加速度開關及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種加速度開關及其控制方法。加速度開關包括：固定電極、第一信號線、第二信號線、控制線和絕緣襯底，固定電極、第一信號線、第二信號線和控制線均設置在絕緣襯底上；加速度開關還包括：質量塊，質量塊具有平衡位置和觸碰位置；質量塊在平衡位置與絕緣襯底之間具有間隙；加速度開關還包括：信號觸點和可動電極，信號觸點和可動電極設置在質量塊上；當質量塊位于觸碰位置時，第一信號線通過信號觸點與第二信號線連接，控制線與可動電極連接，控制線用于向可動電極施加與固定電極相反的電荷以使質量塊鎖定在觸碰位置。在監測加速度信號的過程中，不需要始終保持靜電力的作用，可在有環境電磁場干擾的情況下，正確地感知加速度信號。
【專利說明】加速度開關及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微機械傳感器領域，特別是涉及一種加速度開關及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統）技術的發展，以 MEMS技術為基礎的鎖存式微型加速度開關由于具有體積小、質量輕、成本低、功耗低等顯著 優點，在汽車安全氣囊、運輸過程監控、沖擊記錄、引信安全保險機構等領域有著廣泛且重 要的應用需求。
[0003] 現有技術中的鎖存式微型加速度開關主要通過機械、雙穩態和液態三種方式實 現。但機械與液態鎖存式開關解鎖結構復雜，故多為一次性開關，不能反復利用；雙穩態鎖 存式開關只有特定結構才能產生雙穩態特性，導致結構設計欠靈活且MEMS加工難實現。因 此，一種設計加工實現相對簡單，同時還可反復利用的鎖存式微型加速度開關成為了發展 的必然趨勢。
[0004] 靜電力作用可使結構保持閉合狀態，但現有技術中的基于靜電吸合效應的微型加 速度開關主要側重于實現對開關閾值的調控，且該開關均采用壓迫式接觸結構。
[0005] 如圖1所示，現有技術中的壓迫式接觸結構的結構示意圖，其中A為壓迫式接觸結 構，14為硅，15為玻璃，16為硅上金屬，17為玻璃上金屬。請參考圖1，通過鍵合玻璃上的金 屬壓焊盤將硅結構上的信號引出，解決鍵合技術中硅結構引線困難的問題，其基本原理如 下：在硅加工過程中，結構被沉積一層金屬并合金化，形成良好的歐姆接觸，然后該部分在 鍵合工藝中壓在玻璃上的金屬層上，從而形成從硅結構到玻璃上壓焊盤的電學通路。基于 靜電吸合理論，通過改變該結構電容極板上的偏置電壓，可改變開關結構上的靜電力作用， 進而改變信號觸點與信號線間的初始間距，最終實現對開關閾值加速度的調節，并使其具 有鎖存功能。但該開關在監測加速度信號過程中，將始終保持靜電力作用，在有環境電磁場 干擾的情況下，無法正確感知加速度信號。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種加速度開關及其控制方法，以解決現有技術中的靜電鎖 存式加速度開關在有環境電磁場干擾的情況下，無法正確感知加速度信號的問題。
[0007] 為解決上述技術問題，作為本發明的第一方面，提供了一種加速度開關，包括：固 定電極、第一信號線、第二信號線、控制線和絕緣襯底，固定電極、第一信號線、第二信號線 和控制線均設置在絕緣襯底上；加速度開關還包括：質量塊，質量塊具有平衡位置和觸碰 位置；質量塊在平衡位置與絕緣襯底之間具有間隙；加速度開關還包括：信號觸點和可動 電極，信號觸點和可動電極設置在質量塊上；當質量塊位于觸碰位置時，第一信號線通過信 號觸點與第二信號線連接，控制線與可動電極連接，控制線用于向可動電極施加與固定電 極相反的電荷以使質量塊鎖定在觸碰位置。
[0008] 進一步地，加速度開關還包括：彈性元件，彈性元件在控制線斷電時使質量塊由觸 碰位置回復到平衡位置。
[0009] 進一步地，彈性元件為多個，多個彈性元件沿質量塊的周向均勻布置。
[0010] 進一步地，彈性元件為折疊梁，折疊梁包括多個長梁和多個短梁，相鄰兩個長梁之 間通過一個短梁連接，多個長梁平行地設置。
