TWI512777B - 慣性開關 - Google Patents

Description

慣性開關

本發明涉及一種開關，尤其涉及一種受到慣性衝擊時自動啟動的慣性開關。

慣性開關是一種感受慣性加速度，執行開關機械動作的精密慣性裝置。其在受到慣性衝擊時能夠自動啟動，連接相關設備進行相應操作。目前，慣性開關的用途越來越廣泛，如用於汽車領域的慣性保護開關，當車輛遇到碰撞或劇烈衝擊時，該開關會跳起工作，啟動與其連接的相關設備斷開汽油泵供電，使發動機強制熄火，減少事故損失進一步擴大或起火的可能性，對車輛有保護作用。

目前廣泛採用的慣性開關為機械加工組裝機構，具體積大、重量大等缺點，其由許多精密的齒輪、滑塊、彈簧等零件所組成，在製作與組裝上需耗費大量的人力、工時、設備，製作成本高昂。

本發明要解決的技術問題是提供一種製程與結構簡單，成本低廉的慣性開關。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種慣性開關，其包括相互堆疊的底板和蓋板，其內部設有液體儲存腔、感測腔以及導通其間的流道，其中該液體儲存腔內密封有定量之工作流體，而該感測腔內設有延伸至慣性開關外部連接設備的感應電極。

其中，所述液體儲存腔與感測腔通過流道相通，所述流道的寬度為500~1000微米。

其中，所述流道的寬度為750微米。

其中，所述流道的深度為250微米。

其中，所述液體儲存腔與感測腔通過流道相通，所述流道與感測腔的連接開放角為30~90度。

其中，所述流道與感測腔的連接開放角為60度。

其中，所述液體儲存腔和感測腔分別經由氣壓通道連通於一氣壓調節腔室。

其中，所述之工作流體為可導電液體，例如為液態金屬。

其中，所述液態金屬為鎵銦錫合金、水銀或鈉鉀合金。

其中，所述之工作流體為非導電液體，例如為甘油、水、聚乙二醇或十二烷基磺酸鈉(Sodium Dodecyl Sulfate,SDS)。

為了解決上述技術問題，本發明提供了前述慣性開關的製作方法，包括以下步驟：(1)製作底板，並於底板上開設液體儲存腔與感測腔，以及導通液體儲存腔和感測腔間的流道；(2)製作蓋板，並於蓋板上對應感測腔的位置製作感應電極；(3)滴定定量之工作流體於底板的液體儲存腔；(4)將該蓋板堆疊於該底板之上並封裝底板與蓋板。

其中，採用微機電製程之矽晶圓蝕刻技術完成液體儲存腔與感測腔，以及導通液體儲存腔和感測腔間的流道和流道的開設。微機電製程技術之優點，即可選擇成熟之半導體製程設備及代工廠製造元件，批量製造以降低製作成本與增加元件良率，同時已開發之微機電局部加熱封裝元件機 制，可以達到晶圓級封裝，完成抗汙損及抗氧化、使用壽命延長與結構封裝保護之目的。

其中，採用物理氣相沈積及黃光微影製程製作感應電極；並利用高分子沈積系統、黃光微影與氧電漿蝕刻在感應電極上定義高分子區域，以分別得到親水性的金屬電極部分與疏水性的高分子部分。

其中，採用定量點膠系統滴定工作流體於液體儲存腔。

其中，採用微機電晶圓接合技術封裝底板與蓋板。為了解決上述技術問題，前述慣性開關的作動方法，包括以下步驟：(1)令所述慣性開關之液體儲存腔內的工作流體流入所述感測腔；(2)所述感應電極感測到工作流體流入感測腔而發出一感測訊號，啟動該連接慣性開關的外部設備。

其中，所述工作流體為導電液體之液態金屬，所述感應電極通過電阻檢測或電容檢測的方式感測工作流體流入感測腔；所述工作流體為非導電液體，所述感應電極通過電容檢測的方式感測非導電流體流入感測腔。

