經(jīng)多力耦合作用，執(zhí)行開關(guān)動作。它將傳感、控制與執(zhí)行融為一體， 具有體積小、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等特點，因此在航空航天系統(tǒng)、汽車安全氣囊及防抱死系 統(tǒng)、家用電器等觸發(fā)領(lǐng)域中，具有強烈需求。2004年維也納技術(shù)大學(xué)研制了 一種雙質(zhì)量塊_彈簧式感應(yīng)微開關(guān)[Alexander R. Neuhaus,Werner F. Rieder,and Martin Hammerschmidt,Influence of Electrical and Mechanical Parameters on Contact Welding inLow Power Switches,IEEE transactions on components and packagingtechnology, 27(1)，2004，4-11]，圖1所示。其中右邊質(zhì)量 塊為固定質(zhì)量塊17，通過過載彈簧14與右基座18連接。左邊質(zhì)量塊為感應(yīng)質(zhì)量塊16，通 過連接彈簧11同左基座15相連。圖示為“開”狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)水平方向的外界感應(yīng)加速度 時，感應(yīng)質(zhì)量塊16在感應(yīng)加速度的作用下，水平移動。當(dāng)外界感應(yīng)加速度較大時，感應(yīng)質(zhì)量 塊16克服彈性力約束，撞擊到右邊的固定質(zhì)量塊17，實現(xiàn)“關(guān)”狀態(tài)。該微開關(guān)存在以下問題1)沒有閥值加速度限制。在“開”狀態(tài)，當(dāng)有外界擾動加速度時，感應(yīng)質(zhì)量塊克服 彈性力就會發(fā)生移動，即使沒有達(dá)到設(shè)計要求的閥值感應(yīng)加速度，感應(yīng)質(zhì)量塊也會移動，由 此造成微開關(guān)容易發(fā)生“誤關(guān)”，導(dǎo)致事故發(fā)生。2)無法實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)“關(guān)”狀態(tài)。當(dāng)感應(yīng)質(zhì)量塊撞擊到固定質(zhì)量塊實現(xiàn)“關(guān)”功能后， 根據(jù)彈性碰撞原理，感應(yīng)質(zhì)量塊會反彈回來，無法實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的“關(guān)”狀態(tài)，只能完成“瞬態(tài)閉 合”功能。即便外界感應(yīng)加速度足夠大，使感應(yīng)質(zhì)量塊再次撞擊固定質(zhì)量塊實現(xiàn)“關(guān)”功能， 但當(dāng)存在外界微擾動時，感應(yīng)質(zhì)量塊也會和固定質(zhì)量塊脫離開，無法實現(xiàn)“穩(wěn)態(tài)關(guān)”功能，從 而導(dǎo)致事故發(fā)生。2008年上海交通大學(xué)研制的慣性微開關(guān)[楊卓青，丁桂甫，蔡豪剛，劉瑞，趙小林， 微機電系統(tǒng)慣性電學(xué)開關(guān)的設(shè)計與制作，中國機械工程，19(9)，2008，1132-1136]，如圖2 所示。該慣性微開關(guān)器件基于玻璃基座26上，主要由蛇形彈簧25、質(zhì)量塊可動電極24和彈 性梁固定電極23三部分組成。彈性梁固定電極23與質(zhì)量塊可動電極24有一定的距離，保 持電路在通常狀態(tài)下為“斷開”狀態(tài)。當(dāng)器件在其敏感方向受到外界足夠大的加速度作用 時，質(zhì)量塊可動電極24快速撞向彈性梁固定電極23，隨后又被彈簧迅速拉回，從而實現(xiàn)對 外接電路的瞬間通斷功能。該感應(yīng)微開關(guān)存在與圖1所示微開關(guān)同樣的問題。1) “誤關(guān)”問題。當(dāng)質(zhì)量塊可動電極24受到敏感方向的加速度時，雖然沒有達(dá)到 預(yù)先設(shè)計的閥值加速度值，但質(zhì)量塊可動電極24也會向上沖擊，只是存在或不存在撞到彈
