[发明专利]三维多方向敏感的微机械惯性电学开关

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种三维多方向敏感的微机械惯 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。以往的微机械惯性开关，因其加工方法是基于微机电系统技术，很多情况下开关 的制备是以硅为基础进行刻蚀或电镀，通过干法刻蚀SOI(Silicon on Insulator)硅片得到 能够悬空的可水平运动结构，并利用刻蚀出的侧壁斜面实现惯性开关的接通功能，这即为水平 驱动的微机械惯性开关；而通过在单晶硅基底上的电镀和牺牲层工艺技术，则可实现垂直驱动 的微机械惯性开关，但由于电镀过程中难以避免的内应力，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。

微机械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碰撞另一固定 电极的形式，制作的开关器件或为水平驱动，或为仅垂直驱动，当需要同时检测水平和垂直方 向上的加速度作用时，只能联合使用这两种不同驱动方式的惯性电学开关，不但造成了开关器 件数量上的浪费，而且也使系统的封装集成更为困难、复杂。因而，如何尽可能使用少的惯性 开关器件数量来感应、检测来自多方向的加速度冲击作用，集能够敏感三维多方向加速度作用 于一种微开关器件一直是人们努力的方向，结果各种用以改善上述不足的微机械惯性电学开关 设计不断被提出。

经对现有技术的文献检索发现，Wei Ma等在《Sensors and Actuators A》(《传感器与执 行器A》，2004年111期63-70页)发表了题为“Fabrication and packaging of inertia micro-switch using low-temperature photo-resist molded metal-electroplating technology”(“用低温金属电镀技术制造与封装的惯性微型电学开关”)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机械惯性开关的制备，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， 从而实现垂直方向上的驱动、或者水平方向上的驱动。对于水平驱动的惯性电学开关，由于在 硅基底上无法电镀太厚的质量块，质量块需要占据较大的面积来产生足够大的惯性驱动力以触 发开关，惯性开关没有很明显的立体结构；而对于垂直驱动的惯性开关，其质量块电极与直接 位于基底上的另一电极碰撞接触时，两者的刚度都很大，以至于接触效果不良且时间短暂，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。更重要的是，论文中提出的 任何一种驱动方式的开关器件都不能独立使用来同时检测多个方向的加速度冲击作用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种三维多方向敏感的微机械惯性电学开关， 使整个微机械惯性电学开关可以同时敏感来自水平和垂直多个方向上的加速度冲击作用，并使 其可动质量块电极和固定电极具有较好的接触效果，质量块电极的运动限制在绝缘衬底和固定 电极之间，对器件受到的意外过载冲击起到一定的保护作用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：质量块电极、悬臂梁水平固定电极、螺 旋型水平固定电极、悬臂梁垂直固定电极、若干组蛇形弹簧、绝缘衬底、螺旋固定电极支撑座、 弹簧支撑座、垂直固定电极支撑座和悬臂梁支撑座，其中：质量块电极分别与四组蛇形弹簧的 一端相连，蛇形弹簧的另一端与弹簧支撑座相连接并将质量块电极悬空于绝缘衬底和悬臂梁垂 直固定电极之间，弹簧支撑座和悬臂梁支撑座分别固定设置于绝缘衬底上并位于质量块电极的 四周，螺旋型水平固定电极和螺旋固定电极支撑座依次固定设置于衬底上。

所述的质量块电极为叠层金属电镀形成的环形体结构，其外径1000~2000微米、内径 200~1200微米、高50~500微米，四个周边突出的半圆内半径为400~1000微米。

所述的悬臂梁水平固定电极为一层或多层金属电镀形成的悬臂结构，其宽度为50~200微 米，长度为100~400微米，厚度50~500微米，斜截面角度为30~60°，该悬臂梁水平固定电极 采用悬空结构，可以有效降低其结构刚度，并配合相应的斜截面接触，可很好地提高两电极间 接触效果。