[0011] 進一步地，短梁具有直線或弧形結構。
[0012] 進一步地，加速度開關還包括安裝在絕緣襯底上的錨塊，彈性元件的一端與錨塊 連接，另一端與質量塊連接。
[0013] 進一步地，加速度開關還包括：控制觸點，當質量塊位于觸碰位置時，控制線通過 控制觸點與可動電極連接。
[0014] 作為本發明的第二方面，提供了一種加速度開關的控制方法，包括：在質量塊上設 置可動電極；在絕緣襯底上設置固定電極；當質量塊在加速度作用下位于觸碰位置時，向 可動電極施加與固定電極相反的電荷，以使質量塊鎖存在觸碰狀態。
[0015] 進一步地，在絕緣襯底上設置控制線，在質量塊上設置控制觸點；當質量塊位于觸 碰位置時，可動電極通過控制觸點與控制線導通，通過控制線向可動電極施加電荷。
[0016] 進一步地，將彈性元件的一端與絕緣襯底連接，另一端與質量塊連接；彈性元件在 控制線斷電時使質量塊由觸碰位置回復到平衡位置。
[0017] 本發明通過在觸碰的過程中，向固定電極和可動電極施加相反電性的電荷，使其 保持在鎖存狀態。在監測加速度信號的過程中，不需要始終保持靜電力的作用，可在有環境 電磁場干擾的情況下，正確地感知加速度信號，具有結構簡單、制作容易、可反復多次使用 的特點，可廣泛應用在微機電系統領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1示意性出了現有技術中的壓迫式接觸結構的結構示意圖；
[0019] 圖2示意性出了本發明的整體結構示意圖；
[0020] 圖3示意性出了本發明的固定結構部分示意圖；
[0021] 圖4示意性出了本發明的可動結構部分示意圖；以及
[0022] 圖5示意性出了本發明的具有柔性觸點的可動結構部分示意圖。
[0023] 圖中附圖標記：1、固定電極；2、第一信號線；3、第二信號線；4、控制線；5、絕緣襯 底；6、質量塊；7、信號觸點；8、可動電極；9、彈性元件；10、長梁；11、短梁；12、錨塊；13、控 制觸點；14、硅；15、玻璃；16、硅上金屬；17、玻璃上金屬；A、壓迫式接觸結構。
【具體實施方式】
[0024] 以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定 和覆蓋的多種不同方式實施。
[0025] 作為本發明的第一方面，提供了一種加速度開關，特別是一種靜電鎖存式微型加 速度開關，其可利用閉合瞬態的靜電力作用實現鎖存。如圖2至圖5所示，該加速度開關包 括：固定電極1、第一信號線2、第二信號線3、控制線4和絕緣襯底5,固定電極1、第一信號 線2、第二信號線3和控制線4均設置在絕緣襯底5上。
[0026] 加速度開關還包括：質量塊6,質量塊6具有平衡位置和觸碰位置；質量塊6在平 衡位置與絕緣襯底5之間具有間隙(例如，質量塊6在平衡位置時，懸空地設置在絕緣襯底 5上)。
[0027] 加速度開關還包括：信號觸點7和可動電極8,信號觸點7和可動電極8設置在質 量塊6上，特別地，信號觸點7位于與第一信號線2和第二信號線3的兩個端部相對應的位 置處，進一步地，還可位于質量塊6的上方。
[0028] 當質量塊6位于觸碰位置時，第一信號線2通過信號觸點7與第二信號線3連接， 控制線4與可動電極8連接，控制線4用于向可動電極8施加與固定電極1相反的電荷以 使質量塊6鎖定在觸碰位置。
[0029] 特別地，控制線4與固定電極1位于質量塊6的上方。優選地，第一信號線2、第二 信號線3、控制線4與固定電極1可以是在絕緣襯底5上直接濺射或電鍍金、鋁、銅等金屬 材料形成的，特別地，其由一系列線條組成，在一個優選的實施例中，線條尺寸不小于10微 米X 10微米，高度一般在500-2000埃。優選地，質量塊6可以是通過體硅工藝形成的，例 如可為長方體結構，在一個優選的實施例中，質量塊6長500-5000微米、寬500-5000微米、 高10-450微米。顯然，本發明中的上述部件的尺寸并不局限于上述優選實施例中所列舉的 尺寸。
