專利名稱：一種微機械鎖存開關裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微機械領域，特別是關于一種微機械鎖存開關裝置。
背景技術：
微機械鎖存裝置廣泛用于汽車安全氣囊、貨物運輸、碰撞記錄以及火箭試驗、火控系統(tǒng)、引信等領域。由于其使用領域廣、需求數(shù)量大甚至涉及到設備和人身安全，所以微機械鎖存裝置的設計必須要具備低成本、高可靠性、高性能的特點。以MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微電子機械系統(tǒng))技術為基礎的微機械鎖存開關裝置由于采用了標準化的MEMS加工工藝，具有體積小、重量輕、成本低及易集成等優(yōu)點，適于大批量生產。其中，鎖存機構和接觸副設計是決定鎖存開關的兩個關鍵因素?，F(xiàn)有技術中，微機械開關主要通過電氣、磁力和機械三種方式實現(xiàn)鎖存，但電氣和磁力鎖存都容易受到電磁信號的干擾，導致穩(wěn)定性不可靠，電氣鎖存開關是一種有源器件，會給設備增加額外的功耗，磁力鎖存開關工藝過于復雜，成本偏高。機械鎖存開關一方面接觸電阻大，允許通過的電流較小，這樣就難以保證觸點的接觸可靠性；另一方面，鎖存后觸點如果受到檢測質量反彈或振動的影響，接觸點的可靠性就會降低；此外，上述三種開關多為非對稱結構，當受到橫向沖擊時難以保障可靠鎖存。因此，本申請人于2008年申請了 "一種微機械鎖存開關裝置"(申請?zhí)?00810225700. 5)，雖然避免了上述缺陷，但該開關上平面觸頭在慣性質量偏心運動(轉動)的影響下，可能會出現(xiàn)點接觸現(xiàn)象，影響接觸效果和可靠性。而且，目前報道的均為常開型微機械開關，常閉型微機械開關尚未有報道。按電氣原理，通過采取簡單的電路，可以將常開型開關改為常閉型開關使用，但是，這樣一來，開關就不再是一個純機械的器件，同樣會受到電磁干擾。

發(fā)明內容
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械鎖存開關裝置。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案一種微機械鎖存開關裝置，其特征在于它包括一襯底，一由動觸頭、位于所述動觸頭上方的頂觸頭、位于所述動觸頭下方兩側的兩側觸頭、頂觸頭撓性梁、動觸頭撓性梁、側觸頭撓性梁和與各對應錨點組成的常開通道，一由斷裂梁、支撐梁和與各對應錨點組成的常閉通道，一由檢測梁、檢測質量塊和與各對應錨點組成的敏感單元；各所述觸頭、撓性梁和錨點相對于所述襯底X軸對稱，各所述錨點固定連接在所述襯底上；所述動觸頭的頂部呈凸出的圓形弧面，所述頂觸頭與動觸頭的圓形弧面對應，設置呈內凹的圓形弧面；每一所述頂觸頭撓性梁的兩端分別連接一所述錨點的一側和所述頂觸頭的一側；每一所述動觸頭撓性梁的兩端分別連接所述動觸頭的一側和一所述錨點；每一所述側觸頭撓性梁兩端分別連接一所述錨點和一所述側觸頭；每一所述檢測撓性梁兩端分別連接所述慣性質量塊的一側和一所述錨點；每一側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觸頭反方向上的位移和所述檢測質量塊的平面轉動用的上限位器，分別設置在所述側觸頭撓性梁與檢測質量塊之間。 它還包括一對防止工作過程中所述檢測質量塊在非敏感縱向方向如橫向上受到
外界觸發(fā)而產生橫向移動用的的兩限位器，均卡設在所述檢測質量塊的下端。 本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、由于本發(fā)明設置了襯底、常開
通道、常閉通道和敏感單元，常開通道由動觸頭、頂觸頭、兩側觸頭、頂觸頭撓性梁、動觸頭
撓性梁、側觸頭撓性梁和與各對應錨點組成，常閉通道由斷裂梁、支撐梁和與各對應錨點組
成，敏感單元由檢測梁、檢測質量塊和與各對應錨點組成，且動觸頭與頂觸頭組成一柱面接
觸副，因此不僅結構簡單，同時可以增加接觸面積，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量偏心運動(轉動)的影響，動觸頭與頂觸頭的弧形接觸可以在慣
性質量偏心運動情況下仍保持面接觸，提高了開關工作的可靠性和穩(wěn)定性，而且常閉通道
處于導通狀態(tài)。2、由于本發(fā)明每一側的斷裂梁與支撐梁的連接處設置為一極薄弱的可斷
口 ，因此當檢測質量塊受到外界觸發(fā)達到一定值時，可斷口處可以斷開，此時不僅斷裂梁在
可斷口處也可以實現(xiàn)鎖存，而且常開開關也實現(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)明在兩側觸頭與檢測質量塊之
間設置有限位器，因此當慣性質量塊和側觸頭在敏感方向X軸上受到外界觸發(fā)時，可以防
