阈值可调的MEMS惯性开关

摘要

本发明提供了一种阈值可调的MEMS惯性开关，包括：感应上电极，被配置为在惯性的作用下向感应下电极的方向移动，与感应下电极接触时，形成脉冲感应信号；感应下电极，被配置为与壳体固定设置，与感应上电极接触时，形成脉冲感应信号；电磁吸合装置，被配置为通入电流后产生磁场，所述磁场对所述感应上电极产生朝向感应下电极的作用力，所述磁场的强度和方向随着通入电流变化而变化。

说明书

技术领域

本发明涉及惯性开关技术领域，特别涉及一种阈值可调的MEMS惯性开关。

背景技术

在航空航天、汽车工业、惯性导航、弹药安全与控制系统、汽车检测、鱼雷控制等领域中，各种新技术不断涌现，各类检测控制装备都朝着微型化、低能耗和智能化的方向发展。在这种形势下就要求所使用的传感元件和致动元件既要满足微型化的要求，又要提供可靠的稳定性。基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的微惯性元件正是基于上述原因应运而生，充分发挥其微小、灵活和智能化的优势。

微机电系统(MEMS，Micro-Electro Mechanical System)是一种通过体硅刻蚀、大规模集成电路等技术，将电子和机械器件集成到一起，形成包含信息传感、数据处理、执行机构及其他微器件的集成系统，具有微型化、集成化、多学科交叉、能批量生产等特点。现有通过MEMS工艺生产的机械开关，其典型特点是无需外部供电，常态时处于关断状态，工作时通过内部机械结构的惯性碰撞接触实现信号的导通。

惯性开关，也称为g值开关、阈值传感器等，它将传感与执行融为一体，用于感知加速度信号，是在超过阈值加速度作用下执行开关动作、触发电信号的精密惯性器件，具有结构简单、体积小、重量轻等鲜明特征。

现有惯性开关的结构决定了无论是传统机械惯性开关还是基于MEMS工艺的无源惯性开关，都属于无源惯性开关范畴，惯性开关只能采取定性的检测结论以判断获取到加速度或加速度方向，不能定量分析加速度的值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阈值可调的MEMS惯性开关，以解决现有的MEMS惯性开关不能定量分析加速度的值的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种阈值可调的MEMS惯性开关，包括：

感应上电极，被配置为在惯性的作用下向感应下电极的方向移动，与感应下电极接触时，形成脉冲感应信号；

感应下电极，被配置为与壳体固定设置，与感应上电极接触时，形成脉冲感应信号；

电磁吸合装置，被配置为通入电流后产生磁场，所述磁场对所述感应上电极产生朝向感应下电极的作用力，所述磁场的强度和方向随着通入电流变化而变化。

可选的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述壳体包括绝缘衬底。

可选的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述感应下电极包括外环支撑装置及内环固定电极，其中：

所述内环固定电极被包围在所述外环支撑装置中，所述内环固定电极与所述外环支撑装置之间具有间隙；

所述外环支撑装置的顶面与绝缘衬底平行，第一引脚电极由所述外环支撑装置的外侧面引出；

所述内环固定电极的顶面与绝缘衬底平行，第二引脚电极由所述内环固定电极的外侧面引出；

所述外环支撑装置为带有开口的环状，所述第二引脚电极由所述外环支撑装置的开口处延伸至所述外环支撑装置的环外侧。

可选的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述电磁吸合装置包括产磁线圈；

所述产磁线圈包括多个同心环状导电部件，所述多个同心环状导电部件均被包围在所述内环固定电极中，所述多个同心环状导电部件之间具有间隙；

所述产磁线圈的顶面与所述绝缘衬底平行，所述产磁线圈相对于所述绝缘衬底的高度小于所述内环固定电极相对于所述绝缘衬底的高度。

可选的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述电磁吸合装置还包括第三引脚电极和第四引脚电极；

所述第三引脚电极和所述第四引脚电极的高度等于所述产磁线圈的高度；

所述多个同心环状导电部件环绕一圈后，并联连接在第三引脚电极和第四引脚电极之间；

所述内环固定电极为带有开口的环状，所述外环支撑装置的开口的中心线与所述内环固定电极的开口的中心线对齐；

所述第三引脚电极和所述第四引脚电极由所述内环固定电极的开口处延伸至所述内环固定电极的环外侧，且由所述外环支撑装置的开口处延伸至所述外环支撑装置的环外侧。

可选的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述第三引脚电极及所述第四引脚电极包括连接部件、引出部件和电极部件，其中：

