专利名称：接触时间长的微机电万向惯性开关及其制造方法
技术领域：
本发明涉及微控制开关，具体涉及微机电(MEMS)惯性开关。
背景技术：
微机电惯性开关是对加速度的变化敏感提供开关闭合动作的MEMS执行器，也称阈值开关、加速度开关或者g值开关，它是将机械和电统一结合的产物。MEMS惯性开关不但体积小、响应快、能够捕捉微弱的信号，而且工艺性能好，适合批量生产，降低加工成本。微机电惯性开关一般是由上基板(以下称上盖板)_硅片中间结构层-下基板(以下称下盖板)三层构成汉堡结构，硅片中间结构层包括弹簧、质量块和外电极，其中的质量块通过弹簧连接，成为可动电极，另一个电极为固定式电极。它存在的问题是:
1、开关只能捕捉单方向的惯性加速度。当需要感知多个方向的惯性加速度时，只能通过开关阵列来实现，但是阵列开关不能保证各角度的灵敏度一致且阵列后体积较大，可靠性较低；
2、微机电惯性开关的工作原理是靠可动电极捕捉加速度后运动至某一位置，和固定式电极相碰撞进而接通电路。但是由于碰撞的瞬间极其短暂，使得可动电极和固定式电极的接触时间太短，当工作环境比较极端时(如零下30度以下)，造成电路不能可靠接通。因此如何延长两电极的接触时间，是微机电惯性开关的一个问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种接触时间长的微机电万向(任意方向)惯性开关及其制造方法。本发明的目的是这样实现的:它包括上、下盖板和硅片中间结构层，其特征是:所说的上盖板是硅质板；硅片中间结构层是，以锚点为圆心向外依次是环形质量框、环形外电极和锚区，锚区呈外方内圆的平面框架形，其中锚区和锚点和上、下盖板键合，四个外弹簧(构成外弹簧架)呈十字形布置，每个外弹簧的两端分别固定在锚区和环形外电极之间，四个内弹簧(构成内弹簧架)呈十字形布置，每个内弹簧的两端分别固定在环形质量框和锚点上。这样，环形质量框和环形外电极分别安装在内、外弹簧架上，使环形质量框和环形外电极悬在上、下盖板之间，均成为可动电极。当开关受到χ-y平面内某一方向的惯性加速度时，环形质量框朝着该方向运动，当外部的惯性加速度达到阈值时，两个可动电极(环形质量框和环形外电极)在内、外弹簧架的共同作用下发生柔性接触，然后一起运动，延长了两个电极的接触时间。还由于两个可动电极均为环形，保证了 χ-y平面内两个可动电极在任一方向都能捕捉到惯性加速度，且任一方向加速度的阈值是一致的。与现有技术相比，本发明的积极效果是:可以捕捉χ-y平面内任一方向的惯性加速度；其次捕捉到阈值加速度后，大大延长了两个电极接触时间，使开关性能更可靠，显著提高了开关的抗干扰性和可靠性。
图1是本发明的结构示意图。图2是图1的A-A剖面图(略去上盖板)。
具体实施例方式参见图1，它包括上盖板6、下盖板8和硅片中间结构层，所说的上盖板是硅质板；参见图2，硅片中间结构层是，以锚点3为圆心向外依次是环形质量框1、环形外电极4和锚区7，锚区呈外方内圆的平面框架形，其中锚区和锚点和上、下盖板键合，四个外弹簧5(构成外弹簧架)呈十字形布置，每个外弹簧的两端分别固定在锚区和环形外电极之间，四个内弹簧2 (构成内弹簧架)呈十字形布置，每个内弹簧的两端分别固定在环形质量框和锚点上。这样，环形质量框和环形外电极分别安装在内、外弹簧架上，使环形质量框和环形外电极悬在上、下盖板之间，均成为可动电极。当开关受到x-y平面内某一方向的惯性加速度时，环形质量框朝着该方向运动，当外部的惯性加速度达到阈值时，两个可动电极(环形质量框和环形外电极)在内、外弹簧架的共同作用下发生柔性接触，然后一起运动，延长了两个电极的接触时间。还由于两个可动电极均为环形，保证了 χ-y平面内两个可动电极在任一方向都能捕捉到惯性加速度，且任一方向加速度的阈值是一致的。制造本发明的工艺是:
