[发明专利]一种万向振动阈值传感器及其3D打印制备方法

说明书

技术领域

本发明设计的是一种微机电系统(MEMS)技术领域的振动阈值传感器装置，具体是一种万向振动阈值传感及3D打印制备该传感器的方法。

背景技术

微型振动阈值传感器(又被称作惯性开关或加速度阈值传感器)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，设计另一个结构作为固定电极，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》，2013年195期191-197页)发表了题为“Triaxial inertial switch with multiple thresholds and resistive ladder readout”(“阶梯式电阻输出的三轴多阈值惯性开关”)的论文，提出了一种可以在X、Y、Z轴向上敏感多个方向的多阈值传感器，使振动阈值传感器的研究不再只对一个方向敏感，这种多阈值振动传感器虽然解决了传感器敏感方向单一的问题，可以实现多个轴向的加速度敏感以及多种阈值敏感，但是由于MEMS表面微加工技术的局限性，通常只能通过光刻、刻蚀等传统半导体平面工艺来逐层形成三维结构，无法真正实现完全的三维任意形状结构的传感器器件加工，因而也就不可能实现在三维空间中传感器对加速度各个方向的反应敏感。

发明内容

本发明针对现有技术上的不足，提供一种万向振动阈值传感器及其3D打印方法，固定电极与可动质量块电极之间的电极间隙呈半球形沟道，使该传感器可以同时敏感来自垂直和整个半球面方向的多个方向上的加速度冲击。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一方面，提供一种万向振动阈值传感器，所述传感器包括：可动质量块电极、固定电极、蛇形弹簧、弹簧支撑柱和绝缘衬底，其中：可动质量块电极与蛇形弹簧的一端相连，蛇形弹簧另一端与弹簧支撑柱相连并将可动质量块电极悬空于带半球状凹陷的固定电极之上，弹簧支撑柱固定于绝缘衬底上并分别位于可动质量块电极的四周；带半球状凹陷的固定电极固定在绝缘衬底上，固定电极与可动质量块电极之间的电极间隙呈半球形沟道，该种结构的固定电极在传感器受到超过阈值的加速度冲击时，实现振动阈值传感器的更多方向的敏感。

优选地，所述的固定电极设计成了两种结构：一种是带半球状凹陷的上截面类八边形的结构，它是8个多面体绕一个圆柱平均分布而成的，相邻两个多面体的中心按它们所环绕圆柱的底面圆心成45°夹角，该固定电极能够实现在整个半球面内与可动质量块电极接触；另一种是在一个长方体上表面挖半球状凹陷形成的结构。此种带半球状凹陷的结构可以实现振动阈值传感器的更多方向的敏感。

优选地，所述的可动质量块电极由半球体和延伸柱体组成，延伸柱体位于半球体之上且半球体的上表面与延伸柱体底面重合。半球体质量块结构作为可动电极，由蛇形弹簧将其悬空于固定电极之上一定高度，这样所形成的“弹簧-质量块”系统与固定电极配合实现对加速度的多向敏感。