所述连接部件位于内环固定电极的环内，连接所述多个同心环状导电部件，所述连接部件靠近内环固定电极的一端的宽度大于远离内环固定电极的一端的宽度；

所述引出部件为细长杆状，连接所述连接部件和所述电极部件，所述电极部件位于所述外环支撑装置的环外侧；

所述第一引脚电极、所述第二引脚电极、所述第三引脚电极及所述第四引脚电极的引出部件均平行。

可选的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述外环支撑装置、内环固定电极及所述多个同心环状导电部件均固定于所述绝缘衬底上。

可选的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述感应上电极包括圆片移动电极、弹簧固定支架及连体蛇形弹簧，其中：

所述圆片移动电极与所述连体蛇形弹簧相连，所述连体蛇形弹簧连接所述弹簧固定支架，以使所述圆片移动电极悬空在产磁线圈与内环固定电极之上；

所述弹簧固定支架的形状、直径及宽度与所述外环支撑装置相同，固定在所述外环支撑装置上。

可选的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，第一引脚电极通入感应信号，感应信号的耦合通路由外环支撑装置、弹簧固定支架、连体蛇形弹簧及圆片移动电极组成；

当感应上电极与感应下电极接触瞬间，感应信号由圆片移动电极耦合至内环固定电极、以及第二引脚电极，由第二引脚电极捕获到的脉冲感应信号发送至后级检测电路。

可选的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述圆片移动电极的半径为150～3000微米，圆片移动电极的高为10～450微米；

所述多个同心环状导电部件的最外圈半径为200～3000微米，每个同心环状导电部件的宽度为3-30um，每个同心环状导电部件的厚度为2-30um，同心环状导电部件的数量为10-1000个；

所述连体蛇形弹簧的线宽为6～90微米，所述连体蛇形弹簧的厚度为6～90微米，所述连体蛇形弹簧的拐角处半圆内径为10～100微米；

所述绝缘衬底的材料为石英或玻璃，所述绝缘衬底的厚度为0.1～2毫米；

所述弹簧固定支架通过电镀金属形成，所述弹簧固定支座的外环半径为200～3300微米，所述弹簧固定支架的环宽为20～1000微米，所述弹簧固定支架的厚度为15～300微米。

在本发明提供的阈值可调的MEMS惯性开关中，通过感应上电极在惯性的作用下向感应下电极的方向移动，与感应下电极接触时，形成脉冲感应信号，感应下电极与感应上电极接触时，形成脉冲感应信号，电磁吸合装置通入电流后产生磁场，所述磁场对所述感应上电极产生朝向感应下电极的作用力，所述磁场的强度和方向随着通入电流变化而变化，实现了通过调节通过电磁吸合装置的电流的大小，产生不同大小的磁力，从而调节惯性开关的阈值加速度，另外电流较大时能够实现吸和效果，可以使惯性开关的信号捕获更加稳定可靠。

现有的惯性开关阈值不易精确控制，而本发明采用非常简单的结构和控制方式，在无需增加惯性开关结构尺寸、改变外轮廓、增加复杂度的情况下，增加了控制阈值的结构和方法，实现了惯性开关的阈值可调，具有成本低、容易实现的效果。

附图说明

图1是本发明一实施例阈值可调的MEMS惯性开关整体示意图；

图2是本发明一实施例阈值可调的MEMS惯性开关感应下电极示意图；

图3是本发明一实施例阈值可调的MEMS惯性开关感应上电极示意图；

图4是本发明一实施例阈值可调的MEMS惯性开关产磁线圈示意图；

图5是本发明一实施例阈值可调的MEMS惯性开关连体蛇形弹簧示意图；

图中所示：10-感应上电极；11-圆片移动电极；12-弹簧固定支架；13-连体蛇形弹簧；20-感应下电极；21-外环支撑装置；22-内环固定电极；23-第一引脚电极；24-第二引脚电极；30-绝缘衬底；40-产磁线圈；41-同心环状导电部件；42-第三引脚电极；43-第四引脚电极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的阈值可调的MEMS惯性开关作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

