专利名称：一种mems加速度开关的制作方法
一种MEMS加速度开关技术领域
本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种基于MEMS的加速度开关。
技术背景
加速度开关通过“质量块一弹簧”系统，感应外界冲击加速度的变化，并在加速度超过阈值的情况下执行开关闭合动作。随着MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 技术的发展，以MEMS技术为基础的微型加速度开关由于体积小、质量轻、功耗低、抗电磁干扰能力强等显著优点，可用于汽车安全保护装置、货物运输系统、可靠性跌落试验和飞行器等，具有巨大的应用价值。现有的MEMS加速度开关主要针对于垂直水平面方向上信号的检测，无法实现水平面任意方向及垂直水平面等两个以上方向上信号的检测。此外现有的 MEMS加速度开关抗冲击性能也有待进一步提高。发明内容
本发明的目的就是针对现有的MEMS加速度开关不能用于多个方向上信号检测的缺点，提供一种可实现水平面任意方向及垂直水平面方向等多个方向上信号检测的MEMS 加速度开关。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案一种MEMS加速度开关，包括衬底，衬底上通过MEMS工艺连接一层硅框架；硅框架中心设有圆孔，圆孔中心设有硅材料制作的碰撞柱并固定在衬底上；一组悬空的悬臂梁均布在硅框架内圆孔中，每个悬臂梁的另一端与悬空的环形质量块连接；环形质量块与碰撞柱同心并具有3微米 20微米的间隙，环形质量块下方的衬底上设有金属环形接触电极；在硅框架及碰撞柱上设有引出电极；在硅框架上面设置一个硅盖帽，硅盖帽上有引出电极孔； 硅盖帽与硅框架通过键合形成一空腔，悬臂梁及环形质量块可在空腔内运动，并形成一个封闭体系。
所述的环形质量块悬空在衬底上，并通过一组悬臂梁均勻地连接在硅框架内圆孔中；所述的环形接触电极位于环形质量块下方的衬底上； 所述的碰撞柱和硅框架通过键合工艺固定在衬底上； 所述的引出电极固定在硅框架及碰撞柱上； 所述的硅盖帽上设有引出电极引出孔； 所述的悬臂梁可以为弧形梁或曲折梁，数量上不少于四根；所述的金属环形接触电极和碰撞柱可以单独作为一个碰撞电极，也可以连接在一起组成一个碰撞电极。
本发明中的的衬底采用玻璃片或硅片；所述的环形接触电极和引出电极采用溅射或者蒸发金、铝、铜等金属材料形成。
所述的悬臂梁、环形质量块、碰撞柱和硅框架，采用体硅MEMS工艺加工形成的，并与硅盖帽、衬底通过键合方式形成一封闭体。
本发明中的悬臂梁、环形质量块和硅框架组成一个碰撞电极，环形接触电极组成一个碰撞电极，碰撞柱组成一个碰撞电极。当整个结构受到水平面任意方向加速度，达到设计阈值时，环形质量块和碰撞柱接触，提供水平面任意方向碰撞检测信号；或者受到垂直水平面方向加速度作用达到阈值时，质量块和环形接触电极接触，两个电极连接，提供垂直水平面方向碰撞检测信号。其它方向上的碰撞均可分解到水平面方向和垂直水平面方向上。 通过以上方式，实现了水平面任意方向及垂直水平面方向等多个方向上信号检测。
本发明具有如下优点(1)采用环形质量块并通过一组悬臂梁固定，以及采用环形碰撞面，实现了水平面任意方向及垂直水平面方向等多个方向上碰撞信号的准确检测。
(2)本发明所有结构部件采用圆弧形设计，具有较强的抗冲击能力，能满足苛刻环境条件下的应用需求。
图1为第一实施例的剖面结构示意图； 图2为第一实施例去掉硅盖板的俯视图；图3为第二实施例中环形金属层和碰撞柱连接在一起的结构示意图； 图4为第三实施例中曲折梁取代弧形悬臂梁的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构做进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明包括衬底5，衬底5上通过键合工艺连接一层硅框架8，硅框架8中心设有圆孔，圆孔中心设有硅材料制作的碰撞柱3与衬底5相连，硅框架8圆孔壁上均布一组悬空的弧形悬臂梁1，每个弧形悬臂梁1的端部与悬空的环形质量块2连接，环形质量块2与碰撞柱3同心并具有3微米 20微米的环形间隙a，环形质量块下方的衬底上设有环形接触电极4，它们之间设有3微米 20微米的垂直间隙；在硅框架8上及碰撞柱3设有引出电极6，在硅框架8上面采用键合工艺设置一个硅盖帽7，硅盖帽7上设有引出电极6的引出孔，硅盖帽7与硅框架8之间形成一空腔，悬空的弧形悬臂梁及环形质量块可在空腔内运动。