其中，所述液態金屬為鎵銦錫合金、水銀或鈉鉀合金。

其中，所述非導電液體為甘油、水、聚乙二醇或十二烷基磺酸鈉(Sodium Dodecyl Sulfate,SDS)，所述感應電極通過電容檢測的方式感應到非導電液體流入感測腔。

本發明利用液態材料作為慣性感測之檢測體，並藉由流道寬度、深度及角度設計，當液態材料經過流道進入感測腔時，可藉由感測電極透過電阻值或電容值變化，得到訊號以進行開關啟動操作。此外，本發明在液態材料受到慣性力而造成流動行為時，通過流道角度與寬度的幾何設計對流 體產生的流阻效應，還可得到延時功能，使得慣性感測開關性能提高，進而使得開關應用更加廣泛。

其中，前述底板係可為矽基材所製成，而該蓋板係可為玻璃基材所製成。然應知道的是，此材料上的選用僅為說明性用途，而非用以限定申請專利範圍。任何其他不脫離本案發明精神之材料上的變化，例如：反之，底板為玻璃基材製成，而該蓋板矽為矽基材製成，亦應該是被涵蓋在本案之申請專利範圍所界定之範圍之內。

相較於傳統機械加工組裝機構，由許多精密的齒輪、滑塊、彈簧等零件所組成之慣性保險機構，本發明利用液態材料作為慣性感測之檢測體可改善其體積大、重量大等缺點，且避免製作與組裝上耗費大量的人力、工時、設備。

此外，本發明能有效大幅度地提高延時功能，經初步結構測試結果延時達10秒以上，使得開關性能提高，進而使得元件應用更加廣泛，其特性規格、良率成本具有競爭力。

更重要的是，本發明提供一種整合液態材料於慣性開關之結構設計，其藉由流道寬度、深度及連接開放角設計，甚至工作流體的選擇，可以經由其不同材料特性如表面張力及液固介面接觸角，使得流阻效應改變，大幅提升延時範圍並可根據使用規格而參數化調變。由上可知，本發明係涉及了創新性設計、製程與材料技術開發。

1‧‧‧底板

11‧‧‧液體儲存腔

12‧‧‧感測腔

13‧‧‧工作流體

14‧‧‧流道

15‧‧‧氣壓通道

2‧‧‧蓋板

21‧‧‧感應電極

a‧‧‧連接開放角

W‧‧‧流道寬度

S101、S102、S103、S104‧‧‧慣性開關的製作方法步驟

S201、S202‧‧‧慣性開關的作動方法步驟

第1圖是本發明的一種慣性開關的底板示意圖。

第2圖是本發明的一種慣性開關的蓋板示意圖。

第3圖是本發明的一種慣性開關的組合示意圖。

第4圖是本發明的一種慣性開關的結構原理平面圖。

第5圖是本發明的一種慣性開關的連接開放角與延遲時間關係示意圖。

第6圖是本發明的一種慣性開關的流道寬度與延遲時間關係示意圖。

第7圖是本發明的一種慣性開關在PCB電路板的應用示意圖。

第8圖是本發明的慣性開關的製作方法流程圖。

第9圖是本發明的慣性開關的作動方法流程圖。

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，以使本領域的技術人員可以更好地理解本發明並能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。

如第1圖至第6圖所示，本發明的一種慣性開關，包括相互堆疊的底板1和蓋板2，該底板1上設有相通的液體儲存腔11和感測腔12，液體儲存腔11內密封有工作流體13，感測腔12內設有延伸至慣性開關外部之連接設備的感應電極21。

前述底板1係可為矽基材所製成，而該蓋板2係可為玻璃基材所製成。

第1圖所示為本發明的一種慣性開關的底板1示意圖，在底板1上開有液體儲存腔11和感測腔12，二者通過流道14連接。液體儲存腔11內的工作流體13可以是液態金屬，較佳為鎵銦錫合金、水銀或鈉鉀合金等液態金屬；除液態金屬外，非導電液體還可以是甘油、水、聚乙二醇或十二烷基磺酸鈉等非金屬液體。作為一種較佳實施方式，液體儲存腔11和 感測腔12可分別經由氣壓通道15連通於一氣壓調節腔室，藉由氣壓調節腔室調節液體儲存腔11和感測腔12內的氣壓，可以避免工作流體13在流動過程中因氣壓差異而阻滯。所述氣壓通道15的形狀或結構於此並無特別的限制，生產者可根據實際需要生產，需要特別指出的是，液體儲存腔11和感測腔12的氣壓通道15可如第1圖般連接在一起。

