[发明专利]一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关

说明书

本发明提供一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，包括移动电极、连体蛇形弹簧、弹簧固定支座、柔性阵列式固定电极、吸合电极、键合层、绝缘衬底，移动电极与连体蛇形弹簧相连，并通过弹簧固定支座悬空在柔性阵列式固定电极和吸合电极上方；吸合电极、柔性阵列式固定电极和键合层固定于绝缘衬底上；弹簧固定支座位于键合层上方，并通过键合层固定于绝缘衬底上。本发明受到敏感方向的加速度时，移动电极向柔性阵列式固定电极逐渐运动，移动电极和吸合电极之间的静电力不断增大，当静电力增大至起主要作用时，移动电极与柔性阵列式固定电极碰撞，实现外电路的导通，并且静电力能将移动电极与柔性阵列式固定电极保持锁定状态，持续接通外电路。

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的器件，具体的是一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关。

背景技术

惯性开关，又被称为加速度阈值开关，用于感应一定范围内特定方向的外界加速度矢量的变化。相对于传统机械加工装配组装的惯性开关而言，MEMS惯性开关具有一次成型不需组装、功率低、体积小、阈值一致性高、制造成本低的显著优势，已经成为国内外在此方面的研究重点，具有广阔的应用前景。传统的MEMS惯性开关的移动电极和固定电极都是刚性结构，当惯性开关受到超过阈值加速度的冲击时，移动电极与固定电极发生刚性接触，极易损坏器件，并且电极之间反弹严重，开关接通时间极短。惯性开关应用在集成电路中，过短的接触时间需要提高外电路对接触信号识别的精度，增加了对信号处理的设计难度，故而受到大规模的限制。

中国上海微系统所的贾孟军小组于2007年在《Micro-cantilever shocking-acceleration switches with threshold adjusting and‘on’-state latchingfunctions》报道了一种基于体硅加工技术的MEMS冲击惯性锁定开关。该设计通过惯性冲击力和静电力结合，使开关具有阈值可调的能力。首先惯性开关通过超过阈值加速度的冲击驱使电极接触，接触后电极之间的静电力使多组悬臂梁惯性开关的两个电极出现自锁功能，使得固定电极和可动电极在惯性冲击力消失后仍然保持接触状态，从而延长惯性开关的接触时间。由于作者所设计的惯性开关的阈值加速度较大，可调范围是1000～5000g，静电吸合作用对阈值影响很小，所以它能够用来弥补制备过程中产生的阈值容差和延长接触时间；但是当所设计的惯性开关的阈值加速度较小时，静电吸合作用对阈值的影响就不可忽略了。

北京大学K.F.Deng等于2013年在《A novel inertial switch based onnonlinear-spring shock stop》和《Inertial micro-switch capable of prolongingcontact time》中设计了一种基于体硅微加工技术硅刻蚀双柔性接触的MEMS惯性开关。该设计中可动电极和固定电极分别由一个可动接触点和级联悬臂梁构成，这种非线性弹簧结构能够减少冲击以及接触弹跳效应。根据仿真结果，当质量块在敏感方向运动时，由于弯曲的级联梁和可动接触点都具有柔性，延长了这种新型开关的接触时间；当质量块第一次达到最大位移后向敏感方向的反方向运动时，由于梁惯性力作用，级联梁也会跟着质量块运动，此时开关一直保持闭合状态，进一步增加了开关的接触时间。该惯性开关的测试结果表明，当开关的输入加速度值从420g到870g时，接触时间从135μs增加到335μs，是传统惯性开关接触时间的30倍，并且测试过程中没有发生弹跳行为。但是该结构中级联梁的制备工艺复杂，对实验精度要求高，并且在反复测试过程中级联悬臂梁容易发生损坏。

因此，本领域的技术人员致力于发明一种接触时间长、抗干扰能力和过载能力强的MEMS惯性开关，并且希望其工艺过程尽可能简单和便捷，让人们更加方便制造这种便于大规模应用的垂直敏感微机械惯性开关。

发明内容

本发明的目的在于基于表面微加工工艺和体硅微加工工艺，提供一种具有柔性阵列触点的静电锁定惯性开关，提升了惯性开关的稳定性能，工艺简单便捷。

本发明是通过以下技术方案实现的：