[发明专利]一种步进吸合静电锁定的微机械惯性开关

说明书

本发明提供一种步进吸合静电锁定的微机械惯性开关，其中：阵列式固定电极为阵列式分布并通过布局连线构成，与吸合电极通过空气间隙相互绝缘并位于绝缘衬底上；柔性连接多平面式移动电极与连体蛇形弹簧相连，通过弹簧固定支座形成悬空可动结构，反向限位阻挡结构悬空位于柔性连接多平面式移动电极上方。本发明平面内阵列式布局大大增加固定电极与柔性连接多平面式移动电极接触可能性；吸合电极与柔性连接多平面式移动电极之间静电吸合作用能够任意延长固定电极与柔性连接多平面式移动电极之间接触时间，提升接触性能；反向阻挡限位结构能够有效抑制柔性连接多平面式移动电极在非敏感方向的大幅度变形，提升器件稳定性。

技术领域

发明涉及的是一种微机电系统技术领域的器件，具体的是一种具有步进吸合作用的静电锁定垂直敏感的微机械惯性开关。

背景技术

MEMS惯性开关是一种集传感器与执行器功能与一体的无源器件，具有尺寸小、集成度高、无能耗等特点。基于表面微加工工艺制作的MEMS惯性开关具有制造成本低、阈值一致性好等特点，已成为制作惯性开关的主流。传统报道的MEMS惯性开关，在敏感方向受到超过阈值的外界加速度时，移动电极向固定电极方向移动并发生刚性碰撞，接触时间极为短暂，增加了信号处理电路的难度，应用范围受到了极大地限制；同时，由于加工工艺和设计等局限，移动电极的接触表面很难保证很好的平整度，这将会影响在实际应用中移动电极与固定电极的碰撞接触过程。

西安电子科技大学的Jian Zhao等人于2006年在《A novel MEMS parallel-beamacceleration switch》中根据梁的大饶度后屈曲理论设计了一种应用于汽车安全气囊约束系统的惯性开关。该设计采用两根倾斜的悬臂梁支撑敏感质量块作为移动电极，当在惯性开关的敏感方向施加超过阈值的外界加速度时，敏感质量块在惯性力作用下与固定电极发生碰撞接触，此时支撑悬臂梁将发生屈曲形变，移动电极将会在支撑悬臂梁的屈曲状态下保持一段时间，这段时间为该设计惯性开关的接触时间。理论上，在没有采取复位措施的情况下，该设计的惯性开关的接触时间可以无限延长。但是，在实际应用中，敏感质量块与固定电极的刚性碰撞接触常常会导致反弹现象，尤其在高阈值的惯性开关中，该设计的惯性开关既有更高的反弹概率，因此，这种设计的惯性开关的安全性能以及可靠性是一个重要问题。

北京大学的Z.Y.Guo等人于2008年在《Design,fabrication andcharacterization of a latching acceleration switch with multi-contactsindependent to the proof-mass》中设计了一种具有闭锁结构的惯性开关。当移动电极与固定电极碰撞接触后，两电极在闭锁结构的作用下实现锁定，移动电极不能回复到初始位置，接触时间被无限延长。从设计结构来看，基于摩擦力分析，需要在较大的过载加速度作用下才能实现移动电极与固定电极之间的锁定。分析认为，这种设计的闭锁结构虽然能实现移动电极与固定电极之间的锁定，但是需要非常大的过载加速度才能保证移动电极穿过固定电极的阻挡，因而器件的工作过程对器件有一定的破坏力。因此，该作者进行了改进设计，将质量块设计为感应加速度的功能结构而不是移动电极，质量块在惯性力的作用下驱动移动电极与固定电极发生碰撞接触，并将固定电极设计为可变性弹簧，从而降低闭锁结构的刚度将刚性接触变为柔性接触。同时，为了提高惯性开关的碰撞接触可靠性并增大接触表面，将固定电极的接触点结构改为具有凹槽结构的圆柱形接触面。同样，器件在应用过程中需要一定的过载加速度才能够保证实现移动电极与固定电极之间的闭合锁定，因而，改进后的设计无法满足阈值较低的惯性开关的精度要求，同样存在着测试完成后无法复位的问题。

因此，本领域的研究人员致力于研究提高器件电极间的接通可靠性，获得具有较长脉冲宽度的输出信号并且能够在使用完成后能够实现复位，抗干扰能力和过载能力强的MEMS惯性开关，同时，希望能够降低惯性开关的制作工艺难度，降低生产成本。

发明内容