第2圖所示為本發明的一種慣性開關的蓋板2示意圖，蓋板2上與感測腔12對應的位置製作有感應電極21，感應電極21的形狀及結構可根據實際需要生產，此為本領域的成熟技術，在此不再詳述。

第3圖所示為本發明的一種慣性開關的組合示意圖，矽基底板1與蓋板2組合後，感應電極21位於感測腔12內，工作流體13被密封於液體儲存腔11內。

第4圖所示為本發明的一種慣性開關的結構原理平面圖，在慣性開關的啟動的條件成就，如安裝慣性開關的設備受到慣性衝擊時，工作流體13克服阻力流至感測腔12，感應電極21通過電阻感測或電容感測感應到工作流體13流入，會發出一感測訊號，藉該感測訊號可啟動連接該慣性開關的一外部設備；若慣性衝擊不足，不足以使工作流體13流入感測腔12，慣性開關不會啟動。臨界阻力的大小，可通過流道寬度W、流道14與感測腔12的連接開放角a的大小以及工作流體的選用來實現，流道14的寬度愈大、連接開放角a愈小以及工作流體13的表面張力愈小，都會使工作流體13更容易克服阻力流至感測腔12，反之亦然。

需要特別指出的是，由於工作流體13從液體儲存腔11流入感測腔12需要一定的時間，故本發明還解決了開關延遲啟動的技術問題，延遲的時 間亦可由生產者進行控制，流道14的寬度愈大、連接開放角a愈小以及工作流體13的表面張力愈小，工作流體13的流動則更順利，延遲時間也愈短。第5圖所示為連接開放角a與延遲時間的關係示意圖，其揭示了連接開放角a在30-90度的範圍內，延遲時間的變化，其中本案第5圖中的流道寬度W為1000微米。當連接開放角a為30度時，延遲時間約為3秒，60度時延遲大於7秒，90度時的延遲則大於8秒。第6圖揭示了流道寬度W在500-1000微米的範圍內，延遲時間的變化，由第6圖可以看出，在第6圖的開放角度a是60度的條件下，流道寬度W為500微米時，延遲約為11秒，750微米時延遲約為9秒，1000微米時延遲僅約7秒。需要說明的是，第5圖與第6圖的表現成果係以甘油(Glycerol)為工作流體，僅作為一種較佳實施方式，且選用的寬度和角度僅為本發明的較佳實施方式，並不作為對本發明的限制，生產者完全可以採用其他資料來實現需要的延遲，僅以寬度和角度變化區別於本發明均為顯而易見的。

本發明可動態調整啟動延遲時間、啟動阻力條件，創造性的利用結構簡單的液體流動機制替代現有複雜的慣性開關結構，可廣泛地應用多種場合，第7圖所示為本發明的慣性開關在PCB電路板的應用示意圖，在此僅舉一例，並不作為對本發明應用的限制。

如第8圖所示，本發明還揭示了前述慣性開關的製作方法，包括以下步驟：S101，製作底板1，並於底板1上開設液體儲存腔、感測腔以及導通其間的流道；S102，製作蓋板2，並於蓋板2上對應感測腔12的位置製作感應電極 21；S103，滴定工作流體13於底板1的液體儲存腔11；S104，將該蓋板2堆疊於該底板1之上並封裝底板1與蓋板2。

前述之步驟還可進一步優化，採用各種製程技術，如步驟S101中，採用微機電製程之矽晶圓蝕刻技術完成液體儲存腔、感測腔以及導通其間的流道的開設；步驟S102中，採用物理氣相沈積及黃光微影製程製作感應電極21，並利用高分子沈積系統、黃光微影與氧電漿蝕刻在感應電極21上定義高分子區域，以分別得到親水性的金屬電極部分與疏水性的高分子部分；步驟S103中，採用定量點膠系統滴定工作流體13於液體儲存腔11；步驟S104中，採用微機電晶圓接合技術封裝底板1與蓋板2。