止側觸頭在X軸復位過程中的正向振動，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)明在檢測質量塊的底端卡設有兩限位器，因此防止了工作過程中的慣性質量塊在
非敏感方向上受到外界觸發(fā)而產生橫向移動，進一步提高了開關的可靠性。6、由于本發(fā)明
的撓性梁全部采用線性變形梁，線性結構容易實現(xiàn)鎖存開關裝置的閾值設置，進而增強了
閾值設計的精確性。本發(fā)明性能高，可靠性高，并集常閉和常開功能于一體，可以廣泛應用
在微機電系統(tǒng)領域中。


圖1是本發(fā)明微機械鎖存開關裝置實施例的結構示意圖 圖2是本發(fā)明加速度開關斷口形狀示意圖一 圖3是本發(fā)明加速度開關斷口形狀示意圖二 圖4是本發(fā)明加速度開關斷口形狀示意圖三 圖5是本發(fā)明加速度開關實施例中的鎖存狀態(tài)示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。 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，常開通道包括一個頂觸頭2、一個動觸頭3、兩個側觸頭4、兩頂觸頭撓性梁5、兩動觸頭撓性梁6、兩側觸頭撓性梁7和與各自對應的錨點8。常閉通道包括兩斷裂梁9、兩支撐梁10和與各自對應的錨點8。敏感單元包括四檢測梁11、一檢測質量塊12和與各自對應的錨點8。各錨點8均固定連接在襯底1上，且各觸頭、撓性梁和錨點均相對于襯底IX軸對稱設置。在襯底1所在的平面內，定義上述的X軸沿上述平面的縱向方向，X軸的正向為沿上述平面的縱向向下方向，負向為沿上述平面的縱向向上方向；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位于動觸頭3的上方，兩側觸頭4分別位于動觸頭3的下方兩側。動觸頭3的頂部呈凸出的圓形弧面，頂觸頭2與動觸頭3的圓形弧面對應，設置呈內凹的圓形弧面，使頂觸頭2與動觸頭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，另一端連接一錨點8的一側，該錨點8可以限制頂觸頭2的X軸負向上的位移，以縮短其在受到沖擊時的復位時間，保證與動觸頭3的可靠接觸。每一根動觸頭撓性梁6的一端連接動觸頭3的一側，另一端連接一錨點8，該錨點8可以限制側觸頭4向兩側的位移，以保證在動觸頭3越過側觸頭4時快速復位，可靠鎖存。每一根側觸頭撓性梁7的一端連接一個側觸頭4，另一端連接一個錨點8，該錨點8位于檢測質量塊12中間，可以限制檢測質量塊12在敏感方向，即X軸方向上的位移，保護檢測梁11和動觸頭撓性梁6等非斷裂梁不被破壞。上述動觸頭3與頂觸頭2和側觸頭4均采用相互獨立的多觸點接觸方式，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。其中的側觸頭3、側觸頭撓性梁7和與側觸頭撓性梁7連接的錨點8組成一鎖存機構。 本發(fā)明常閉通道中，兩斷裂梁9與兩動觸頭撓性梁6平行，且兩斷裂梁9分別固定連接在動觸頭3的兩側。每一側的斷裂梁9與支撐梁10的連接處為一極薄弱的可斷口 13，當檢測質量塊12受到外界觸發(fā)達到一定值時，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的一端連接慣性質量塊12的一側，另一端連接一錨點8。 上述實施例中，本發(fā)明還可以包括一對上限位器14，分別設置在側觸頭撓性梁7與檢測質量塊12之間，用于限制側觸頭4反方向上的位移和檢測質量塊12的平面轉動。
上述各實施例中，為了防止工作過程中的檢測質量塊5在非敏感方向，即Y軸方向上受到外界觸發(fā)而產生橫向移動，本發(fā)明設置了兩下限位器15，兩下限位器15均卡設在檢測質量塊12的底端。 上述各實施例中，襯底1可以采用硅、玻璃或二氧化硅等材料制成，錨點、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置，這樣可以增加本發(fā)明微機械加速度鎖存開關的精確性，同時也減小了加工難度。 本發(fā)明使用時，如果檢測質量塊12未受到任何外界觸發(fā)，此時常閉通道處于導通狀態(tài)，常開通道中的頂觸頭2、動觸頭3、側觸頭4、檢測質量塊12之間是相互分離的，各相應撓性梁沒有形變。當檢測質量塊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)原因大于或等于設定的鎖存閾值時，動觸頭3推動頂觸頭2沿X軸縱向移動的同時推動側觸頭4向兩側打開并越過側觸頭4，側觸頭4在側觸頭撓性梁7的作用下復位并阻止動觸頭3復位，從而實現(xiàn)鎖存；同時，斷裂梁9在可斷口 13處斷裂并被鎖存機構鎖存。當外界觸發(fā)原因減小至小于鎖存閾值時，動觸頭3與頂觸頭2和側觸頭4同時保持接觸，檢測質量塊12與動觸頭3分離。下面通過一具體實施例對本發(fā)明的工作原理進行進一步說明。