本发明的核心思想在于提供一种阈值可调的MEMS惯性开关，以解决现有的MEMS惯性开关不能定量分析加速度的值的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种阈值可调的MEMS惯性开关，包括：感应上电极，被配置为在惯性的作用下向感应下电极的方向移动，与感应下电极接触时，形成脉冲感应信号；感应下电极，被配置为与壳体固定设置，与感应上电极接触时，形成脉冲感应信号；电磁吸合装置，被配置为通入电流后产生磁场，所述磁场对所述感应上电极产生朝向感应下电极的作用力，所述磁场的强度和方向随着通入电流变化而变化。

本实施例提供一种阈值可调的MEMS惯性开关，如图1～5所示，包括：感应上电极10，被配置为在惯性的作用下向感应下电极20的方向移动，与感应下电极20接触时，形成脉冲感应信号；感应下电极20，被配置为与壳体固定设置，与感应上电极10接触时，形成脉冲感应信号；电磁吸合装置，被配置为通入电流后产生磁场，所述磁场对所述感应上电极10产生朝向感应下电极20的作用力，所述磁场的强度和方向随着通入电流变化而变化。

如图2所示，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述壳体包括绝缘衬底30。在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述感应下电极20包括外环支撑装置21及内环固定电极22，其中：所述内环固定电极22被包围在所述外环支撑装置21中，所述内环固定电极22与所述外环支撑装置21之间具有间隙以相互绝缘；所述外环支撑装置21的顶面与绝缘衬底30平行，第一引脚电极23由所述外环支撑装置21的外侧面引出；所述内环固定电极22的顶面与绝缘衬底30平行，第二引脚电极24由所述内环固定电极22的外侧面引出；所述外环支撑装置21为带有开口的环状，所述第二引脚电极24由所述外环支撑装置21的开口处延伸至所述外环支撑装置21的环外侧。

进一步的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述电磁吸合装置包括产磁线圈40；所述产磁线圈40包括多个同心环状导电部件41，所述多个同心环状导电部件41均被包围在所述内环固定电极22中，所述多个同心环状导电部件41之间具有间隙以相互绝缘；所述产磁线圈40的顶面与所述绝缘衬底30平行，所述产磁线圈40相对于所述绝缘衬底30的高度小于所述内环固定电极22相对于所述绝缘衬底30的高度，保证了圆片移动电极11优先碰到内环固定电极22，不会碰到产磁线圈40使产磁线圈40失效。在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述电磁吸合装置还包括第三引脚电极42和第四引脚电极43；所述第三引脚电极42和所述第四引脚电极43的高度等于所述产磁线圈40的高度；所述多个同心环状导电部件41环绕一圈后，并联连接在第三引脚电极42和第四引脚电极43之间，保证了即使某个同心环状导电部件41损坏也不会使整个器件无法工作，提升了器件可靠性。所述内环固定电极22为带有开口的环状，所述外环支撑装置21的开口的中心线与所述内环固定电极22的开口的中心线对齐；所述第三引脚电极42和所述第四引脚电极43由所述内环固定电极22的开口处延伸至所述内环固定电极22的环外侧，且由所述外环支撑装置21的开口处延伸至所述外环支撑装置21的环外侧。

如图4所示，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述第三引脚电极42及所述第四引脚电极43包括连接部件44、引出部件45和电极部件46，其中：所述连接部件44位于内环固定电极22的环内，连接所述多个同心环状导电部件41，所述连接部件44靠近内环固定电极22的一端的宽度大于远离内环固定电极22的一端的宽度，即产磁线圈40引出的通电连线逐渐变宽，以适应不断从多个同心环状导电部件41汇入导致逐渐变大的总电流；所述引出部件45为细长杆状，连接所述连接部件44和所述电极部件46，所述电极部件46位于所述外环支撑装置21的环外侧；所述第一引脚电极23、所述第二引脚电极24、所述第三引脚电极42及所述第四引脚电极43的引出部件45均平行。

