專利名稱：一種微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械慣性開關(guān)裝置，特別是一種帶有柔性支撐固定電極和限位銷的微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)。
背景技術(shù)：
以微機(jī)電技術(shù)為基礎(chǔ)的慣性開關(guān)具有體積小、重量輕、成本低和易集成等優(yōu)點(diǎn)，在 汽車安全氣囊、貨物運(yùn)輸、碰撞記錄以及彈藥發(fā)射、引信起爆等領(lǐng)域都有著迫切的應(yīng)用需求和廣泛的應(yīng)用前景，如在彈藥發(fā)射過程中感應(yīng)后坐或離心加速度，在戰(zhàn)斗部碰擊目標(biāo)時(shí)引信的萬向觸發(fā)等。目前，公知的微機(jī)械慣性開關(guān)是由彈簧支撐質(zhì)量塊為動(dòng)電極并與固定電極組成的慣性接觸系統(tǒng)，分為觸發(fā)和閉鎖兩種，對(duì)于觸發(fā)型開關(guān)要求閉合后自動(dòng)斷開，而閉鎖型開關(guān)要求閉合以后不再斷開。觸發(fā)型開關(guān)的作用過程為當(dāng)開關(guān)受到加速度沖擊時(shí)，質(zhì)量塊發(fā)生與加速度方向相反的相對(duì)位移，與固定電極接觸而后自動(dòng)分離，迅速完成開關(guān)的通斷動(dòng)作。但是，現(xiàn)有觸發(fā)型開關(guān)能感應(yīng)的加速方向范圍有限，往往是單向、雙向、一個(gè)平面的圓周方向或是以上的組合方向，還不能對(duì)一個(gè)半球面內(nèi)所有方向的加速度都有效響應(yīng)。對(duì)于需要對(duì)半球面內(nèi)任意方向加速度都要感應(yīng)的裝置，以上開關(guān)無法滿足要求，或?yàn)榱藵M足要求而在不同方向上安裝多個(gè)開關(guān)，提高了成本。美國專利US 6765160 BI公布了一種萬向微機(jī)械沖擊開關(guān)，由蛇形彈簧支撐方形質(zhì)量塊組成彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。能有效響應(yīng)水平方向與垂直方向的加速度沖擊。但由于質(zhì)量塊采用的方形結(jié)構(gòu)，此發(fā)明對(duì)不同水平方向的加速度沖擊響應(yīng)效果不同，方向適應(yīng)能力受到限制。中國發(fā)明專利CN 101789329 A公開了一種三維多方向敏感的微機(jī)械慣性電學(xué)開關(guān)。對(duì)水平和垂直的多個(gè)方向的加速度沖擊能有效響應(yīng)。但由于沒有設(shè)置限位銷，應(yīng)用在高速旋轉(zhuǎn)載體時(shí)，無法避免質(zhì)量塊的水平旋轉(zhuǎn)。加之質(zhì)量塊用于碰撞的外側(cè)邊沿的曲率半徑較小以及固定電極形狀較小的原因，當(dāng)質(zhì)量塊同時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和水平移動(dòng)時(shí)，不能保證開關(guān)可靠閉合。另外此發(fā)明專利中發(fā)生碰撞的固定電極采用剛性支撐，碰撞接觸時(shí)間較短，不利于接觸信號(hào)的采集與處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)，對(duì)于來自絕緣襯底上方，在開關(guān)徑向或軸向分量達(dá)到閾值大小的所有加速度沖擊都能有效閉合；通過將開關(guān)的固定電極改為柔性支撐方式，很大程度上延長了碰撞接觸時(shí)間，保證有效電信號(hào)的輸出；并設(shè)計(jì)有限位銷，防止質(zhì)量塊產(chǎn)生過大的位移和自身的旋轉(zhuǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)在過載情況下起到有效的保護(hù)作用。