[发明专利]一种微机械万向开关

说明书

本发明公开一种微机械万向开关，包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽；器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架；质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上镀有动电极；封帽包括：径向电极分布在质量块的四周，轴向电极位于质量块的下方，弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合。本发明在轴向0～90度范围内具有相同的加速度阈值，实现万向触发。

技术领域

本发明属于微机械惯性开关技术领域，更具体地，涉及一种微机械万向开关。

背景技术

以微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术为基础设计和制造的惯性开关具有体积小、质量轻、易集成和批量化生产等优点，在汽车安全气囊、货运监测、飞机安全座椅弹射触发、弹药发射和引信起爆等领域都有着广泛的应用前景。微机械惯性开关的物理模型为弹簧质量块惯性系统，一般分为触发式和闭锁式两种，前者要求闭合后自动断开而后者要求闭合以后不再断开。触发式惯性开关在受到加速度冲击时，由弹簧支撑的质量块作为动电极受惯性力作用发生与加速度方向相反的位移，直至触碰到固定电极形成电气闭合回路，而后受弹簧恢复力作用自动分离，完成开关的通断动作。在实际的应用中，加速度的方向是随机的，因此需要微机械开关具有万向触发的特性；微机械开关闭合时输出脉冲信号，但是如果脉冲时间过短(也即脉宽过小)不能被后续接口电路可靠识别，从而无法正常产生触发信号，因此需要微机械开关具有较长的闭合时间；针对不同应用的微机械开关对闭合阈值的大小也不同，但是都要保证开关在低于阈值加速度时不管脉宽多大都不能闭合；对于引信中使用的微机械开关需要能够满足勤务处理中的意外跌落以及弹丸发射的后坐力等高冲击过载下，弹簧、质量块以及固定电极都不发生断裂失效，因此也需要微机械开关具有抗高过载的能力。

传统的微机械开关利用LIGA工艺制作的金属弹簧质量块结构因为使用电铸工艺，容易产生较大的应力和平整度问题，且厚度无法做到很大，如需较大的质量块就需要增大质量块的面积。

美国专利US6765160B1的微机械开关因为蛇形弹簧结构设计，只能分别感知平面内的加速度或面外方向加速度，无法在半球面内实现相同阈值的万向触发。

中国发明专利CN102693865A采用定位销和衬底来实现抗过载功能，无法对质量块和弹簧进行有效地高冲击过载保护，容易在勤务运输和身管发射时受冲击而失效。

发明内容

针对现有微机械惯性开关存在的缺陷，本发明提供了一种微机械万向开关，以解决现有微机械万向开关产生较大的应力和平整度因而厚度无法做到很大、无法在半球面内实现相同阈值的万向触发及无法对质量块和弹簧进行有效地高冲击过载保护的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种微机械万向开关，包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽，构成三明治结构；

所述器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架；所述质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上镀有动电极；

所述封帽包括：径向电极、轴向电极及弧形电极；所述径向电极分布在质量块的四周，所述轴向电极位于质量块的下方，所述弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合；

所述衬底包括多孔镂空结构，分布在质量块和螺旋形弹簧梁的上方。

可选地，所述质量块为圆柱形结构。