本發(fā)明涉及慣性開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，具體涉及一種mems三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、慣性開(kāi)關(guān)是一種感受慣性加速度，執(zhí)行開(kāi)關(guān)機(jī)械動(dòng)作的精密慣性裝置，一般分為閉合、斷開(kāi)兩個(gè)狀態(tài)，在航空航天、汽車電子和彈藥等慣性控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
2、一般來(lái)說(shuō)，慣性開(kāi)關(guān)主要由彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)構(gòu)成，彈簧與質(zhì)量塊直接相連，通過(guò)彈簧的剛性來(lái)滿足過(guò)載達(dá)到閾值便實(shí)現(xiàn)閉合或斷開(kāi)的要求。在靜態(tài)無(wú)過(guò)載時(shí)，彈簧處于預(yù)先設(shè)定的長(zhǎng)度，此時(shí)慣性開(kāi)關(guān)可由設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)決定閉合或斷開(kāi)；過(guò)載到達(dá)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)感受慣性加速度，開(kāi)始執(zhí)行開(kāi)關(guān)的機(jī)械動(dòng)作，彈簧的壓縮對(duì)應(yīng)著連接的斷開(kāi)或閉合。
3、mems(微機(jī)電系統(tǒng)，micro-electro-mechanical?system)工藝，可按照加工材料分為硅微機(jī)械加工技術(shù)、liga加工技術(shù)以及其他加工技術(shù)，較為常用的是硅微機(jī)械加工技術(shù)。其中，硅微機(jī)械加工技術(shù)可分為體硅加工工藝和表面硅加工工藝：體硅工藝主要是通過(guò)各種工藝手段在硅材料上進(jìn)行生長(zhǎng)和腐蝕，從而達(dá)到想要的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這些工藝手段包括：光刻、腐蝕和摻雜等等；表面硅工藝則是通過(guò)硅平面上不同材料的順序淀積和選擇腐蝕來(lái)形成各種微結(jié)構(gòu)，涉及到沉積、鍵合等工藝。
4、現(xiàn)有技術(shù)中，慣性開(kāi)關(guān)通常都是閉合、斷開(kāi)兩個(gè)狀態(tài)，例如文獻(xiàn)1中(參見(jiàn)熊壯,張鳳田,袁明權(quán).低g值mems慣性開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化[j].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2016,24(3):404–408.)，提供了一種玻璃-硅-玻璃結(jié)構(gòu)的慣性開(kāi)關(guān)。如圖1所示，金屬電極分布在硅結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊的下端及玻璃基底的上端，當(dāng)此結(jié)構(gòu)受到敏感方向的沖擊時(shí)，質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)行程z0，金屬電極接觸，整個(gè)通路完成閉合，從而實(shí)現(xiàn)慣性開(kāi)關(guān)的功能。
5、可見(jiàn)，慣性開(kāi)關(guān)一般只有兩個(gè)狀態(tài)，沒(méi)有中間態(tài)的過(guò)渡，在一些特殊場(chǎng)合就有可能被誤觸發(fā)，例如勤務(wù)處理等等。本技術(shù)人提出過(guò)一種三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)(參見(jiàn)專利公開(kāi)號(hào)為cn116007455a)，但是該傳感器結(jié)構(gòu)其存在零件多、裝配復(fù)雜、體積大等缺點(diǎn)，在復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用中的可靠性和安全性難以保證。而且，中間態(tài)向閉合態(tài)跳變的過(guò)程中不僅需要更大的過(guò)載，還需要彈簧壓縮行程的增大，需要一定的時(shí)間，不能與初始態(tài)跳變?yōu)橹虚g態(tài)一起瞬時(shí)發(fā)生，不能滿足更多探測(cè)外界過(guò)載的要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種mems三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)及其制備方法，該三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)能夠采用mems工藝制造，傳感器體積小；三態(tài)跳變不受彈簧壓縮的限制，能夠瞬時(shí)發(fā)生，滿足更多探測(cè)外界過(guò)載的要求。
2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的。
3、一種mems三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)，包括采用mems工藝制造的第一玻璃蓋板、中間層硅結(jié)構(gòu)、第二玻璃蓋板和處理電路；
