專利名稱：一種mems加速度開(kāi)關(guān)的制作方法
一種MEMS加速度開(kāi)關(guān)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于MEMS的加速度開(kāi)關(guān)。
技術(shù)背景
加速度開(kāi)關(guān)通過(guò)“質(zhì)量塊一彈簧”系統(tǒng)，感應(yīng)外界沖擊加速度的變化，并在加速度超過(guò)閾值的情況下執(zhí)行開(kāi)關(guān)閉合動(dòng)作。隨著MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 技術(shù)的發(fā)展，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的微型加速度開(kāi)關(guān)由于體積小、質(zhì)量輕、功耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，可用于汽車安全保護(hù)裝置、貨物運(yùn)輸系統(tǒng)、可靠性跌落試驗(yàn)和飛行器等，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)有的MEMS加速度開(kāi)關(guān)主要針對(duì)于垂直水平面方向上信號(hào)的檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)水平面任意方向及垂直水平面等兩個(gè)以上方向上信號(hào)的檢測(cè)。此外現(xiàn)有的 MEMS加速度開(kāi)關(guān)抗沖擊性能也有待進(jìn)一步提高。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有的MEMS加速度開(kāi)關(guān)不能用于多個(gè)方向上信號(hào)檢測(cè)的缺點(diǎn)，提供一種可實(shí)現(xiàn)水平面任意方向及垂直水平面方向等多個(gè)方向上信號(hào)檢測(cè)的MEMS 加速度開(kāi)關(guān)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種MEMS加速度開(kāi)關(guān)，包括襯底，襯底上通過(guò)MEMS工藝連接一層硅框架；硅框架中心設(shè)有圓孔，圓孔中心設(shè)有硅材料制作的碰撞柱并固定在襯底上；一組懸空的懸臂梁均布在硅框架內(nèi)圓孔中，每個(gè)懸臂梁的另一端與懸空的環(huán)形質(zhì)量塊連接；環(huán)形質(zhì)量塊與碰撞柱同心并具有3微米 20微米的間隙，環(huán)形質(zhì)量塊下方的襯底上設(shè)有金屬環(huán)形接觸電極；在硅框架及碰撞柱上設(shè)有引出電極；在硅框架上面設(shè)置一個(gè)硅蓋帽，硅蓋帽上有引出電極孔； 硅蓋帽與硅框架通過(guò)鍵合形成一空腔，懸臂梁及環(huán)形質(zhì)量塊可在空腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并形成一個(gè)封閉體系。
所述的環(huán)形質(zhì)量塊懸空在襯底上，并通過(guò)一組懸臂梁均勻地連接在硅框架內(nèi)圓孔中；所述的環(huán)形接觸電極位于環(huán)形質(zhì)量塊下方的襯底上； 所述的碰撞柱和硅框架通過(guò)鍵合工藝固定在襯底上； 所述的引出電極固定在硅框架及碰撞柱上； 所述的硅蓋帽上設(shè)有引出電極引出孔； 所述的懸臂梁可以為弧形梁或曲折梁，數(shù)量上不少于四根；所述的金屬環(huán)形接觸電極和碰撞柱可以單獨(dú)作為一個(gè)碰撞電極，也可以連接在一起組成一個(gè)碰撞電極。
本發(fā)明中的的襯底采用玻璃片或硅片；所述的環(huán)形接觸電極和引出電極采用濺射或者蒸發(fā)金、鋁、銅等金屬材料形成。
所述的懸臂梁、環(huán)形質(zhì)量塊、碰撞柱和硅框架，采用體硅MEMS工藝加工形成的，并與硅蓋帽、襯底通過(guò)鍵合方式形成一封閉體。