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)，包括絕緣襯底、中心彈簧支撐座、多個(gè)固定電極支撐座、多個(gè)弧形支撐彈簧、多個(gè)蛇形支撐彈簧、環(huán)形質(zhì)量塊、多個(gè)固定電極和多個(gè)限位銷，中心彈簧支撐座固定設(shè)置在絕緣襯底的中心位置，由中心彈簧支撐座作為支撐點(diǎn)固定弧形支撐彈簧的一端，弧形支撐彈簧的另一端共同連接并支撐起環(huán)形質(zhì)量塊，使環(huán)形質(zhì)量塊懸空設(shè)置在絕緣襯底上；固定電極支撐座固定設(shè)置在絕緣襯底上，均勻分布于環(huán)形質(zhì)量塊外側(cè)，并通過蛇形支撐彈簧連接固定電極，使固定電極7懸空設(shè)置在絕緣襯底上；在環(huán)形質(zhì)量塊的邊緣位置上均勻開有數(shù)個(gè)凹口，每個(gè)凹口均位于相鄰的兩個(gè)固定電極之間，限位銷設(shè)置在凹口內(nèi)并固定在絕緣襯底上，限制環(huán)形質(zhì)量塊水平和垂直方向的過大位移及自身的旋轉(zhuǎn)。所述弧形支撐彈簧的個(gè)數(shù)大于等于3個(gè)；固定電極支撐座、蛇形支撐彈簧和固定電極的個(gè)數(shù)相等且大于等于4個(gè)。所述固定電極7設(shè)置在環(huán)形質(zhì)量塊的外側(cè)，固定電極是與環(huán)形質(zhì)量塊為同心圓的帶翻邊的圓弧梁，由圓弧側(cè)板與圓弧頂板相互垂直連接而成；圓弧側(cè)板與環(huán)形質(zhì)量塊之間存在徑向接觸間隙為1(Γ50微米，圓弧頂板覆蓋環(huán)形質(zhì)量塊外側(cè)的一部分，圓弧頂板與環(huán)形質(zhì)量塊之間存在軸向接觸間隙為1(Γ50微米。所述蛇形支撐彈簧與環(huán)形質(zhì)量塊在同一水平位置，是一匝或多匝的對(duì)稱彈簧組；線寬為1(Γ30微米，厚度為2(Γ80微米。所述限位銷由圓柱形銷柱和圓盤形銷帽連接構(gòu)成，凹口與銷柱徑向限位間隙為2(Γ60微米，切向限位間隙為15 55微米；徑向限位間隙大于切向限位間隙，且徑向與切向限位間隙都大于徑向接觸間隙；環(huán)形質(zhì)量塊與限位銷的銷帽間存在軸向限位間隙為3(Γ80微米，軸向限位間隙大于軸向接觸間隙。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)針對(duì)以往的微機(jī)械慣性開關(guān)只能對(duì)特殊方向加速度敏感，能感知的加速度方向范圍有限的問題，本發(fā)明是一種由若干弧形梁共同支撐環(huán)形質(zhì)量塊作可動(dòng)電極，蛇形彈簧支撐帶翻邊的圓弧梁作固定電極的微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)，能同時(shí)感應(yīng)來自絕緣襯底上方所有方向的加速度沖擊作用；蛇形彈簧支撐固定電極的設(shè)計(jì)有效改善了接觸效果并延長了接觸時(shí)間；限位銷的設(shè)計(jì)保證了開關(guān)具有較好的抗過載性能。


圖I是微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)的彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)的彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)與限位銷結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)的蛇形支撐彈簧支撐固定電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理如下，中心彈簧支撐座固定設(shè)置在圓形絕緣襯底的中心位置。由中心彈簧支撐座向外延伸出若干的弧形支撐彈簧共同連接并支撐起環(huán)形質(zhì)量塊，使環(huán)形質(zhì)量塊懸空于絕緣襯底上方。固定電極支撐座固定設(shè)置在絕緣襯底上，均勻分布于環(huán)形質(zhì)量塊外側(cè)，各固定電極支撐座通過蛇形支撐彈簧連接并支撐起一段與環(huán)形質(zhì)量塊為同心圓且?guī)Х叺膱A弧梁作為固定電極，固定電極上與絕緣襯底垂直的圓弧板稱為圓弧側(cè)板，與絕緣襯底平行的圓弧板稱為圓弧頂板。圓弧側(cè)板與環(huán)形質(zhì)量塊間存在很小間隙，是開關(guān)完、成水平方向閉合時(shí)環(huán)形質(zhì)量塊所要完成的徑向位移，稱之為徑向接觸間隙。同樣，圓弧頂板與環(huán)形質(zhì)量塊間也存在一個(gè)很小的間隙，是開關(guān)完成垂直方向閉合時(shí)環(huán)形質(zhì)量塊所要完成的軸向位移，稱之為軸向接觸間隙，徑向接觸間隙與軸向接觸間隙不必相等。