4、所述中間層硅結(jié)構(gòu)包括周邊支撐結(jié)構(gòu)和質(zhì)量塊，質(zhì)量塊位于支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)，并通過(guò)具有柔性的連接結(jié)構(gòu)連接支撐結(jié)構(gòu)；第一玻璃蓋板和第二玻璃蓋板鍵合連接在所述支撐結(jié)構(gòu)上下兩側(cè)；
5、所述第一玻璃蓋板與質(zhì)量塊的相對(duì)面設(shè)有相互配合的第一閉合電極；第一玻璃蓋板設(shè)有吸合極板提供靜電力，與質(zhì)量塊表面通過(guò)靜電吸合鎖定；吸合極板的高度低于第一玻璃蓋板上第一閉合電極的高度，當(dāng)?shù)谝婚]合電極接觸時(shí)，吸合極板與質(zhì)量塊不接觸，二者距離為d，根據(jù)慣性開(kāi)關(guān)的慣性過(guò)載力f1設(shè)計(jì)；所述第二玻璃蓋板與質(zhì)量塊的相對(duì)面設(shè)有相互配合的第二閉合電極；所有閉合電極電連接處理電路；
6、在初始態(tài)，第一閉合電極閉合，吸合極板與質(zhì)量塊利用靜電鎖定，處理電路輸出第一電壓；當(dāng)三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)所受慣性力達(dá)到慣性過(guò)載力f1時(shí)，質(zhì)量塊脫離靜電吸附向第二玻璃蓋板運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入中間態(tài)，處理電路輸出第二電壓；當(dāng)慣性力加大，第二閉合電極接觸，進(jìn)入閉合態(tài)，處理電路輸出第三電壓。
7、優(yōu)選地，設(shè)置在第一玻璃蓋板上的第一閉合電極為非閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)，吸合極板安裝在環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)，吸合極板的連接線通過(guò)非閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)的開(kāi)口處引出；
8、設(shè)置在質(zhì)量塊表面的第一閉合電極為與所述非閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)配合的環(huán)形結(jié)構(gòu)，環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)的質(zhì)量塊平面作為與所述吸合極板配合的另一塊吸合電極。
9、優(yōu)選地，所述具有柔性的連接結(jié)構(gòu)為島-梁結(jié)構(gòu)。
10、優(yōu)選地，所述島-梁結(jié)構(gòu)中梁的截面積從到質(zhì)量塊到所述支撐結(jié)構(gòu)逐漸加粗。
11、優(yōu)選地，所述處理電路包括電阻r0、電阻rl、靜電力供電電壓vin和供電電壓vcc；
12、電阻r0、電阻rl串聯(lián)后連接在供電電壓vcc正負(fù)極之間；
13、電阻r0的第一端連接第二玻璃蓋板上的第二閉合電極，第二端連接質(zhì)量塊上的第二閉合電極；
14、中間層硅結(jié)構(gòu)上下兩側(cè)面的閉合電極通過(guò)電氣連接為電位相等的兩個(gè)點(diǎn)，接在電阻rl與電阻r0的中間，同時(shí)，此點(diǎn)的電位值也為本結(jié)構(gòu)的輸出電壓vout。
15、優(yōu)選地，所述處理電路制備在pcb封裝基板上；mems三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)的三明治結(jié)構(gòu)側(cè)向安裝在pcb封裝基板提供的安裝槽中；
16、pcb封裝基板上對(duì)應(yīng)第一玻璃蓋板的位置，在第一玻璃蓋板左側(cè)布置到靜電力供電電壓vin焊盤的連接線；在第一玻璃蓋板右側(cè)布置第一閉合電極到電阻rl、地gnd焊盤的連接線；
17、pcb封裝基板上對(duì)應(yīng)第二玻璃蓋板的位置，在第二玻璃蓋板右側(cè)布置第二閉合電極到電阻r0、供電電壓vcc焊盤的連接線；
18、pcb封裝基板上對(duì)應(yīng)中間層硅結(jié)構(gòu)的位置，在中間層硅結(jié)構(gòu)右側(cè)布置第一閉合電極到電阻r0、電阻rl、電壓輸出端vout焊盤的連接線。
19、優(yōu)選地，靜電力供電電壓vin焊盤、地gnd焊盤、供電電壓vcc焊盤、電壓輸出端vout焊盤布置在pcb封裝基板的一側(cè)，且排列成排；
20、電阻r0、電阻rl上下豎向布局，布置在mems三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)的三明治結(jié)構(gòu)和四個(gè)焊盤之間。
21、本發(fā)明還提供了一種上述mems三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)的制備方法，該方法包括：第一玻璃蓋板制備過(guò)程、第二玻璃蓋板制備過(guò)程、中間層硅結(jié)構(gòu)制備過(guò)程以及結(jié)合過(guò)程；
22、第一玻璃蓋板制備過(guò)程、第二玻璃蓋板制備過(guò)程相同，均包括：
23、步驟a1：在玻璃蓋板表面濺射上一層cr/cu種子層；
24、步驟a2：在種子層上旋涂光刻膠，烘干后光刻出玻璃蓋板上電極與布局引線的圖形；
25、步驟a3：電鍍一層金屬ni作為玻璃蓋板上的電極和布局引線；
26、步驟a4：去除全部光刻膠和去除種子層；
27、所述中間層硅結(jié)構(gòu)制備過(guò)程包括：
28、步驟b1：定義硅結(jié)構(gòu)兩面為a面和b面；從硅結(jié)構(gòu)b面進(jìn)行各向異性腐蝕，完成中間層硅結(jié)構(gòu)a面支撐結(jié)構(gòu)、質(zhì)量塊及引線槽的構(gòu)建；