[0030] 在一個優選的實施例中，可動電極8可以是通過濺射或電鍍金、鋁、銅等金屬材料 形成的由一系列線條組成的不規則結構，優選地，線條尺寸不小于10微米X 10微米，高度 一般在500-2000埃，與固定電極1之間具有2-100微米的間隙。顯然，本發明中的可動電 極8的尺寸并不局限于上述優選實施例中所列舉的尺寸。
[0031] 當在本發明中的加速度開關的敏感方向（即為絕緣襯底5的表面法向方向)上作用 足夠大的加速度后，信號觸點7將與第一信號線2、第二信號線3接觸，使得第一信號線2和 第二信號線3的端頭連接，從而實現外電路的導通。同時，控制線4與可動電極8導通，此時 便可通過控制線4向可動電極8施加與固定電極1相反的電荷，從而使可動電極8與固定 電極1之間形成電容結構，產生足夠大的靜電力作用，使得加速度開關保持在閉合狀態（即 質量塊6鎖定在觸碰位置)。當靜電力撤銷后(例如，停止向控制線4供電)，加速度開關又 可回復到初始的斷開狀態，以監測下一次的加速度信號。
[0032] 因此，本發明在監測加速度信號的過程中，不需要始終保持靜電力的作用，可在有 環境電磁場干擾的情況下，正確地感知加速度信號，具有結構簡單、制作容易、可反復多次 使用的特點，可廣泛應用在微機電系統領域。
[0033] 優選地，請參考圖2、圖4和圖5,加速度開關還包括：彈性元件9,彈性元件9在控 制線4斷電時使質量塊6由觸碰位置回復到平衡位置。在一個實施例中，彈性元件9為多 個，多個彈性元件9沿質量塊6的周向均勻布置。顯然，彈性元件也可以采用懸臂式等其它 結構來固定質量塊6。
[0034] 在圖4和圖5所示的實施例中，彈性元件9的個數為四個，分別位于質量塊6的四 周，且這四個彈性元件9處于懸空狀態。在其它的實施例中，彈性元件9的個數也可以為兩 個、三個、五個或更多。
[0035] 優選地，請參考圖2、圖4和圖5,彈性元件9為折疊梁，折疊梁包括多個長梁10和 多個短梁11，相鄰兩個長梁10之間通過一個短梁11連接，多個長梁10平行地設置。優選 地，短梁11具有直線或弧形結構。
[0036] 在一個實施例中，折疊梁是通過體硅工藝形成的，為一折或多折結構，以實現在敏 感方向上具有較低彈性系數，分辨率高；在非敏感方向上具有較高彈性系數，交叉靈敏度 低。優選地，其長梁10長100-3000微米、連接長梁10間的短梁11長10-300微米，進一步 地，梁寬5-100微米、梁厚5-100微米。顯然，折疊梁及其長梁10和短梁11的尺寸并不限 于上述實施例中的尺寸，還可以是其它尺寸。
[0037] 優選地，請參考圖2、圖4和圖5,加速度開關還包括安裝在絕緣襯底5上的錨塊 12,彈性元件9的一端與錨塊12連接，另一端與質量塊6連接。特別地，錨塊12固定在絕 緣襯底5上，且分布于質量塊6的周圍，并分別通過懸空的彈性元件9 (例如折疊梁等）與 質量塊6連接。在一個優選的實施例中，錨塊12可以是通過體硅工藝形成的長方體結構， 優選地，其截面積不小于200微米X 200微米、高15-500微米，通過鍵合工藝被固定在絕緣 襯底5上。
[0038] 優選地，請參考圖2、圖4和圖5,加速度開關還包括：控制觸點13,當質量塊6位 于觸碰位置時，控制線4通過控制觸點13與可動電極8連接。優選地，控制觸點13與信號 觸點7的高度一致，且位于控制線4端頭的正下方，并與其之間存在間隙。特別地，可動電 極8固定在質量塊6上，與控制觸點13電學連接，位于固定電極1的正下方，并與其之間有 間隙。
[0039] 本發明中控制觸點13與信號觸點7的高度一致，構成了同步接觸結構，保證了在 本發明中的加速度開關導通的同時，可動電極8與固定電極1之間產生足夠大的靜電力形 成靜電鎖存，維持加速度開關處于閉合狀態。該結構可使得該加速度開關保持了機械開關 在敏感加速度過程中不受電磁場干擾的優點，且通過調節可動電極8與固定電極1之間施 加的電壓能靈活控制加速度開關的鎖存與解鎖，滿足多次重復使用的目的。