當檢測質量塊12為慣性質量塊，慣性質量塊用來敏感物體的加速度，此時本發(fā)明開關裝置為一加速度開關，加速度開關的鎖存閾值是根據(jù)使用要求預先設定好的，其工作情況如下 如圖1所示，在沒有外來施力觸發(fā)慣性質量塊產生加速度的情況下，慣性質量塊、頂觸頭2、動觸頭3、側觸頭4之間是相互分離的，此時，常閉通道處于導通狀態(tài)。當襯底1受到敏感方向X軸正向的加速度時，由于慣性，慣性質量塊將相對于襯底1敏感方向X軸負向運動。在加速度作用下，慣性質量塊推動動觸頭3敏感方向X軸負向運動，動觸頭3推動頂觸頭2敏感方向X軸負向移動的同時推動側觸頭4向兩側打開。此時，動觸頭3與慣性質量塊、頂觸頭2、側觸頭4同時接觸，在此過程中，動觸頭2至少與頂觸頭1和側觸頭4之一保持接觸。當加速度達到設定的鎖存閾值時，動觸頭3繼續(xù)敏感方向X軸負向運動、越過側觸頭4。此時，常閉通道的斷裂梁9在可斷口 13處斷裂，隨后，側觸頭4在側觸頭撓性梁7的彈性力作用下復位并阻止動觸頭3復位，此時，本發(fā)明加速度開關實現(xiàn)鎖存，常開通道的各觸頭和常閉通道的斷裂梁9均被鎖存機構鎖存，從而實現(xiàn)兩個通道開/關狀態(tài)的切換。如圖5所示，當加速度下降到小于設定的鎖存閾值時，動觸頭3與側觸頭4和頂觸頭2同時保持接觸從而實現(xiàn)側觸頭4和頂觸頭2與動觸頭3的多點接觸，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處斷裂并被鎖存機構鎖存，以保證可靠斷開。此外，慣性質量塊與常開通道的動觸頭3分離，各觸頭以及常閉通道不再受慣性質量塊的振動、反彈等的影響，從而進一步提高了接觸的可靠性。 上述各實施例中，各部件的結構、設置位置、及其連接都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術方案的基礎上，對個別部件進行的改進和等同變換，不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權利要求
一種微機械鎖存開關裝置，其特征在于它包括一襯底，一由動觸頭、位于所述動觸頭上方的頂觸頭、位于所述動觸頭下方兩側的兩側觸頭、頂觸頭撓性梁、動觸頭撓性梁、側觸頭撓性梁和與各對應錨點組成的常開通道，一由斷裂梁、支撐梁和與各對應錨點組成的常閉通道，一由檢測梁、檢測質量塊和與各對應錨點組成的敏感單元；各所述觸頭、撓性梁和錨點相對于所述襯底X軸對稱，各所述錨點固定連接在所述襯底上；所述動觸頭的頂部呈凸出的圓形弧面，所述頂觸頭與動觸頭的圓形弧面對應，設置呈內凹的圓形弧面；每一所述頂觸頭撓性梁的兩端分別連接一所述錨點的一側和所述頂觸頭的一側；每一所述動觸頭撓性梁的兩端分別連接所述動觸頭的一側和一所述錨點；每一所述側觸頭撓性梁兩端分別連接一所述錨點和一所述側觸頭；每一所述檢測撓性梁兩端分別連接所述慣性質量塊的一側和一所述錨點；每一側的所述斷裂梁與支撐梁的連接處為一極薄弱的可斷口。
2. 如權利要求1所述的一種微機械鎖存開關裝置，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. 如權利要求1所述的一種微機械鎖存開關裝置，其特征在于它還包括一對限制所 述側觸頭反方向上的位移和所述檢測質量塊的平面轉動用的上限位器，分別設置在所述側 觸頭撓性梁與檢測質量塊之間。
4. 如權利要求1或2所述的一種微機械鎖存開關裝置，其特征在于它還包括一對防 止工作過程中所述檢測質量塊在非敏感縱向方向如橫向上受到外界觸發(fā)而產生橫向移動 用的的兩限位器，均卡設在所述檢測質量塊的下端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機械鎖存開關裝置，它包括襯底，一由動觸頭、位于動觸頭上方的頂觸頭、位于動觸頭下方兩側的兩側觸頭、頂觸頭撓性梁、動觸頭撓性梁、側觸頭撓性梁和與各對應錨點組成的常開通道，一由斷裂梁、支撐梁和與各對應錨點組成的常閉通道，一由檢測梁、檢測質量塊和與各對應錨點組成的敏感單元；動觸頭的頂部呈凸出的圓形弧面，頂觸頭與動觸頭的圓形弧面對應，設置呈內凹的圓形弧面；各頂觸頭撓性梁的兩端分別連接錨點的一側和頂觸頭的一側；各動觸頭撓性梁的兩端分別連接動觸頭的一側和錨點；各側觸頭撓性梁兩端分別連接錨點和一側觸頭；各檢測撓性梁兩端分別連接慣性質量塊的一側和錨點；每一側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，可以廣泛應用在微機電系統(tǒng)領域中。
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