專利名稱：一種微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置。
背景技術(shù)：
微機(jī)械鎖存裝置廣泛用于汽車安全氣囊、貨物運(yùn)輸、碰撞記錄以及火箭試驗(yàn)、火控系統(tǒng)、引信等領(lǐng)域。由于其使用領(lǐng)域廣、需求數(shù)量大甚至涉及到設(shè)備和人身安全，所以微機(jī)械鎖存裝置的設(shè)計(jì)必須要具備低成本、高可靠性、高性能的特點(diǎn)。以MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)為基礎(chǔ)的微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化的MEMS加工工藝，具有體積小、重量輕、成本低及易集成等優(yōu)點(diǎn)，適于大批量生產(chǎn)。其中，鎖存機(jī)構(gòu)和接觸副設(shè)計(jì)是決定鎖存開關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。現(xiàn)有技術(shù)中，微機(jī)械開關(guān)主要通過電氣、磁力和機(jī)械三種方式實(shí)現(xiàn)鎖存，但電氣和磁力鎖存都容易受到電磁信號的干擾，導(dǎo)致穩(wěn)定性不可靠，電氣鎖存開關(guān)是一種有源器件，會(huì)給設(shè)備增加額外的功耗，磁力鎖存開關(guān)工藝過于復(fù)雜，成本偏高。機(jī)械鎖存開關(guān)一方面接觸電阻大，允許通過的電流較小，這樣就難以保證觸點(diǎn)的接觸可靠性；另一方面，鎖存后觸點(diǎn)如果受到檢測質(zhì)量反彈或振動(dòng)的影響，接觸點(diǎn)的可靠性就會(huì)降低；此外，上述三種開關(guān)多為非對稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到橫向沖擊時(shí)難以保障可靠鎖存。因此，本申請人于2008年申請了 "一種微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置"(申請?zhí)?00810225700. 5)，雖然避免了上述缺陷，但該開關(guān)上平面觸頭在慣性質(zhì)量偏心運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng))的影響下，可能會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)接觸現(xiàn)象，影響接觸效果和可靠性。而且，目前報(bào)道的均為常開型微機(jī)械開關(guān)，常閉型微機(jī)械開關(guān)尚未有報(bào)道。按電氣原理，通過采取簡單的電路，可以將常開型開關(guān)改為常閉型開關(guān)使用，但是，這樣一來，開關(guān)就不再是一個(gè)純機(jī)械的器件，同樣會(huì)受到電磁干擾。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種高性能，高可靠性，并集常閉和常開功能于一體的微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置，其特征在于它包括一襯底，一由動(dòng)觸頭、位于所述動(dòng)觸頭上方的頂觸頭、位于所述動(dòng)觸頭下方兩側(cè)的兩側(cè)觸頭、頂觸頭撓性梁、動(dòng)觸頭撓性梁、側(cè)觸頭撓性梁和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成的常開通道，一由斷裂梁、支撐梁和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成的常閉通道，一由檢測梁、檢測質(zhì)量塊和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成的敏感單元；各所述觸頭、撓性梁和錨點(diǎn)相對于所述襯底X軸對稱，各所述錨點(diǎn)固定連接在所述襯底上；所述動(dòng)觸頭的頂部呈凸出的圓形弧面，所述頂觸頭與動(dòng)觸頭的圓形弧面對應(yīng)，設(shè)置呈內(nèi)凹的圓形弧面；每一所述頂觸頭撓性梁的兩端分別連接一所述錨點(diǎn)的一側(cè)和所述頂觸頭的一側(cè)；每一所述動(dòng)觸頭撓性梁的兩端分別連接所述動(dòng)觸頭的一側(cè)和一所述錨點(diǎn)；每一所述側(cè)觸頭撓性梁兩端分別連接一所述錨點(diǎn)和一所述側(cè)觸頭；每一所述檢測撓性梁兩端分別連接所述慣性質(zhì)量塊的一側(cè)和一所述錨點(diǎn)；每一側(cè)的所述斷裂梁與支撐梁的連接處為一極薄弱的可斷口。