在環(huán)形質(zhì)量塊上的邊緣位置上均勻開有數(shù)個(gè)凹口，每個(gè)凹口均位于相鄰的兩個(gè)固定電極之間，在每個(gè)凹口內(nèi)固定設(shè)置了限位銷，限制環(huán)形質(zhì)量塊水平和垂直方向的過大位移及自身的旋轉(zhuǎn)。整個(gè)微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)采用非娃微機(jī)電制造工藝制作而成。本發(fā)明中固定電極的圓弧側(cè)板與環(huán)形質(zhì)量塊為同心圓，在水平圓周上將環(huán)形質(zhì)量塊基本包圍，使環(huán)形質(zhì)量塊在水平方向上閉合時(shí)所需位移基本相同，增強(qiáng)了開關(guān)對(duì)不同方向加速度沖擊響應(yīng)時(shí)的方向適應(yīng)能力和水平方向接觸時(shí)的可靠性。本發(fā)明針對(duì)開關(guān)閉合接觸時(shí)間短，采用了蛇形彈簧支撐固定電極的解決方案，使得碰撞發(fā)生后，環(huán)形質(zhì)量塊沒有被立即彈回，而是推動(dòng)固定電極保持緊密接觸狀態(tài)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，極大程度延長了開關(guān)的閉合時(shí)間。 本發(fā)明為防止加速度沖擊載荷過大時(shí)，環(huán)形質(zhì)量塊位移過大而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞的現(xiàn)象而設(shè)計(jì)了限位銷，限位銷由銷柱和銷帽兩部分連接構(gòu)成，固定設(shè)置在環(huán)形質(zhì)量塊外側(cè)所開凹口內(nèi)。銷柱與環(huán)形質(zhì)量塊凹口間存在的徑向間隙和切向間隙分別被稱之為徑向限位間隙和切向限位間隙；垂直方向上銷帽與環(huán)形質(zhì)量塊間存在的間隙稱之為軸向限位間隙。具體功能實(shí)現(xiàn)是當(dāng)水平徑向受到過大加速度沖擊時(shí)，環(huán)形質(zhì)量塊碰撞固定電極水平運(yùn)動(dòng)直至凹口與限位銷銷柱徑向接觸，實(shí)現(xiàn)限位制動(dòng)作用；當(dāng)在平行于絕緣襯底的平面內(nèi)受到過大的旋轉(zhuǎn)加速度時(shí)，環(huán)形質(zhì)量塊繞開關(guān)中心自轉(zhuǎn)直至凹口與限位銷銷柱切向接觸，實(shí)現(xiàn)限位制動(dòng)作用；當(dāng)垂直方向受到過大加速度沖擊時(shí)，環(huán)形質(zhì)量塊碰撞固定電極向上運(yùn)動(dòng)直至環(huán)形質(zhì)量塊與限位銷銷帽接觸，實(shí)現(xiàn)限位制動(dòng)作用。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖I是微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。中心彈簧支撐座2和固定電極支撐座3固定設(shè)置在絕緣襯底I上。由中心彈簧支撐座2作為支撐點(diǎn)固定起弧形支撐彈簧3的一端，弧形支撐彈簧3的另一端共同連接并支撐環(huán)形質(zhì)量塊4，使環(huán)形質(zhì)量塊4懸空于絕緣襯底I上。固定電極支撐座3均勻分布于環(huán)形質(zhì)量塊4外側(cè)四周，通過蛇形支撐彈簧5與固定電極7連接。固定電極7上的圓弧側(cè)板9與環(huán)形質(zhì)量塊6間存在徑向接觸間隙為1(Γ50微米。固定電極7上的圓弧頂板10與環(huán)形質(zhì)量塊6間存在軸向接觸間隙為1(Γ50微米。限位銷8固定在絕緣襯底I上，位于環(huán)形質(zhì)量塊6外側(cè)四周的凹口內(nèi)，用于限制環(huán)形質(zhì)量塊6的過大位移及自身的旋轉(zhuǎn)。圖2是微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)的彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)示意圖。中心彈簧支撐座2固定在圓形的絕緣I中心位置。弧形支撐彈簧4的一端固定于中心彈簧支撐座2上，另一端共同連接環(huán)形質(zhì)量塊6，環(huán)形質(zhì)量塊6懸空在絕緣襯底I上方，與絕緣襯底I間存在間隙3(Γ50微米。所述弧形支撐彈簧4線寬10 20微米，厚40 80微米