本發(fā)明中的懸臂梁、環(huán)形質(zhì)量塊和硅框架組成一個(gè)碰撞電極，環(huán)形接觸電極組成一個(gè)碰撞電極，碰撞柱組成一個(gè)碰撞電極。當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)受到水平面任意方向加速度，達(dá)到設(shè)計(jì)閾值時(shí)，環(huán)形質(zhì)量塊和碰撞柱接觸，提供水平面任意方向碰撞檢測(cè)信號(hào)；或者受到垂直水平面方向加速度作用達(dá)到閾值時(shí)，質(zhì)量塊和環(huán)形接觸電極接觸，兩個(gè)電極連接，提供垂直水平面方向碰撞檢測(cè)信號(hào)。其它方向上的碰撞均可分解到水平面方向和垂直水平面方向上。 通過(guò)以上方式，實(shí)現(xiàn)了水平面任意方向及垂直水平面方向等多個(gè)方向上信號(hào)檢測(cè)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)采用環(huán)形質(zhì)量塊并通過(guò)一組懸臂梁固定，以及采用環(huán)形碰撞面，實(shí)現(xiàn)了水平面任意方向及垂直水平面方向等多個(gè)方向上碰撞信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)。
(2)本發(fā)明所有結(jié)構(gòu)部件采用圓弧形設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，能滿足苛刻環(huán)境條件下的應(yīng)用需求。


圖1為第一實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為第一實(shí)施例去掉硅蓋板的俯視圖；圖3為第二實(shí)施例中環(huán)形金屬層和碰撞柱連接在一起的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為第三實(shí)施例中曲折梁取代弧形懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括襯底5，襯底5上通過(guò)鍵合工藝連接一層硅框架8，硅框架8中心設(shè)有圓孔，圓孔中心設(shè)有硅材料制作的碰撞柱3與襯底5相連，硅框架8圓孔壁上均布一組懸空的弧形懸臂梁1，每個(gè)弧形懸臂梁1的端部與懸空的環(huán)形質(zhì)量塊2連接，環(huán)形質(zhì)量塊2與碰撞柱3同心并具有3微米 20微米的環(huán)形間隙a，環(huán)形質(zhì)量塊下方的襯底上設(shè)有環(huán)形接觸電極4，它們之間設(shè)有3微米 20微米的垂直間隙；在硅框架8上及碰撞柱3設(shè)有引出電極6，在硅框架8上面采用鍵合工藝設(shè)置一個(gè)硅蓋帽7，硅蓋帽7上設(shè)有引出電極6的引出孔，硅蓋帽7與硅框架8之間形成一空腔，懸空的弧形懸臂梁及環(huán)形質(zhì)量塊可在空腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
襯底5的材料采用玻璃或單晶硅片，硅蓋帽7為了方便加工引出電極也采用單晶硅材料制成，環(huán)形接觸電極4和引出電極6采用金、鋁等金屬材料制作，弧形懸臂梁1、環(huán)形質(zhì)量塊2、碰撞柱3和硅框架8均采用單晶硅材料制成。
如圖3所示，為本發(fā)明的第二實(shí)施例環(huán)形接觸電極4和碰撞柱3通過(guò)鍵合工藝連接在一起組成一個(gè)碰撞電極。
如圖4所示，為本發(fā)明的第三實(shí)施例加速度開(kāi)關(guān)的懸臂梁變?yōu)榍哿?，其它結(jié)構(gòu)部分不變。
當(dāng)加速度開(kāi)關(guān)受到碰撞加速度作用時(shí)，環(huán)形質(zhì)量塊2在慣性力和臂形梁1的彈性力共同作用下，可在水平面內(nèi)任意方向上以及垂直水平面方向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界作用的加速度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，環(huán)形質(zhì)量塊2與碰撞柱3或者環(huán)形接觸電極4接觸，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電極的導(dǎo)通。隨后環(huán)形質(zhì)量塊2在懸臂梁1的彈性力的作用下，和碰撞柱3分開(kāi)，回復(fù)到原始狀態(tài)， 開(kāi)關(guān)處于“斷”的狀態(tài)。
本發(fā)明的加速度開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)懸臂梁1和環(huán)形質(zhì)量塊2的尺寸可控制閾值加速度的大小。通過(guò)調(diào)整質(zhì)量塊2和碰撞柱3以及環(huán)形接觸電極4之間的間隙，可有效調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間和接觸時(shí)間。該加速度開(kāi)關(guān)所有結(jié)構(gòu)部件均為圓形或圓弧形，抗高沖擊能力更好。