所述可斷口的形狀呈"V"形和呈圓環(huán)形之一。 它還包括一對限制所述側(cè)觸頭反方向上的位移和所述檢測質(zhì)量塊的平面轉(zhuǎn)動(dòng)用的上限位器，分別設(shè)置在所述側(cè)觸頭撓性梁與檢測質(zhì)量塊之間。 它還包括一對防止工作過程中所述檢測質(zhì)量塊在非敏感縱向方向如橫向上受到
外界觸發(fā)而產(chǎn)生橫向移動(dòng)用的的兩限位器，均卡設(shè)在所述檢測質(zhì)量塊的下端。 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明設(shè)置了襯底、常開
通道、常閉通道和敏感單元，常開通道由動(dòng)觸頭、頂觸頭、兩側(cè)觸頭、頂觸頭撓性梁、動(dòng)觸頭
撓性梁、側(cè)觸頭撓性梁和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成，常閉通道由斷裂梁、支撐梁和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組
成，敏感單元由檢測梁、檢測質(zhì)量塊和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成，且動(dòng)觸頭與頂觸頭組成一柱面接
觸副，因此不僅結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)可以增加接觸面積，減小接觸電阻，還可以避免由于加工誤
差等原因造成的慣性質(zhì)量偏心運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng))的影響，動(dòng)觸頭與頂觸頭的弧形接觸可以在慣
性質(zhì)量偏心運(yùn)動(dòng)情況下仍保持面接觸，提高了開關(guān)工作的可靠性和穩(wěn)定性，而且常閉通道
處于導(dǎo)通狀態(tài)。2、由于本發(fā)明每一側(cè)的斷裂梁與支撐梁的連接處設(shè)置為一極薄弱的可斷
口 ，因此當(dāng)檢測質(zhì)量塊受到外界觸發(fā)達(dá)到一定值時(shí)，可斷口處可以斷開，此時(shí)不僅斷裂梁在
可斷口處也可以實(shí)現(xiàn)鎖存，而且常開開關(guān)也實(shí)現(xiàn)了鎖存。3、由于本發(fā)明的可斷口的形狀可
以呈"V"形或呈圓環(huán)形，因此形狀可以多種多樣。4、由于本發(fā)明在兩側(cè)觸頭與檢測質(zhì)量塊之
間設(shè)置有限位器，因此當(dāng)慣性質(zhì)量塊和側(cè)觸頭在敏感方向X軸上受到外界觸發(fā)時(shí)，可以防
止側(cè)觸頭在X軸復(fù)位過程中的正向振動(dòng)，從而可以提高接觸和鎖存的可靠性和穩(wěn)定性。5、
由于本發(fā)明在檢測質(zhì)量塊的底端卡設(shè)有兩限位器，因此防止了工作過程中的慣性質(zhì)量塊在
非敏感方向上受到外界觸發(fā)而產(chǎn)生橫向移動(dòng)，進(jìn)一步提高了開關(guān)的可靠性。6、由于本發(fā)明
的撓性梁全部采用線性變形梁，線性結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)鎖存開關(guān)裝置的閾值設(shè)置，進(jìn)而增強(qiáng)了
閾值設(shè)計(jì)的精確性。本發(fā)明性能高，可靠性高，并集常閉和常開功能于一體，可以廣泛應(yīng)用
在微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中。


