[发明专利]用纳微柔性阵列实现接触时间延长的多向振动阈值传感器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统(MEMS)技术领域的振动阈值阈值传感器装置，具体是一种利用纳微柔性阵列层实现接触时间延长的多向振动阈值传感器。

背景技术

微型振动阈值传感器作为一种新型的无源器件，因其具有体积小，重量轻等优点而被广泛应用于各种微电子系统中，尤其随着物联网系统的发展，各种传感器装置与互联网结合形成一个无线传感网络系统，而这些传感器常常因为某种特殊的需要而被放置在偏远的环境中或者被植入物体内部，造成供电困难。振动阈值传感器相比于加速度计和陀螺仪，不需要在常态下维持一个稳定的电流，其寄生功耗为零，因此成为物联网系统的最佳选择。

目前，振动阈值传感器的研制通常利用“弹簧(悬臂梁)-质量块”结构运动敏感单元作为可动电极，设计另一结构作为固定电极，两电极之间有一定的距离，当外界加速度超过传感器的设定阈值时，可动电极在其敏感方向运动并与固定电极接触，从而实现阈值传感器的导通功能，但是，这种单向敏感的阈值传感器只有当加速度方向与其敏感方向平行时，才能实现其功能应用。在实际环境中，很难保证冲击来自于指定的方向，因而需求具有多向敏感的MEMS振动阈值传感器。为了满足对多方向敏感的需求，在现有的解决方案中，常常不得不使用多个单向敏感的振动阈值传感器进行组合，这不但使得系统整体体积增大、质心难以重合，而且测量精度低、可靠性差，因此，业界对多方向敏感的振动阈值传感器有着迫切的需求。

基于微机械加工技术进行的以硅为基础的刻蚀或者电镀，所制备的振动阈值传感器是两个电极之间的刚性碰撞，容易造成器件的破坏，更重要的是，电极之间的刚性碰撞使接触时间变短，碰撞容易反弹，在降低器件稳定性的同时给后期信号处理带来困难。在对现有的技术文献检索发现，Luke J.Currano等在《Sensors and Actuators》(《传感器与执行器A》，2010年159期41-50页)发表了题为“Latching in a MEMS shock sensor:Modeling and experiments”(“闭锁式微机械振动传感器：建模与实验”)的论文，提出了一种可以敏感水平面上两个方向的闭锁式传感器，使振动阈值传感器的研究不再只对一个方向敏感，这种闭锁式的传感器虽然回避了电极之间刚性碰撞导致接触时间短的问题，可以在足够大的加速度作用下实现信号的连续输出，但是由于电极之间在碰撞接触后形成锁扣结构，研究者不得不在器件中设计了解锁装置，这就导致器件变得复杂以至于容易在工作中受损，并且这样的设计无疑大大降低了器件的重复工作能力。更重要的是，这样的器件无法做到独立使用来检测三维方向的加冲击加速度。

发明内容

本发明针对现有技术上的不足，提供一种利用纳微柔性阵列层实现接触时间延长的多向振动阈值传感器，使该传感器可以同时敏感来自水平和垂直多个方向上的加速度冲击，并通过水平弹性悬臂梁和电极间的碳纳米管纤维簇阵列结构实现固定电极与可动电极之间的柔性接触，质量块电极的运动限制在上、下固定电极之间，基底与上固定电极对器件具有限位保护作用以免传感器在受到意外过载冲击的损坏。

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、垂直下固定电极、悬臂梁上固定电极、碳纳米纤维簇阵列结构、蛇形弹簧、弹簧支撑座、多组悬臂梁组成的放射状径向弹性水平固定电极和上固定电极支撑柱，其中，质量块电极与八组蛇形弹簧的一端相连，蛇形弹簧另一端与弹簧支撑座相连并将质量块电极悬空于垂直下固定电极和悬臂梁上固定电极之间，悬臂梁上固定电极和放射状径向弹性水平固定电极固定在中间上固定电极支撑柱上，弹簧支撑座和上固定电极支撑柱分别固定设置于绝缘衬底上并分别位于质量块电极的四周和中间位置，由碳纳米管和铜组成的碳纳米纤维簇阵列结构均匀的分布在质量块电极的上表面和悬臂梁上固定电极的下表面，垂直下固定电极固定在绝缘衬底上。

所述的质量块电极为叠层电镀金属形成的环形体结构，其外半径1000～3000微米，内半径300～2000微米，厚度40～400微米，与绝缘衬底之间的距离为10～100微米。

所述的多组悬臂梁组成的放射状径向弹性水平固定电极，其悬臂梁与径向之间的夹角12～84°，长度50～295微米，宽度5～50微米，厚度5～50微米，根数为4～30根，该悬臂梁能够实现360°与质量块电极接触，在传感器受到超过阈值的加速度冲击时，该悬臂梁受到质量块冲击并发生弹性变形，增强接触效果。