所述環(huán)形質(zhì)量塊6厚6(Tl20微米，內(nèi)環(huán)半徑30(Γ350微米，外環(huán)半徑55(Γ800微米。圖3是微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)的彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)與限位銷結(jié)構(gòu)示意圖。限位銷8均勻分布于環(huán)形質(zhì)量塊6外側(cè)的半圓形凹口中，限位銷8由圓柱形銷柱和圓盤形銷帽連接構(gòu)成。
所述凹口直徑80 120微米。所述銷柱直徑50 90微米。凹口與銷柱徑向限位間隙為2(Γ60微米，切向限位間隙為15 55微米。徑向限位間隙大于切向限位間隙，且徑向與切向限位間隙都大于徑向接觸間隙。環(huán)形質(zhì)量塊6與限位銷8的銷帽間存在軸向限位間隙為3(Γ80微米，軸向限位間隙大于軸向接觸間隙。圖4是蛇形支撐彈簧支撐固定電極的結(jié)構(gòu)示意圖。圓弧側(cè)板9與圓弧頂板10相互垂直連接構(gòu)成固定電極7。固定電極支撐座3固定于絕緣襯底I上，蛇形支撐彈簧5 —端 固定在固定電極支撐座3上，另一端連接并支撐起懸空的固定電極7。所述蛇形支撐彈簧5與環(huán)形質(zhì)量塊在同一水平位置，是一匝或多匝的對(duì)稱彈簧組，線寬為10 30微米，厚度為20 80微米。下面結(jié)合具體實(shí)施例做進(jìn)一步說明。如圖I所示，本實(shí)施例包括絕緣襯底1，中心彈簧支撐座2，固定電極支撐座3，弧形支撐彈簧4，蛇形支撐彈簧5，環(huán)形質(zhì)量塊6，固定電極7和限位銷8，其中中心彈簧支撐座2固定設(shè)置在絕緣襯底I的中心位置上，由中心彈簧支撐座2作為支撐點(diǎn)固定弧形支撐彈簧4的一端，弧形支撐彈簧4的另一端共同連接并支撐起環(huán)形質(zhì)量塊6，使環(huán)形質(zhì)量塊6懸空設(shè)置在絕緣襯底I上；固定電極支撐座3固定設(shè)置在絕緣襯底I上，均勻分布于環(huán)形質(zhì)量塊6外側(cè)，并通過蛇形支撐彈簧5連接固定電極7，使固定電極7懸空設(shè)置在絕緣襯底I上，在環(huán)形質(zhì)量塊6上的邊緣位置上均勻開有數(shù)個(gè)凹口，每個(gè)凹口均位于相鄰的兩個(gè)固定電極7之間，限位銷8設(shè)置在凹口內(nèi)并固定在絕緣襯底I上，限制環(huán)形質(zhì)量塊6水平和垂直方向的過大位移及自身的旋轉(zhuǎn)。所述弧形支撐彈簧4線寬15微米，厚60微米；
所述環(huán)形質(zhì)量塊6厚60微米，內(nèi)環(huán)半徑350微米，外環(huán)半徑650微米；環(huán)形質(zhì)量塊6與絕緣襯底I間存在垂直間隙40微米；
所述環(huán)形質(zhì)量塊6邊緣所開凹口直徑為90微米；
所述固定電極7由圓弧側(cè)板9與圓弧頂板10相互垂直連接而成；圓弧側(cè)板9與環(huán)形質(zhì)量塊6之間存在徑向接觸間隙為15微米。圓弧頂板10與環(huán)形質(zhì)量塊6之間存在軸向接觸間隙為20微米；
所述銷柱直50微米；凹口與銷柱徑向限位間隙為30微米，切向限位間隙為20微米；環(huán)形質(zhì)量塊6與限位銷8的銷帽間存在軸向限位間隙為30微米；
所述蛇形支撐彈簧5是兩匝對(duì)稱的彈簧組。線寬20微米，厚60微米；
中心彈簧支撐座2與固定電極支撐座3分別連接外電路的兩極。當(dāng)所受沖擊加速度在徑向或軸向分量達(dá)到或超過閾值時(shí)，環(huán)形質(zhì)量6塊與固定電極7在徑向或軸向發(fā)生碰撞接觸。碰撞過種中，蛇形支撐彈簧5大大減小了碰撞時(shí)的剛度,有效增長了碰撞時(shí)的接觸時(shí)間并增強(qiáng)了接觸效果。當(dāng)受到的加速度沖擊較大時(shí)，環(huán)形質(zhì)量塊6將推動(dòng)固定電極7運(yùn)動(dòng)較大位移直至與限位銷接觸，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)作用。