圖1是本發(fā)明微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明加速度開關(guān)斷口形狀示意圖一 圖3是本發(fā)明加速度開關(guān)斷口形狀示意圖二 圖4是本發(fā)明加速度開關(guān)斷口形狀示意圖三 圖5是本發(fā)明加速度開關(guān)實(shí)施例中的鎖存狀態(tài)示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。 如圖1所示，本發(fā)明包括常開通道、常閉通道、敏感單元和一襯底1。其中，常開通道包括一個(gè)頂觸頭2、一個(gè)動(dòng)觸頭3、兩個(gè)側(cè)觸頭4、兩頂觸頭撓性梁5、兩動(dòng)觸頭撓性梁6、兩側(cè)觸頭撓性梁7和與各自對應(yīng)的錨點(diǎn)8。常閉通道包括兩斷裂梁9、兩支撐梁10和與各自對應(yīng)的錨點(diǎn)8。敏感單元包括四檢測梁11、一檢測質(zhì)量塊12和與各自對應(yīng)的錨點(diǎn)8。各錨點(diǎn)8均固定連接在襯底1上，且各觸頭、撓性梁和錨點(diǎn)均相對于襯底IX軸對稱設(shè)置。在襯底1所在的平面內(nèi)，定義上述的X軸沿上述平面的縱向方向，X軸的正向?yàn)檠厣鲜銎矫娴目v向向下方向，負(fù)向?yàn)檠厣鲜銎矫娴目v向向上方向；Y軸為上述平面的橫向方向。
本發(fā)明常開通道中，頂觸頭2位于動(dòng)觸頭3的上方，兩側(cè)觸頭4分別位于動(dòng)觸頭3的下方兩側(cè)。動(dòng)觸頭3的頂部呈凸出的圓形弧面，頂觸頭2與動(dòng)觸頭3的圓形弧面對應(yīng)，設(shè)置呈內(nèi)凹的圓形弧面，使頂觸頭2與動(dòng)觸頭3形成兩對接觸良好的柱面接觸副，從而減小了接觸電阻、增大了許用電流，保證了接觸的可靠性。每一根頂觸頭撓性梁5的一端連接頂觸頭2的一側(cè)，另一端連接一錨點(diǎn)8的一側(cè)，該錨點(diǎn)8可以限制頂觸頭2的X軸負(fù)向上的位移，以縮短其在受到?jīng)_擊時(shí)的復(fù)位時(shí)間，保證與動(dòng)觸頭3的可靠接觸。每一根動(dòng)觸頭撓性梁6的一端連接動(dòng)觸頭3的一側(cè)，另一端連接一錨點(diǎn)8，該錨點(diǎn)8可以限制側(cè)觸頭4向兩側(cè)的位移，以保證在動(dòng)觸頭3越過側(cè)觸頭4時(shí)快速復(fù)位，可靠鎖存。每一根側(cè)觸頭撓性梁7的一端連接一個(gè)側(cè)觸頭4，另一端連接一個(gè)錨點(diǎn)8，該錨點(diǎn)8位于檢測質(zhì)量塊12中間，可以限制檢測質(zhì)量塊12在敏感方向，即X軸方向上的位移，保護(hù)檢測梁11和動(dòng)觸頭撓性梁6等非斷裂梁不被破壞。上述動(dòng)觸頭3與頂觸頭2和側(cè)觸頭4均采用相互獨(dú)立的多觸點(diǎn)接觸方式，可以減小了接觸電阻、增大了許用電流，保證了接觸的可靠性。其中的側(cè)觸頭3、側(cè)觸頭撓性梁7和與側(cè)觸頭撓性梁7連接的錨點(diǎn)8組成一鎖存機(jī)構(gòu)。 本發(fā)明常閉通道中，兩斷裂梁9與兩動(dòng)觸頭撓性梁6平行，且兩斷裂梁9分別固定連接在動(dòng)觸頭3的兩側(cè)。每一側(cè)的斷裂梁9與支撐梁10的連接處為一極薄弱的可斷口 13，當(dāng)檢測質(zhì)量塊12受到外界觸發(fā)達(dá)到一定值時(shí)，即可在該可斷口 13處斷開?？蓴嗫?13的形狀可以是多種多樣，比如呈"V"形(如圖2、圖3所示)，或呈圓環(huán)形(如圖4所示)。
本發(fā)明敏感單元中，每一根檢測撓性梁11的一端連接慣性質(zhì)量塊12的一側(cè)，另一端連接一錨點(diǎn)8。 上述實(shí)施例中，本發(fā)明還可以包括一對上限位器14，分別設(shè)置在側(cè)觸頭撓性梁7與檢測質(zhì)量塊12之間，用于限制側(cè)觸頭4反方向上的位移和檢測質(zhì)量塊12的平面轉(zhuǎn)動(dòng)。
上述各實(shí)施例中，為了防止工作過程中的檢測質(zhì)量塊5在非敏感方向，即Y軸方向上受到外界觸發(fā)而產(chǎn)生橫向移動(dòng)，本發(fā)明設(shè)置了兩下限位器15，兩下限位器15均卡設(shè)在檢測質(zhì)量塊12的底端。 上述各實(shí)施例中，襯底1可以采用硅、玻璃或二氧化硅等材料制成，錨點(diǎn)、撓性梁、限位器均可以采用硅或鈦等材料制成。各撓性梁均為線性變形梁，由于線性變形梁比非線性變形梁更有利于鎖存閾值的精確設(shè)置，這樣可以增加本發(fā)明微機(jī)械加速度鎖存開關(guān)的精確性，同時(shí)也減小了加工難度。 本發(fā)明使用時(shí)，如果檢測質(zhì)量塊12未受到任何外界觸發(fā)，此時(shí)常閉通道處于導(dǎo)通狀態(tài)，常開通道中的頂觸頭2、動(dòng)觸頭3、側(cè)觸頭4、檢測質(zhì)量塊12之間是相互分離的，各相應(yīng)撓性梁沒有形變。