本發(fā)明涉及慣性開關(guān)設(shè)計，具體涉及一種mems三態(tài)慣性開關(guān)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、慣性開關(guān)是一種感受慣性加速度，執(zhí)行開關(guān)機械動作的精密慣性裝置，一般分為閉合、斷開兩個狀態(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、一般來說，慣性開關(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，通過彈簧的剛性來滿足過載達到閾值便實現(xiàn)閉合或斷開的要求。在靜態(tài)無過載時，彈簧處于預(yù)先設(shè)定的長度，此時慣性開關(guān)可由設(shè)計的結(jié)構(gòu)決定閉合或斷開；過載到達時，整個系統(tǒng)感受慣性加速度，開始執(zhí)行開關(guān)的機械動作，彈簧的壓縮對應(yīng)著連接的斷開或閉合。

3、mems(微機電系統(tǒng)，micro-electro-mechanical?system)工藝，可按照加工材料分為硅微機械加工技術(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械加工技術(shù)。其中，硅微機械加工技術(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各種工藝手段在硅材料上進行生長和腐蝕，從而達到想要的機械結(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硅平面上不同材料的順序淀積和選擇腐蝕來形成各種微結(jié)構(gòu)，涉及到沉積、鍵合等工藝。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，慣性開關(guān)通常都是閉合、斷開兩個狀態(tài)，例如文獻1中(參見熊壯,張鳳田,袁明權(quán).低g值mems慣性開關(guān)的設(shè)計與工藝優(yōu)化[j].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2016,24(3):404–408.)，提供了一種玻璃-硅-玻璃結(jié)構(gòu)的慣性開關(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，當此結(jié)構(gòu)受到敏感方向的沖擊時，質(zhì)量塊運動行程z0，金屬電極接觸，整個通路完成閉合，從而實現(xiàn)慣性開關(guān)的功能。

5、可見，慣性開關(guān)一般只有兩個狀態(tài)，沒有中間態(tài)的過渡，在一些特殊場合就有可能被誤觸發(fā)，例如勤務(wù)處理等等。本技術(shù)人提出過一種三態(tài)慣性開關(guān)(參見專利公開號為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，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)跳變的過程中不僅需要更大的過載，還需要彈簧壓縮行程的增大，需要一定的時間，不能與初始態(tài)跳變?yōu)橹虚g態(tài)一起瞬時發(fā)生，不能滿足更多探測外界過載的要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種mems三態(tài)慣性開關(guān)及其制備方法，該三態(tài)慣性開關(guān)的結(jié)構(gòu)能夠采用mems工藝制造，傳感器體積??；三態(tài)跳變不受彈簧壓縮的限制，能夠瞬時發(fā)生，滿足更多探測外界過載的要求。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的。

3、一種mems三態(tài)慣性開關(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?shù)谝婚]合電極接觸時，吸合極板與質(zhì)量塊不接觸，二者距離為d，根據(jù)慣性開關(guān)的慣性過載力f1設(shè)計；所述第二玻璃蓋板與質(zhì)量塊的相對面設(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；當三態(tài)慣性開關(guān)所受慣性力達到慣性過載力f1時，質(zhì)量塊脫離靜電吸附向第二玻璃蓋板運動，進入中間態(tài)，處理電路輸出第二電壓；當慣性力加大，第二閉合電極接觸，進入閉合態(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非閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)的開口處引出；

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)面的閉合電極通過電氣連接為電位相等的兩個點，接在電阻rl與電阻r0的中間，同時，此點的電位值也為本結(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)慣性開關(guān)的三明治結(jié)構(gòu)和四個焊盤之間。

21、本發(fā)明還提供了一種上述mems三態(tài)慣性開關(guān)的制備方法，該方法包括：第一玻璃蓋板制備過程、第二玻璃蓋板制備過程、中間層硅結(jié)構(gòu)制備過程以及結(jié)合過程；

22、第一玻璃蓋板制備過程、第二玻璃蓋板制備過程相同，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)合過程：將兩個玻璃蓋板、中間層硅結(jié)構(gòu)鍵合在一起，得到完整的mems三態(tài)慣性開關(guān)。

37、優(yōu)選地，所述兩個玻璃蓋板、中間層硅結(jié)構(gòu)的鍵合采用陽極鍵合工藝。

38、有益效果：

39、(1)傳統(tǒng)機械加工的慣性開關(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，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)計了三個狀態(tài)---初始態(tài)、中間態(tài)和閉合態(tài)，因為未采用彈簧壓縮，三態(tài)跳變不受彈簧壓縮的限制，能夠瞬時發(fā)生，能滿足更多探測外界過載的要求。

41、(3)現(xiàn)如今對于mems低g值慣性開關(guān)的研究較為豐富，一般觸發(fā)閾值在幾十g左右，本設(shè)計能實現(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)選實施方案中，通過基于pcb基板的cob封裝方法，在pcb基板上實現(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)三個狀態(tài)的設(shè)計使得此開關(guān)對過載的探測精度更高。一方面，傳統(tǒng)的慣性開關(guān)輸出信號僅有兩種狀態(tài)，對于彈道環(huán)境中存在的過載干擾，很難將其與侵徹過載完全區(qū)分開來；另一方面，傳統(tǒng)慣性開關(guān)輸出信號的跳變需要運動元件運動到位，因此難以對彈丸入靶、出靶時刻進行精確判斷。對于本結(jié)構(gòu)來說，在侵徹過程中，三態(tài)慣性開關(guān)開始所受的過載較小，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，電路輸出信號為初始態(tài)；隨著侵徹過載逐漸加大，慣性力超過靜電力，硅結(jié)構(gòu)中島梁結(jié)構(gòu)開始向第二玻璃蓋板方向運動，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，電路輸出信號為中間態(tài)；侵徹過載繼續(xù)增大，島梁結(jié)構(gòu)繼續(xù)向下運動，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，電路輸出信號為最終態(tài)。本結(jié)構(gòu)輸出信號具有三種狀態(tài)，相較于輸出信號僅有兩種狀態(tài)的傳統(tǒng)慣性開關(guān)，可以有效減小勤務(wù)狀態(tài)和飛行彈道上的過載干擾，提高引信的安全性。