29、步驟b2：從硅結(jié)構(gòu)a面進(jìn)行深反應(yīng)離子刻蝕，完成所述連接結(jié)構(gòu)的構(gòu)建；
30、步驟b3：在硅結(jié)構(gòu)b面的濺射cr/cu種子層，并旋涂光刻膠，烘干后光刻出硅結(jié)構(gòu)b面閉合電極以及布局引線的圖形；
31、步驟b4：在硅結(jié)構(gòu)b面先電鍍一層金屬ni，再電鍍一層金屬au作為硅結(jié)構(gòu)底部的閉合電極，電鍍完去除全部光刻膠和種子層；
32、步驟b5：在硅結(jié)構(gòu)a面熱氧化生成一層sio2作為絕緣層，并在氧化面上旋涂光刻膠，曝光出sio2的腐蝕窗口，光刻膠覆蓋要形成中間層硅結(jié)構(gòu)中b面支撐結(jié)構(gòu)的位置；
33、步驟b6：腐蝕沒(méi)有光刻膠覆蓋的sio2，接著去除全部光刻膠；
34、步驟b7：在硅結(jié)構(gòu)a面濺射cr/cu種子層，之后在種子層上旋涂光刻膠，烘干后光刻出硅結(jié)構(gòu)a面的閉合電極與布局引線的圖形；
35、步驟b8：在硅結(jié)構(gòu)a面先電鍍第一層金屬ni，再在金屬ni上電鍍第二層金屬au作為硅結(jié)構(gòu)頂端的閉合電極，然后去除全部光刻膠和種子層，形成完整的中間層硅結(jié)構(gòu)；
36、所述結(jié)合過(guò)程：將兩個(gè)玻璃蓋板、中間層硅結(jié)構(gòu)鍵合在一起，得到完整的mems三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)。
37、優(yōu)選地，所述兩個(gè)玻璃蓋板、中間層硅結(jié)構(gòu)的鍵合采用陽(yáng)極鍵合工藝。
38、有益效果：
39、(1)傳統(tǒng)機(jī)械加工的慣性開(kāi)關(guān)在應(yīng)用較為成熟，但由于其存在零件多、裝配復(fù)雜、體積大等缺點(diǎn)，在復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用中的可靠性和安全性難以保證。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以采用mems工藝制造，體積小、重量輕、免裝配、可批量生產(chǎn)，在復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用中的可靠性和安全性可以保證。
40、(2)本發(fā)明設(shè)計(jì)了三個(gè)狀態(tài)---初始態(tài)、中間態(tài)和閉合態(tài)，因?yàn)槲床捎脧椈蓧嚎s，三態(tài)跳變不受彈簧壓縮的限制，能夠瞬時(shí)發(fā)生，能滿足更多探測(cè)外界過(guò)載的要求。
41、(3)現(xiàn)如今對(duì)于mems低g值慣性開(kāi)關(guān)的研究較為豐富，一般觸發(fā)閾值在幾十g左右，本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)更高的觸發(fā)閾值，能滿足更大閾值的要求。
42、(4)在一優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)基于pcb基板的cob封裝方法，在pcb基板上實(shí)現(xiàn)硅結(jié)構(gòu)上下閉合電極的等電位，相較于其他可能實(shí)現(xiàn)等電位的方法，例如硅通孔技術(shù)---在硅結(jié)構(gòu)島梁結(jié)構(gòu)的島中挖出一條通孔，本方法不額外增加mems制備工藝，使得mems制備工藝復(fù)雜度更低，一定程度上提高了mems制備工藝的成功率。
43、(5)三個(gè)狀態(tài)的設(shè)計(jì)使得此開(kāi)關(guān)對(duì)過(guò)載的探測(cè)精度更高。一方面，傳統(tǒng)的慣性開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)僅有兩種狀態(tài)，對(duì)于彈道環(huán)境中存在的過(guò)載干擾，很難將其與侵徹過(guò)載完全區(qū)分開(kāi)來(lái)；另一方面，傳統(tǒng)慣性開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)的跳變需要運(yùn)動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)到位，因此難以對(duì)彈丸入靶、出靶時(shí)刻進(jìn)行精確判斷。對(duì)于本結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在侵徹過(guò)程中，三態(tài)慣性開(kāi)關(guān)開(kāi)始所受的過(guò)載較小，小于吸合極板提供的靜電力，硅結(jié)構(gòu)中上閉合電極與第一玻璃蓋板中閉合電極導(dǎo)通，電路輸出信號(hào)為初始態(tài)；隨著侵徹過(guò)載逐漸加大，慣性力超過(guò)靜電力，硅結(jié)構(gòu)中島梁結(jié)構(gòu)開(kāi)始向第二玻璃蓋板方向運(yùn)動(dòng)，硅結(jié)構(gòu)中上閉合電極與第一玻璃蓋板中閉合電極脫離，電路輸出信號(hào)為中間態(tài)；侵徹過(guò)載繼續(xù)增大，島梁結(jié)構(gòu)繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，硅結(jié)構(gòu)中下閉合電極與第二玻璃蓋板中閉合電極導(dǎo)通，電路輸出信號(hào)為最終態(tài)。本結(jié)構(gòu)輸出信號(hào)具有三種狀態(tài)，相較于輸出信號(hào)僅有兩種狀態(tài)的傳統(tǒng)慣性開(kāi)關(guān)，可以有效減小勤務(wù)狀態(tài)和飛行彈道上的過(guò)載干擾，提高引信的安全性。