當(dāng)檢測質(zhì)量塊12受到敏感方向，即X軸方向上的外界觸發(fā)，且外界觸發(fā)原因大于或等于設(shè)定的鎖存閾值時(shí)，動(dòng)觸頭3推動(dòng)頂觸頭2沿X軸縱向移動(dòng)的同時(shí)推動(dòng)側(cè)觸頭4向兩側(cè)打開并越過側(cè)觸頭4，側(cè)觸頭4在側(cè)觸頭撓性梁7的作用下復(fù)位并阻止動(dòng)觸頭3復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)鎖存；同時(shí)，斷裂梁9在可斷口 13處斷裂并被鎖存機(jī)構(gòu)鎖存。當(dāng)外界觸發(fā)原因減小至小于鎖存閾值時(shí)，動(dòng)觸頭3與頂觸頭2和側(cè)觸頭4同時(shí)保持接觸，檢測質(zhì)量塊12與動(dòng)觸頭3分離。下面通過一具體實(shí)施例對本發(fā)明的工作原理進(jìn)行進(jìn)一步說明。
當(dāng)檢測質(zhì)量塊12為慣性質(zhì)量塊，慣性質(zhì)量塊用來敏感物體的加速度，此時(shí)本發(fā)明開關(guān)裝置為一加速度開關(guān)，加速度開關(guān)的鎖存閾值是根據(jù)使用要求預(yù)先設(shè)定好的，其工作情況如下 如圖1所示，在沒有外來施力觸發(fā)慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生加速度的情況下，慣性質(zhì)量塊、頂觸頭2、動(dòng)觸頭3、側(cè)觸頭4之間是相互分離的，此時(shí)，常閉通道處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)襯底1受到敏感方向X軸正向的加速度時(shí)，由于慣性，慣性質(zhì)量塊將相對于襯底1敏感方向X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)。在加速度作用下，慣性質(zhì)量塊推動(dòng)動(dòng)觸頭3敏感方向X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)觸頭3推動(dòng)頂觸頭2敏感方向X軸負(fù)向移動(dòng)的同時(shí)推動(dòng)側(cè)觸頭4向兩側(cè)打開。此時(shí)，動(dòng)觸頭3與慣性質(zhì)量塊、頂觸頭2、側(cè)觸頭4同時(shí)接觸，在此過程中，動(dòng)觸頭2至少與頂觸頭1和側(cè)觸頭4之一保持接觸。當(dāng)加速度達(dá)到設(shè)定的鎖存閾值時(shí)，動(dòng)觸頭3繼續(xù)敏感方向X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)、越過側(cè)觸頭4。此時(shí)，常閉通道的斷裂梁9在可斷口 13處斷裂，隨后，側(cè)觸頭4在側(cè)觸頭撓性梁7的彈性力作用下復(fù)位并阻止動(dòng)觸頭3復(fù)位，此時(shí)，本發(fā)明加速度開關(guān)實(shí)現(xiàn)鎖存，常開通道的各觸頭和常閉通道的斷裂梁9均被鎖存機(jī)構(gòu)鎖存，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道開/關(guān)狀態(tài)的切換。如圖5所示，當(dāng)加速度下降到小于設(shè)定的鎖存閾值時(shí)，動(dòng)觸頭3與側(cè)觸頭4和頂觸頭2同時(shí)保持接觸從而實(shí)現(xiàn)側(cè)觸頭4和頂觸頭2與動(dòng)觸頭3的多點(diǎn)接觸，以減小接觸電阻、增大許用電流并提高接觸的可靠性；常閉通道的斷裂梁9在可斷口 13處斷裂并被鎖存機(jī)構(gòu)鎖存，以保證可靠斷開。此外，慣性質(zhì)量塊與常開通道的動(dòng)觸頭3分離，各觸頭以及常閉通道不再受慣性質(zhì)量塊的振動(dòng)、反彈等的影響，從而進(jìn)一步提高了接觸的可靠性。 上述各實(shí)施例中，各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置、及其連接都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，對個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