如第9圖所示，本發明還揭示了前述慣性開關的作動方法，包括以下步驟：S201，令所述慣性開關之液體儲存腔11內的工作流體13流入所述感測腔12；S202，所述感應電極21感測到工作流體13流入感測腔12。該感測訊號可啟動連接慣性開關的外部設備。

作為較佳的實施方式，本方法的工作流體13可為液態金屬，此時，感應電極21通過電阻檢測或電容檢測的方式感測到流入感測腔12的工作流體，較佳地，液態金屬為鎵銦錫合金、水銀或鈉鉀合金。作為另一較佳的實施方式，本方法的工作流體13也可以甘油、水、聚乙二醇或十二烷基磺酸鈉等非金屬液體，此時，感應電極21通過電容檢測的方式感應到流入感測腔12的工作流體。

本發明應用工作流體於具延時功能及慣性感測功能的慣性開關裝置，其包含利用微機電製程之矽晶圓蝕刻技術，以完成底板的流道、液體儲存腔及感測腔結構設計，並於蓋板利用物理氣相沈積及黃光微影製程製作感測金屬電極及導線，接著利用高分子沈積系統及黃光微影與氧電漿蝕刻定義高分子區域，以分別得到親水性(金屬電極部分)與疏水性區域(高分子部分)，並利用定量點膠系統滴定液態材料(如鎵銦錫合金、水銀、鈉鉀合金、甘油、水、聚乙二醇或十二烷基磺酸鈉(Sodium Dodecyl Sulfate,SDS)等等)於液體儲存腔，之後藉由微機電晶圓接合技術封裝底板與蓋板，整合工作流體於具微型延時及慣性感測功能的慣性開關元件製作。

本發明之操作原理即利用定量工作流體作為慣性感測之檢測體，並藉由流道寬度及連接開放角設計，對於工作流體材料受到慣性力而造成流動行為時，進而流道的寬度、深度與角度設計對流體產生流阻效應，以得到延時功能，而當液體材料經過延遲後進入感測腔時，可藉由感測電極透過電阻值或電容值變化，得到訊號以進行開關啟動。

以上所述實施例僅是為充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，本發明的保護範圍不限於此。本技術領域的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明的保護範圍之內。

1‧‧‧底板

11‧‧‧液體儲存腔

12‧‧‧感測腔

13‧‧‧定量之工作流體

14‧‧‧流道

15‧‧‧氣壓通道

2‧‧‧蓋板

21‧‧‧感應電極

Claims (10)

1. 一種慣性開關，其包括相互堆疊的底板和蓋板，所述底板上設有液體儲存腔、感測腔以及導通其間的流道，所述液體儲存腔內密封有工作流體，所述感測腔內設有延伸至慣性開關外部之感應電極。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的慣性開關，其中所述液體儲存腔與感測腔通過流道相通，所述流道的寬度為500~1000微米。
3. 根據申請專利範圍第2項所述的慣性開關，其中所述流道的寬度為750微米。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的慣性開關，其中所述液體儲存腔與感測腔通過流道相通，所述流道與感測腔的連接開放角為30~90度。
5. 根據申請專利範圍第4項所述的慣性開關，其中所述流道與感測腔的連接開放角為60度。
6. 根據申請專利範圍第1項所述的慣性開關，其中所述液體儲存腔和感測腔分別經由氣壓通道連通於一氣壓調節腔室。
7. 根據申請專利範圍第1項所述的慣性開關，其中所述工作流體為液態金屬。
8. 根據申請專利範圍第7項所述的慣性開關，其中所述液態金屬為鎵銦錫合金、水銀或鈉鉀合金。
9. 根據申請專利範圍第1項所述的慣性開關，其中所述工作流體為非導電液體，其為甘油、水、聚乙二醇或十二烷基磺酸鈉。
10. 根據申請專利範圍第1項所述的慣性開關，其液體儲存腔、感測 腔以及導通其間的流道係採用微機電製程之矽晶圓蝕刻技術完成開設。