本發(fā)明的加速度開(kāi)關(guān)，采用體硅MEMS工藝加工。首先結(jié)構(gòu)層背面刻蝕臺(tái)階；在襯底玻璃上制作電極；通過(guò)靜電鍵合方法把結(jié)構(gòu)層和襯底鍵合在一起；正面刻蝕結(jié)構(gòu)層，形成弧形懸臂梁、環(huán)形質(zhì)量塊、硅框架和碰撞柱；硅蓋帽層背面刻蝕出孔腔；采用鍵合工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)層和硅蓋帽層的圓片封裝；刻蝕硅帽正面，露出電極。
權(quán)利要求
1.一種MEMS加速度開(kāi)關(guān)，其特征在于由襯底(5)、硅框架(8)、一組懸臂梁(1)、環(huán)形質(zhì)量塊(2)、碰撞柱(3)、環(huán)形接觸電極(4)和蓋帽(7)組成；硅框架(8)中心設(shè)有圓孔、并通過(guò)MEMS工藝固定在襯底(5)上； 每個(gè)懸臂梁(1)的一端連接在硅框架圓孔的內(nèi)側(cè)并處于懸空狀態(tài)； 每個(gè)懸臂梁(1)的另一端連接于環(huán)形質(zhì)量塊(2 )上，使環(huán)形質(zhì)量塊(2 )懸空在襯底(5 ) 上，并處于硅框架圓孔中；碰撞柱(3)固定在硅框架中心的襯底(5)上，碰撞柱(3)和環(huán)形質(zhì)量塊(2)同圓心、并具有3微米 20微米的環(huán)形間隙；環(huán)形接觸電極(4)固定在環(huán)形質(zhì)量塊(2)下方的襯底上、和環(huán)形質(zhì)量塊在有一定間隙； 在硅框架(8 )上及碰撞柱(3 )設(shè)有引出電極(6 )，蓋帽(7 )把一組懸臂梁和環(huán)形質(zhì)量塊封閉起來(lái)，蓋帽上設(shè)有引出電極(6)的引出孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS加速度開(kāi)關(guān)，其特征是所述的懸臂梁為弧形梁或曲折梁，數(shù)量上不少于四根。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS加速度開(kāi)關(guān)，其特征是所述的襯底材料采用玻璃或者單晶硅片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS加速度開(kāi)關(guān)，其特征是所述的環(huán)形接觸電極可以單獨(dú)引出作為一個(gè)碰撞電極，也可與碰撞柱連接在一起共同作為一個(gè)碰撞電極。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種MEMS加速度開(kāi)關(guān)，由襯底(5)、硅框架(8)、弧形懸臂梁(1)、環(huán)形質(zhì)量塊(2)、碰撞柱(3)、環(huán)形接觸電極(4)和硅蓋帽(7)組成。硅框架固定在襯底上，中心設(shè)有圓孔；碰撞柱位于硅框架中心，固定在襯底上；硅框架圓孔上均布一組懸空的弧形懸臂梁，弧形懸臂梁的端部與環(huán)形質(zhì)量塊連接；環(huán)形質(zhì)量塊與碰撞柱同心并具有一定的間隙；環(huán)形接觸電極位于環(huán)形質(zhì)量塊下方并固定在襯底上。本發(fā)明采用環(huán)形碰撞結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)平面任意方向及垂直水平面方向等多個(gè)方向上信號(hào)檢測(cè)，同時(shí)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了開(kāi)關(guān)的抗高沖擊能力。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)精巧、加工工藝簡(jiǎn)單、便于批量制作等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01H35/14GK102522262SQ20111041922
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者徐棟, 方澍, 王文婧, 郭群英, 陳璞, 黃斌 申請(qǐng)人:華東光電集成器件研究所