3性梁固定電極23的可能性。這樣就導(dǎo)致微開關(guān)可能產(chǎn)生“誤關(guān)”問題。2) “瞬態(tài)閉合”問題。當(dāng)外界加速度“足夠大”時，質(zhì)量塊可動電極24撞擊彈性梁 固定電極23，實現(xiàn)“關(guān)”功能。然而質(zhì)量塊可動電極24又被彈簧迅速拉回來，導(dǎo)致還未實現(xiàn) 穩(wěn)定閉合又立刻斷開的問題，即“瞬態(tài)閉合”問題。由于彈性梁固定電極23和質(zhì)量塊可動 電極24的接觸點處存在接觸電阻，即薄膜電阻和收縮電阻，這種“瞬態(tài)閉合”過程很難保證 外界電路的穩(wěn)定閉合要求。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種基于粘附的雙穩(wěn)態(tài)加 速度感應(yīng)微開關(guān)，以利用MEMS部件的粘附效應(yīng)，防止“誤關(guān)”發(fā)生，避免出現(xiàn)“瞬態(tài)閉合”問題。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的雙穩(wěn)態(tài)加速度感應(yīng)微開關(guān)包括包括感應(yīng)質(zhì)量塊 (34)、支撐梁(35)和框架(32)，其中框架(32)的上下端分別固定有上頂蓋(31)和下底蓋(33)，形成密閉腔體結(jié)構(gòu)；質(zhì)量塊(34)設(shè)置在支撐梁(35)的中間，該支撐梁的兩端固定在框架(32)上；質(zhì)量塊(34)的上部與上頂蓋(31)之間的距離小于或等于Iym;質(zhì)量塊(34)的下部沉積有金膜，形成動極板(36)，下底蓋(33)的內(nèi)側(cè)沉積有金 膜，形成定極板(38)。所述的動極板上設(shè)有兩個觸點，該觸點采用半球結(jié)構(gòu)。所述的支撐梁采用兩端固結(jié)直梁結(jié)構(gòu)。通常情況下，感應(yīng)微開關(guān)處于“開”的狀態(tài)，質(zhì)量塊與上頂蓋緊貼。感應(yīng)微開關(guān)在 外界激勵加速度作用下控制其關(guān)閉。觸發(fā)時，質(zhì)量塊撞擊下底蓋，并與下底蓋緊貼。本實用新型由于在框架的上下方固定有上頂蓋和下底蓋，因而可以隔離外界對質(zhì) 量塊和支撐梁的干擾；同時由于本實用新型設(shè)定質(zhì)量塊與上頂蓋之間的距離h < 1 μ m，能 夠保證在“開”狀態(tài)，質(zhì)量塊與上頂蓋粘附緊貼，避免外界擾動，防止產(chǎn)生“誤關(guān)”問題；此外 由于本實用新型采用在質(zhì)量塊下部設(shè)有兩個半球形狀觸點，故可有效保證微開關(guān)在“關(guān)”狀 態(tài)利用粘附效應(yīng)提高微開關(guān)電接觸導(dǎo)通可靠性，克服“瞬態(tài)閉合”問題，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)“關(guān)”功能。
圖1為現(xiàn)有雙質(zhì)量塊彈簧感應(yīng)開關(guān)結(jié)構(gòu)圖；圖2為現(xiàn)有蛇簧感應(yīng)開關(guān)結(jié)構(gòu)圖；圖3為本實用新型的雙穩(wěn)態(tài)加速度感應(yīng)開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實用新型的雙穩(wěn)態(tài)加速度感應(yīng)開關(guān)的“開”狀態(tài)示意圖；圖5為本實用新型的雙穩(wěn)態(tài)加速度感應(yīng)開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)示意圖。
具體實施方式
參照圖3，本實用新型感應(yīng)微開關(guān)主要由感應(yīng)質(zhì)量塊34、支撐梁35和框架32組 成，該應(yīng)質(zhì)量塊34和支撐梁35光刻為一體結(jié)構(gòu)，其中質(zhì)量塊34設(shè)置在支撐梁35的中部， 支撐梁采用兩端固結(jié)直梁結(jié)構(gòu)，固定在框架上32上。該框架32的上、下面分別固定有上頂蓋31和下底蓋33，形成密閉腔體結(jié)構(gòu)，以隔離外界對質(zhì)量塊和支撐梁的干擾。固定支撐梁 時，調(diào)節(jié)質(zhì)量塊34與上頂蓋31之間的距離h < 1 μ m，以保證微開關(guān)在“開”狀態(tài)的穩(wěn)定。 質(zhì)量塊34的下部沉積有金膜形成動極板36，該動極板上設(shè)有兩個半球形狀結(jié)構(gòu)的觸點37， 以保證微開關(guān)在“關(guān)”狀態(tài)利用粘附效應(yīng)提高微開關(guān)電接觸導(dǎo)通可靠性。該下底蓋33內(nèi)側(cè) 沉積有金膜形成定極板38，以產(chǎn)生電場力。動極板36和定極板38之間的間隙為ΙΟμπι，該 兩者之間連接26V的直流電壓，同時定極板38與動極板36分別通過焊接與外界電路相連。 通常情況下，感應(yīng)微開關(guān)處于“開”的狀態(tài)，質(zhì)量塊與上頂蓋緊貼。如圖4所示。當(dāng) 外界存在向下擾動加速度時，由于質(zhì)量塊34和上頂蓋31之間存在粘附作用，質(zhì)量塊34仍 然緊緊貼在上頂蓋31內(nèi)側(cè)不動，不會發(fā)生“誤關(guān)”問題。