具体的，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述外环支撑装置21、内环固定电极22及所述多个同心环状导电部件41均固定于所述绝缘衬底30上。如图3、5所示，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述感应上电极10包括圆片移动电极11、弹簧固定支架12及连体蛇形弹簧13，其中：所述圆片移动电极11与所述连体蛇形弹簧13相连，所述连体蛇形弹簧13连接所述弹簧固定支架12，以使所述圆片移动电极11悬空在产磁线圈40与内环固定电极22之上；所述弹簧固定支架12的形状、直径及宽度与所述外环支撑装置21相同，固定在所述外环支撑装置21上；在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，第一引脚电极23通入感应信号，感应信号的耦合通路由外环支撑装置21、弹簧固定支架12、连体蛇形弹簧13及圆片移动电极11组成；当感应上电极10与感应下电极20接触时，感应信号由圆片移动电极11耦合至内环固定电极22、以及第二引脚电极24，由第二引脚电极24捕获到的感应信号发送至后级检测电路。

在本发明的一个实施例中，在所述的阈值可调的MEMS惯性开关中，所述圆片移动电极11的半径为150～3000微米，圆片移动电极11的高为10～450微米；所述多个同心环状导电部件41的最外圈半径为200～3000微米，每个同心环状导电部件41的宽度为3-30um，每个同心环状导电部件41的厚度为2-30um，同心环状导电部件41的数量为10-1000个；所述连体蛇形弹簧13的线宽为6～90微米，所述连体蛇形弹簧13的厚度为6～90微米，所述连体蛇形弹簧13的拐角处半圆内径为10～100微米；所述绝缘衬底30的材料为石英或玻璃，所述绝缘衬底30的厚度为0.1～2毫米；所述弹簧固定支架12通过电镀金属形成，所述弹簧固定支座的外环半径为200～3300微米，所述弹簧固定支架12的环宽为20～1000微米，所述弹簧固定支架12的厚度为15～300微米。

在本发明提供的阈值可调的MEMS惯性开关中，通过感应上电极10在惯性的作用下向感应下电极20的方向移动，与感应下电极20接触时，形成脉冲感应信号，感应下电极20与感应上电极10接触时，形成脉冲感应信号，电磁吸合装置通入电流后产生磁场，所述磁场对所述感应上电极10产生朝向感应下电极20的作用力，所述磁场的强度和方向随着通入电流变化而变化，实现了通过调节通过电磁吸合装置的电流的大小，产生不同大小的磁力，从而调节惯性开关的阈值加速度，另外电流较大时能够实现吸和效果，可以使惯性开关的信号捕获更加稳定可靠。

现有的惯性开关阈值不易精确控制，而本发明采用非常简单的结构和控制方式，在无需增加惯性开关结构尺寸、改变外轮廓、增加复杂度的情况下，增加了控制阈值的结构和方法，实现了惯性开关的阈值可调，具有成本低、容易实现的效果。

本发明提供了一种可依靠线圈产生的磁力调节阈值加速度的垂直敏感微机械惯性开关，当圆片移动电极11感知到沿敏感方向的超出阈值的振动加速度作用，圆片移动电极11朝向内环固定电极22移动，并受到与产磁线圈40通过电流大小有关的磁力作用，最后与内环固定电极22碰撞接触，从而实现外电路的导通。通过调节通过产磁线圈40的电流的大小，产生不同大小的磁力，从而调节惯性开关的阈值加速度。电流较大时能够实现吸和效果。

本发明提出的阈值可调的MEMS惯性开关由镍构成，第一引脚电极23接高电压，例如5v电压，阈值可调的MEMS惯性开关受到加速度作用时，圆片移动电极11碰撞内环固定电极22连接的第二引脚电极24，第一引脚电极23与第二引脚电极24导通，第二引脚电极24将输出高电压。

中间的两个电极用于给产磁线圈40通电流，一个输入电流一个输出电流。如左边输入电流，那么产磁线圈40中就会有顺时针方向电流流过，这种环形电流会产生磁场，电流越大磁场越强，也就是产磁线圈40通电流时可以等效为一个磁铁，由于上方的圆片移动电极11由镍构成，镍跟铁一样会受磁铁吸引，圆片移动电极11就会受到向下的吸引力。

综上，上述实施例对阈值可调的MEMS惯性开关的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。