[发明专利]可调控接触时间的微型惯性电学开关

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电工程技术领域的微型开关，具体涉及一种可调控接触时间的微型惯性电学开关。

背景技术

以微机电系统技术为基础设计和制造的惯性开关因其具有体积小、成本低及批量生产等优点备受关注。以往的微型惯性开关，不论是垂直驱动还是水平驱动，因其加工方法是在传统的集成电路制造技术上发展而来，很多情况下开关的制备是以硅衬底为基础进行电镀的，由于电镀过程中不可避免的内应力，这就决定了整个器件的高度不可能太厚，为了有足够大的质量块来感应外界的加速度作用，最终导致器件的整体面积较大，这个问题在水平驱动的惯性开关中更为明显。微型惯性电学开关的设计多数采用悬臂梁或弹簧连接质量块电极去接触另一固定电极的形式。但是，如何处理好质量块电极碰撞到另一固定电极的接触效果和随后的高速反弹问题，以及保证悬臂梁或弹簧连接的质量块这一机构在外加速度作用下的快速协调动作一直是人们努力的方向，结果各种用以改善上述不足的微型惯性电学开关设计不断被提出。

经对现有技术的文献检索发现，Ma Wei等在《Journal of Micromechanicsand Microengineering》(《微机械与微工程杂志》，2003年13卷第3期892-899页)发表了题为“Design and characterization of inertia-activatedelectrical micro-switches fabricated and packaged using low-temperaturephotoresist molded metal-electroplating technology”(“用低温金属电镀技术制造与封装的惯性驱动微型电学开关的设计与表征”)的论文，提出以硅衬底为基础，在其上电镀金属的方法来实现微型惯性开关的制备，该微型惯性开关是以悬臂梁连接的质量块作为电极之一，另一电极位于质量块下方的衬底上、或者与质量块在同一个平面。质量块电极与直接位于基底上的另一固定电极碰撞接触时，由于两者的刚度都很大，以至于接触效果不良，而且接触时间短暂，接触时间不可调节，再加上高速回弹的质量块没有任何边界防护，可能会导致器件受损。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可调控接触时间的微型惯性电学开关，实现对微型惯性电学开关接触时间的调节，对器件的意外损伤起到保护作用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：带有悬臂梁阵列的质量块电极、多孔弹性梁固定电极、连体蛇形弹簧、绝缘衬底、支撑层、弹簧支撑座以及多孔弹性梁支撑座。所述的带有悬臂梁阵列的质量块电极由质量块以及固定在质量块上的悬臂梁阵列构成，悬臂梁阵列位于多孔弹性梁固定电极下方，支撑层位于绝缘衬底上方、质量块下方，弹簧支撑座以及多孔弹性梁支撑座固定在绝缘衬底上、位于质量块周围，连体蛇形弹簧与质量块相连，并被弹簧支撑座悬空，多孔弹性梁固定电极被多孔弹性梁支撑座悬空、位于质量块上方，多孔弹性梁固定电极与悬臂梁阵列之间有间隙。当外界足够大的负加速度沿绝缘衬底上表面法线方向作用于本发明开关时，或者足够大的正加速度沿绝缘衬底下表面法线方向作用于本发明开关时，带有悬臂梁阵列的质量块电极将接触到多孔弹性梁固定电极，实现对外电路的接通。

所述的绝缘衬底，可以是石英衬底、玻璃衬底等绝缘衬底。

所述的支撑层是在绝缘衬底上直接电镀镍或铜等金属形成的，由一系列纵向和横向分布的短柱阵列而成，短柱可以有不同的形状和尺寸，阵列的形式也可有各种形式，如短柱可以做成长方体或圆柱体，阵列时一部分在绝缘衬底上、连体蛇形弹簧下方纵向阵列，间隔为80-120微米，另一部分在绝缘衬底上、质量块下方横向阵列成4行×5列，支撑层的短柱截面积不宜太小，一般至少为15微米×70微米，以防止最后器件释放时脱落，高度适当，一般为3-20微米，能够对高速弹回的连体蛇形弹簧和质量块电极起到一定的支撑作用。

所述的连体蛇形弹簧是通过电镀镍或铜等金属形成的一匝或多匝的结构，其线宽为5-50微米，厚度为4-50微米，蛇形弹簧弯曲部分的半圆内径为20-100微米，连接蛇形弹簧弯曲部分的半圆间的竖直长为50-500微米，单个弹簧之间连体的长度为10-200微米。本发明中的连体蛇形弹簧相对于以往单一弹簧或悬臂梁分布在质量块周围的设计，其优点在于在受到外界加速度作用后，连体蛇形弹簧悬空和质量块电极的运动能够保持一致性、协调性，有利于开关的稳定可靠。