[0040] 在一個優選的實施例中，信號觸點7與控制觸點13是通過深硅刻蝕技術與濺射 金、鋁、銅等金屬材料相結合的形式形成的長方體結構，也可通過電鍍鎳、銅等金屬形成。特 別地，這兩種觸點的高度相等，均具有導電性，例如，尺寸一般可以為：長10-300微米、寬 10-300微米、高1-50微米。優選地，信號觸點7截面需大于第一信號線2、第二信號線3的 端頭間的尺寸。優選地，信號觸點7與第一信號線2、第二信號線3的端頭之間、控制觸點 13與控制線4的端頭之間的間隙一致，例如一般可以為1-50微米。
[0041] 在一個優選的實施例中，絕緣襯底5的尺寸可以為：長5000微米、寬5000微米、高 50-500微米。優選地，第一信號線2、第二信號線3、控制線4與固定電極1的高可以為1000 埃。優選地，質量塊6為尺寸可以是2000微米X 2000微米X 30微米的長方體。折疊梁為 多折結構、梁寬30微米、厚30微米、長梁10長1500微米、短梁11長50微米。信號觸點7 與控制觸點13為長方體，例如，長可為50微米、寬可為50微米、高可為20微米。可動電極 8的高可為1000埃。錨塊12的長可為500微米、寬可為300微米、高可為55微米。信號觸 點7與第一信號線2、第二信號線3之間的間隙可為5微米。控制觸點13與控制線4之間 的間隙可為5微米。固定電極1與可動電極8之間的間隙可為25微米。
[0042] 在上述實施例中，絕緣襯底5可以是石英、玻璃或長有電介質的硅等襯底材料。第 一信號線2、第二信號線3、控制線4、固定電極1與可動電極8可采用金、鋁、銅等材料制成。 質量塊6、彈性元件9、信號觸點7、控制觸點13和錨塊12均可采用硅等材料制成，其中信號 觸點7和控制觸點13可通過在硅上制作金、鋁、銅等材料以保證其導電性。
[0043] 特別地，上述實施例中，信號觸點7和控制觸點13還可在已有結構基礎上通過氟 化氙硅刻蝕工藝、表面犧牲層工藝等加工手段制作成柔性觸點結構，利用結構的彈性形變 克服因刻蝕均勻性造成的同步接觸結構間的高度誤差。
[0044] 特別地，可將外信號電路的兩極分別與第一信號線2、第二信號線3連接，外控制 電路的兩極分別與控制線4和固定電極1連接。當本發明中的加速度開關在其敏感方向 (這里為絕緣襯底5的表面法向方向）上受到外界足夠大的加速度作用后，質量塊6在慣性 力和彈性元件9的彈性力的共同作用下，向絕緣襯底5運動，信號觸點7隨著質量塊6的運 動與第一信號線2、第二信號線3接觸，同時控制觸點13與控制線4接觸。此時，外控制電 路向可動電極8和固定電極1分別施加相反的電荷，從而使二者之間形成電容，產生足夠大 的靜電力，使得信號觸點7與第一信號線2、第二信號線3保持接觸，以保證加速度開關維持 閉合狀態。隨后降低外控制電路施加在可動電極8和固定電極1上的電壓，當靜電力不足 以維持鎖存狀態，質量塊6被彈性元件9拉回到初始的平衡位置，信號觸點7與第一信號線 2、第二信號線3分離，加速度開關回復到斷開狀態。
[0045] 作為本發明的第二方面，請參考圖2至圖5,提供了一種加速度開關的控制方法， 包括：在質量塊6上設置可動電極8 ;在絕緣襯底5上設置固定電極1 ;當質量塊6在加速 度作用下位于觸碰位置時，向可動電極8施加與固定電極1相反的電荷，以使質量塊6鎖存 在觸碰狀態。特別地，該觸碰位置可以是指質量塊6與絕緣襯底5直接或間接觸碰的位置， 例如，在質量塊6與絕緣襯底5之間發生間接觸碰時，可指質量塊6上的可動電極8與絕緣 襯底5上的固定電極1間隔設置形成電容結構的情況。
[0046] 當加速度開關在其敏感方向上受到外界足夠大的加速度作用后，質量塊6在慣性 力的作用下，向絕緣襯底5運動并到達觸碰位置。此時，外控制電路向可動電極8和固定電 極1分別施加相反的電荷，從而使二者之間形成電容，產生足夠大的靜電力，以實現鎖存的 功能。隨后降低外控制電路的施加在可動電極8和固定電極1上的電壓，當靜電力不足以 維持鎖存狀態，質量塊6回復到初始的平衡位置，加速度開關也相應地回復到斷開狀態。