衬底5的材料采用玻璃或单晶硅片，硅盖帽7为了方便加工引出电极也采用单晶硅材料制成，环形接触电极4和引出电极6采用金、铝等金属材料制作，弧形悬臂梁1、环形质量块2、碰撞柱3和硅框架8均采用单晶硅材料制成。
如图3所示，为本发明的第二实施例环形接触电极4和碰撞柱3通过键合工艺连接在一起组成一个碰撞电极。
如图4所示，为本发明的第三实施例加速度开关的悬臂梁变为曲折梁，其它结构部分不变。
当加速度开关受到碰撞加速度作用时，环形质量块2在惯性力和臂形梁1的弹性力共同作用下，可在水平面内任意方向上以及垂直水平面方向上运动。当外界作用的加速度达到设定的阈值时，环形质量块2与碰撞柱3或者环形接触电极4接触，实现两个电极的导通。随后环形质量块2在悬臂梁1的弹性力的作用下，和碰撞柱3分开，回复到原始状态， 开关处于“断”的状态。
本发明的加速度开关，通过调节悬臂梁1和环形质量块2的尺寸可控制阈值加速度的大小。通过调整质量块2和碰撞柱3以及环形接触电极4之间的间隙，可有效调节开关的响应时间和接触时间。该加速度开关所有结构部件均为圆形或圆弧形，抗高冲击能力更好。
本发明的加速度开关，采用体硅MEMS工艺加工。首先结构层背面刻蚀台阶；在衬底玻璃上制作电极；通过静电键合方法把结构层和衬底键合在一起；正面刻蚀结构层，形成弧形悬臂梁、环形质量块、硅框架和碰撞柱；硅盖帽层背面刻蚀出孔腔；采用键合工艺进行结构层和硅盖帽层的圆片封装；刻蚀硅帽正面，露出电极。
权利要求
1.一种MEMS加速度开关，其特征在于由衬底(5)、硅框架(8)、一组悬臂梁(1)、环形质量块(2)、碰撞柱(3)、环形接触电极(4)和盖帽(7)组成；硅框架(8)中心设有圆孔、并通过MEMS工艺固定在衬底(5)上； 每个悬臂梁(1)的一端连接在硅框架圆孔的内侧并处于悬空状态； 每个悬臂梁(1)的另一端连接于环形质量块(2 )上，使环形质量块(2 )悬空在衬底(5 ) 上，并处于硅框架圆孔中；碰撞柱(3)固定在硅框架中心的衬底(5)上，碰撞柱(3)和环形质量块(2)同圆心、并具有3微米 20微米的环形间隙；环形接触电极(4)固定在环形质量块(2)下方的衬底上、和环形质量块在有一定间隙； 在硅框架(8 )上及碰撞柱(3 )设有引出电极(6 )，盖帽(7 )把一组悬臂梁和环形质量块封闭起来，盖帽上设有引出电极(6)的引出孔。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度开关，其特征是所述的悬臂梁为弧形梁或曲折梁，数量上不少于四根。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度开关，其特征是所述的衬底材料采用玻璃或者单晶硅片。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度开关，其特征是所述的环形接触电极可以单独引出作为一个碰撞电极，也可与碰撞柱连接在一起共同作为一个碰撞电极。
全文摘要
本发明提供了一种MEMS加速度开关，由衬底(5)、硅框架(8)、弧形悬臂梁(1)、环形质量块(2)、碰撞柱(3)、环形接触电极(4)和硅盖帽(7)组成。硅框架固定在衬底上，中心设有圆孔；碰撞柱位于硅框架中心，固定在衬底上；硅框架圆孔上均布一组悬空的弧形悬臂梁，弧形悬臂梁的端部与环形质量块连接；环形质量块与碰撞柱同心并具有一定的间隙；环形接触电极位于环形质量块下方并固定在衬底上。本发明采用环形碰撞结构，可以实现平面任意方向及垂直水平面方向等多个方向上信号检测，同时采用环形结构设计，提高了开关的抗高冲击能力。本发明具有结构精巧、加工工艺简单、便于批量制作等特点。
文档编号H01H35/14GK102522262SQ20111041922
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者徐栋, 方澍, 王文婧, 郭群英, 陈璞, 黄斌 申请人:华东光电集成器件研究所