工作時，感應(yīng)微開關(guān)在外界激勵閥 值加速度作用下，由于支撐梁34的彈性恢復(fù)力、動極板36和定極板38之間的電場力以及 質(zhì)量塊34所受慣性力的合力大于質(zhì)量塊34與上頂蓋31之間的粘附力，故質(zhì)量塊開始向下 移動。這時，質(zhì)量塊34與上頂蓋31內(nèi)側(cè)間的粘附力呈指數(shù)形式迅速減小，定極板38與動 極板36之間電場力急劇增大。綜合粘附力和電場力的變化，隨著質(zhì)量塊34的下移，質(zhì)量塊 受到向下的作用力增大，向上的作用力減小，質(zhì)量塊下移速度急劇加快，導(dǎo)致質(zhì)量塊“雪崩” 撞擊到下底蓋33上，如圖5所示。由于質(zhì)量塊34 “雪崩”撞擊下底蓋33，觸點37和動極板 36表面的部分氧化膜被撞掉，減少了薄膜電阻，且利于觸點37與定極板38接觸導(dǎo)通。由于 動極板36與定極板38之間在小于1 μ m的間隙下，之間產(chǎn)生粘附效應(yīng)，導(dǎo)致觸點37緊貼在 定極板38上。當(dāng)外界存在擾動時，由于動極板36和定極板38之間存在的粘附效應(yīng)，導(dǎo)致 質(zhì)量塊34仍然緊緊貼在下底蓋33內(nèi)側(cè)，外接電路保持長時間導(dǎo)通，實現(xiàn)“穩(wěn)態(tài)閉合”。
權(quán)利要求一種雙穩(wěn)態(tài)感應(yīng)微開關(guān)，包括感應(yīng)質(zhì)量塊(34)、支撐梁(35)和框架(32)，其特征在于框架(32)的上下端分別固定有上頂蓋(31)和下底蓋(33)，形成密閉腔體結(jié)構(gòu)；質(zhì)量塊(34)設(shè)置在支撐梁(35)的中間，該支撐梁的兩端固定在框架(32)上；質(zhì)量塊(34)的上部與上頂蓋(31)之間的距離小于或等于1μm；質(zhì)量塊(34)的下部沉積有金膜，形成動極板(36)，下底蓋(33)的內(nèi)側(cè)沉積有金膜，形成定極板(38)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)態(tài)加速度感應(yīng)微開關(guān)，其特征在于動極板(36)上設(shè)有兩 個觸點(37)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)態(tài)感應(yīng)微開關(guān)，其特征在于支撐梁(35)采用兩端固結(jié)直 梁結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙穩(wěn)態(tài)感應(yīng)微開關(guān)，其特征在于觸點(37)采用半球形狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)態(tài)加速度感應(yīng)微開關(guān)，其特征在于“開”狀態(tài)時，質(zhì)量塊 (34)與上頂蓋(31)緊貼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)態(tài)感應(yīng)微開關(guān)，其特征在于“關(guān)”狀態(tài)時，質(zhì)量塊(34)與 下底蓋(33)緊貼。
專利摘要本實用新型公開了一種雙穩(wěn)態(tài)感應(yīng)微開關(guān)，它屬于微電子元器件技術(shù)領(lǐng)域，它包括感應(yīng)質(zhì)量塊(34)、支撐梁(35)和框架(32)，支撐梁的兩端固定在框架上，框架的上下面分別固定有上頂蓋(31)和下底蓋(33)，質(zhì)量塊與上頂蓋之間的距離h≤1μm，質(zhì)量塊(34)的下部沉積有金膜形成動極板(36)，下底蓋內(nèi)側(cè)沉積有金膜形成定極板(38)，動極板上設(shè)有兩個半球形狀結(jié)構(gòu)觸點(37)?！伴_”狀態(tài)時，質(zhì)量塊(34)與上頂蓋(31)緊貼，“關(guān)”狀態(tài)時，質(zhì)量塊(34)與下底蓋(33)緊貼。本實用新型具有抗干擾性強，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通的優(yōu)點，可用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)及家用電器觸發(fā)領(lǐng)域。
文檔編號H01H59/00GK201708084SQ20092003211
公開日2011年1月12日 申請日期2009年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月5日
發(fā)明者楊銀堂, 田文超 申請人:西安電子科技大學(xué)