[0047] 優選地，在絕緣襯底5上設置控制線4,在質量塊6上設置控制觸點13 ;當質量塊 6位于觸碰位置時，可動電極8通過控制觸點13與控制線4導通，通過控制線4向可動電極 8施加電荷。
[0048] 優選地，將彈性元件9的一端與絕緣襯底5 (特別是安裝在絕緣襯底5上的錨塊 12)連接，另一端與質量塊6連接；彈性元件9在控制線4斷電時使質量塊6由觸碰位置回 復到平衡位置。
[0049] 以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技 術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種加速度開關，其特征在于，包括：固定電極（1)、第一信號線（2)、第二信號線 (3) 、控制線（4)和絕緣襯底（5)，所述固定電極（1)、第一信號線（2)、第二信號線（3)和控制 線（4)均設置在所述絕緣襯底（5)上； 所述加速度開關還包括：質量塊（6)，所述質量塊（6)具有平衡位置和觸碰位置；所述 質量塊（6)在所述平衡位置與所述絕緣襯底（5)之間具有間隙； 所述加速度開關還包括：信號觸點（7)和可動電極（8)，所述信號觸點（7)和可動電極 (8)設置在所述質量塊（6)上； 當所述質量塊（6)位于所述觸碰位置時，所述第一信號線（2)通過所述信號觸點（7)與 所述第二信號線（3)連接，所述控制線（4)與所述可動電極（8)連接，所述控制線（4)用于 向所述可動電極（8)施加與所述固定電極（1)相反的電荷以使所述質量塊（6)鎖定在所述 觸碰位置。
2. 根據權利要求1所述的加速度開關，其特征在于，所述加速度開關還包括： 彈性元件（9)，所述彈性元件（9)在所述控制線（4)斷電時使所述質量塊（6)由所述觸 碰位置回復到所述平衡位置。
3. 根據權利要求2所述的加速度開關，其特征在于，所述彈性元件（9)為多個，所述多 個彈性元件（9)沿所述質量塊（6)的周向均勻布置。
4. 根據權利要求2所述的加速度開關，其特征在于，所述彈性元件（9)為折疊梁，所述 折疊梁包括多個長梁（10)和多個短梁（11 )，相鄰兩個所述長梁（10)之間通過一個所述短 梁（11)連接，所述多個長梁（10 )平行地設置。
5. 根據權利要求4所述的加速度開關，其特征在于，所述短梁（11)具有直線或弧形結構。
6. 根據權利要求2所述的加速度開關，其特征在于，所述加速度開關還包括安裝在所 述絕緣襯底（5)上的錨塊（12)，所述彈性元件（9)的一端與所述錨塊（12)連接，另一端與所 述質量塊（6)連接。
7. 根據權利要求1所述的加速度開關，其特征在于，所述加速度開關還包括：控制觸點 (13)，當所述質量塊（6)位于所述觸碰位置時，所述控制線（4)通過所述控制觸點（13)與所 述可動電極（8)連接。
8. -種加速度開關的控制方法，其特征在于，包括： 在質量塊（6)上設置可動電極（8); 在絕緣襯底（5)上設置固定電極（1); 當所述質量塊（6 )位于觸碰位置時，向所述可動電極（8 )施加與所述固定電極（1)相反 的電荷，以使所述質量塊（6)鎖存在觸碰狀態。
9. 根據權利要求8所述的控制方法，其特征在于，在所述絕緣襯底（5)上設置控制線 (4) ，在所述質量塊（6)上設置控制觸點（13); 當所述質量塊（6)位于所述觸碰位置時，所述可動電極（8)通過所述控制觸點（13)與 所述控制線（4 )導通，通過所述控制線（4 )向所述可動電極（8 )施加所述電荷。
10. 根據權利要求8所述的控制方法，其特征在于，將彈性元件（9)的一端與所述絕緣 襯底（5 )連接，另一端與所述質量塊（6 )連接； 所述彈性元件（9)在所述控制線（4)斷電時使所述質量塊（6)由所述觸碰位置回復到 平衡位置。
【文檔編號】H01H35/14GK104143473SQ201310162834
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月6日 優先權日:2013年5月6日
【發明者】傅劍宇, 吳迪, 王國胤 申請人:重慶綠色智能技術研究院