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)，其特征在于包括絕緣襯底(I)、中心彈簧支撐座(2)、多個(gè)固定電極支撐座(3)、多個(gè)弧形支撐彈簧(4)、多個(gè)蛇形支撐彈簧(5)、環(huán)形質(zhì)量塊(6)、多個(gè)固定電極(7)和多個(gè)限位銷(8)，中心彈簧支撐座(2)固定設(shè)置在絕緣襯底(I)的中心位置，由中心彈簧支撐座(2)作為支撐點(diǎn)固定弧形支撐彈簧(4)的一端，弧形支撐彈簧(4)的另一端共同連接并支撐起環(huán)形質(zhì)量塊(6)，使環(huán)形質(zhì)量塊(6)懸空設(shè)置在絕緣襯底(I)上；固定電極支撐座(3 )固定設(shè)置在絕緣襯底(I)上，均勻分布于環(huán)形質(zhì)量塊(6 )外側(cè)，并通過蛇形支撐彈簧(5)連接固定電極(7)，使固定電極(7)懸空設(shè)置在絕緣襯底(I)上；在環(huán)形質(zhì)量塊(6 )的邊緣位置上均勻開有數(shù)個(gè)凹口，每個(gè)凹口均位于相鄰的兩個(gè)固定電極(7 )之間，限位銷(8 )設(shè)置在凹口內(nèi)并固定在絕緣襯底(I)上，限制環(huán)形質(zhì)量塊(6 )水平和垂直方向的過大位移及自身的旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)，其特征在于所述弧形支撐彈簧(4)的個(gè)數(shù)大于等于3個(gè)；固定電極支撐座(3)、蛇形支撐彈簧(5)和固定電極(7)的個(gè)數(shù)相等且大于等于4個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)，其特征在于所述固定電極(7)設(shè)置在環(huán)形質(zhì)量塊(6)的外側(cè)，固定電極(7)是與環(huán)形質(zhì)量塊(6)為同心圓的帶翻邊的圓弧梁，由圓弧側(cè)板(9)與圓弧頂板(10)相互垂直連接而成；圓弧側(cè)板(9)與環(huán)形質(zhì)量塊(6)之間存在徑向接觸間隙為1(Γ50微米，圓弧頂板(10)覆蓋環(huán)形質(zhì)量塊(6)外側(cè)的一部分，圓弧頂板(10)與環(huán)形質(zhì)量塊(6)之間存在軸向接觸間隙為1(Γ50微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)，其特征在于所述蛇形支撐彈簧(5)與環(huán)形質(zhì)量塊(6)在同一水平位置，是一匝或多匝的對(duì)稱彈簧組；線寬為1(Γ30微米，厚度為20 80微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)，其特征在于所述限位銷(8)由圓柱形銷柱和圓盤形銷帽連接構(gòu)成，凹口與銷柱徑向限位間隙為2(Γ60微米，切向限位間隙為15 55微米；徑向限位間隙大于切向限位間隙，且徑向與切向限位間隙都大于徑向接觸間隙；環(huán)形質(zhì)量塊(6)與限位銷(8)的銷帽間存在軸向限位間隙為3(Γ80微米，軸向限位間隙大于軸向接觸間隙。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微機(jī)械萬向碰撞開關(guān)。固定在絕緣襯底(1)中心位置的中心彈簧支撐座(2)連接弧形支撐彈簧(4)的一端，弧形支撐彈簧(4)的另一端連接并支撐起懸空的環(huán)形質(zhì)量塊(6)；固定在絕緣襯底(1)上的固定電極支撐座(3)均勻分布于環(huán)形質(zhì)量塊(6)外側(cè)，并通過蛇形支撐彈簧(5)與懸空的固定電極(7)相連。環(huán)形質(zhì)量塊(6)分別與的圓弧側(cè)板(9)和圓弧頂板(10)之間存在徑向接觸間隙和軸向接觸間隙。環(huán)形質(zhì)量塊(6)外側(cè)凹口內(nèi)設(shè)置有限位銷(8)。本發(fā)明對(duì)來自絕緣襯底(1)上方任一方向的加速度都有良好響應(yīng)并具有較好的抗高過載性能。
文檔編號(hào)H01H35/14GK102693865SQ20121019817
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者席占穩(wěn), 張平, 程玄玄, 聶偉榮 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)