a)在中间结构层硅片上热氧化生成5000A的二氧化硅层，用M2版(硅片背面ICP版)做掩膜，光刻结构层硅片，作为ICP掩蔽层；结构层硅片背面ICP浅刻蚀，刻蚀深度5um，去胶清洗，待静电键合；
b)用Ml版(金属电极版)作掩膜光刻玻璃片，腐蚀Prex7740玻璃1800A;溅射Ti(400A) -Pt (400A) -Au (1200A)，利用光刻胶剥离制作金属电极，去胶清洗；
c)娃片图形与玻璃电极图形对准静电键合；娃片减薄抛光至60um；
d)用M3版(硅片正面ICP版)作掩膜光刻，ICP释放结构；
e)在盖板硅片上热氧化生成2umA的二氧化硅层，用M4版(盖板背面腐蚀版)做掩膜，光刻盖板硅片正面，作为KOH腐蚀掩蔽层，KOH腐蚀深度200um ;用M5版(盖板正面腐蚀和划片版)做掩膜，光刻盖板硅片背面，作为KOH腐蚀掩蔽层，KOH双面腐蚀深度IOOum ；
f)盖板和结构层BCB键合；ICP刻蚀PAD点。
权利要求
1.一种接触时间长的微机电万向惯性开关，它包括上、下盖板和硅片中间结构层，其特征是:所说的上盖板是硅质板；硅片中间结构层是，以锚点为圆心向外依次是环形质量框、环形外电极和锚区，锚区呈外方内圆的平面框架形，其中锚区和锚点和上、下盖板键合，四个外弹簧呈十字形布置，每个外弹簧的两端分别固定在锚区和环形外电极之间，四个内弹簧呈十字形布置，每个内弹簧的两端分别固定在环形质量框和锚点上。
2.制造权利要求1所述的接触时间长的微机电万向惯性开关，其特征是: a)在中间结构层娃片上热氧化生成5000A的二氧化娃层,用M2版做掩膜,光刻结构层硅片，作为ICP掩蔽层；结构层硅片背面ICP浅刻蚀，刻蚀深度5um，去胶清洗，待静电键合； b)用Ml版作掩膜光刻玻璃片，腐蚀Prex7740玻璃1800A；溅射Ti (400A) -Pt(400A) -Au (1200A)，利用光刻胶剥离制作金属电极，去胶清洗； c)娃片图形与玻璃电极图形对准静电键合；娃片减薄抛光至60um； d)用M3版作掩膜光刻，ICP释放结构； e)在盖板娃片上热氧化生成2umA的二氧化娃层,用M4版做掩膜,光刻盖板娃片正面，作为KOH腐蚀掩蔽层，KOH腐蚀深度200um ;用M5版做掩膜，光刻盖板硅片背面，作为KOH腐蚀掩蔽层，KOH双面腐蚀深度IOOum ； f)盖板和结构层BCB键合；ICP刻蚀PAD点。
全文摘要
本发明提供一种接触时间长的微机电万向惯性开关及其制造方法，所要解决的问题是目前的MEMS惯性开关只能捕捉单方向的惯性加速度；其次开关的可动电极和固定式电极的接触时间太短。本发明的要点是硅片中间结构层以锚点为圆心向外是环形质量框、环形外电极和锚区，锚区和锚点和下盖板键合，四个外弹簧呈十字形布置，每个外弹簧的两端分别固定在锚区和环形外电极之间，四个内弹簧呈十字形布置，每个内弹簧的两端分别固定在环形质量框和锚点上。本发明的积极效果是可以捕捉任一方向的惯性加速度；捕捉到阈值加速度后，大大延长了两个电极接触时间。
文档编号H01H11/00GK103151220SQ20131006298
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者刘双杰 申请人:刘双杰