一種微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置，其特征在于它包括一襯底，一由動(dòng)觸頭、位于所述動(dòng)觸頭上方的頂觸頭、位于所述動(dòng)觸頭下方兩側(cè)的兩側(cè)觸頭、頂觸頭撓性梁、動(dòng)觸頭撓性梁、側(cè)觸頭撓性梁和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成的常開通道，一由斷裂梁、支撐梁和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成的常閉通道，一由檢測梁、檢測質(zhì)量塊和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成的敏感單元；各所述觸頭、撓性梁和錨點(diǎn)相對于所述襯底X軸對稱，各所述錨點(diǎn)固定連接在所述襯底上；所述動(dòng)觸頭的頂部呈凸出的圓形弧面，所述頂觸頭與動(dòng)觸頭的圓形弧面對應(yīng)，設(shè)置呈內(nèi)凹的圓形弧面；每一所述頂觸頭撓性梁的兩端分別連接一所述錨點(diǎn)的一側(cè)和所述頂觸頭的一側(cè)；每一所述動(dòng)觸頭撓性梁的兩端分別連接所述動(dòng)觸頭的一側(cè)和一所述錨點(diǎn)；每一所述側(cè)觸頭撓性梁兩端分別連接一所述錨點(diǎn)和一所述側(cè)觸頭；每一所述檢測撓性梁兩端分別連接所述慣性質(zhì)量塊的一側(cè)和一所述錨點(diǎn)；每一側(cè)的所述斷裂梁與支撐梁的連接處為一極薄弱的可斷口。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置，其特征在于所述可斷口的形狀呈 "V"形和呈圓環(huán)形之一。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置，其特征在于它還包括一對限制所 述側(cè)觸頭反方向上的位移和所述檢測質(zhì)量塊的平面轉(zhuǎn)動(dòng)用的上限位器，分別設(shè)置在所述側(cè) 觸頭撓性梁與檢測質(zhì)量塊之間。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的一種微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置，其特征在于它還包括一對防 止工作過程中所述檢測質(zhì)量塊在非敏感縱向方向如橫向上受到外界觸發(fā)而產(chǎn)生橫向移動(dòng) 用的的兩限位器，均卡設(shè)在所述檢測質(zhì)量塊的下端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械鎖存開關(guān)裝置，它包括襯底，一由動(dòng)觸頭、位于動(dòng)觸頭上方的頂觸頭、位于動(dòng)觸頭下方兩側(cè)的兩側(cè)觸頭、頂觸頭撓性梁、動(dòng)觸頭撓性梁、側(cè)觸頭撓性梁和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成的常開通道，一由斷裂梁、支撐梁和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成的常閉通道，一由檢測梁、檢測質(zhì)量塊和與各對應(yīng)錨點(diǎn)組成的敏感單元；動(dòng)觸頭的頂部呈凸出的圓形弧面，頂觸頭與動(dòng)觸頭的圓形弧面對應(yīng)，設(shè)置呈內(nèi)凹的圓形弧面；各頂觸頭撓性梁的兩端分別連接錨點(diǎn)的一側(cè)和頂觸頭的一側(cè)；各動(dòng)觸頭撓性梁的兩端分別連接動(dòng)觸頭的一側(cè)和錨點(diǎn)；各側(cè)觸頭撓性梁兩端分別連接錨點(diǎn)和一側(cè)觸頭；各檢測撓性梁兩端分別連接慣性質(zhì)量塊的一側(cè)和錨點(diǎn)；每一側(cè)的斷裂梁與支撐梁的連接處為一極薄弱的可斷口。本發(fā)明性能高，可靠性高，并集常閉和常開功能于一體，可以廣泛應(yīng)用在微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中。
文檔編號H01H35/14GK101719433SQ200910241708
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者楊振川, 趙前程, 郭中洋, 閆桂珍 申請人:北京大學(xué)