阅读说明：本技术 一种可复位mems双稳态触发器 (Resettable MEMS bistable trigger ) 是由 张霞 张大成 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种可复位MEMS双稳态触发器,属于MEMS制造领域,包括两个固定端、一个触发机构和一个双稳态机构,可实现原始状态和置位状态,以及可重新复位至原始状态。本发明可与集成电路制造工艺兼容,每触发一次就实现一次位置状态的闪动翻转,可用任意能产生位移推力的执行器驱动触发,可与触点结构配合实现物理开关功能。(The invention provides a resettable MEMS bistable trigger, which belongs to the field of MEMS manufacturing and comprises two fixed ends, a trigger mechanism and a bistable mechanism, wherein the trigger mechanism can realize an original state and a set state and can reset to the original state again. The invention can be compatible with the integrated circuit manufacturing process, realizes the flashing turnover of the position state once triggered, can be driven and triggered by any actuator capable of generating displacement thrust, and can be matched with a contact structure to realize the physical switch function.)

一种可复位MEMS双稳态触发器

技术领域

本发明属于MEMS制造领域，具体涉及一种可复位的闪动式片上MEMS双稳态触发器。

背景技术

双稳态结构是自动控制系统中重要的基础逻辑单元，开关是典型的双稳态器件。机械双稳态触发器结构的历史可以追溯到几百年前的捕鼠夹子，电子双稳态触发器的代表是采用集成电路技术制造的D触发器，也已经有约60年历史。电子双稳态触发器存在需要静态电流维持和不能对电流实现物理切断的问题。微电子机械系统(MEMS)技术突破了传统机械制造的局限，能够在集成电路芯片上制造机械结构，为系统级芯片工作时对某个子系统实现物理断电提供了技术可行性。但由于制造方法特殊，MEMS芯片结构空间体积小、微结构间不能存在摩擦和难以进行组装等一系列技术限制，使芯片结构设计充满挑战。

发明内容

本发明的目的是提出一种可复位MEMS双稳态触发器，可与集成电路制造工艺兼容，每触发一次就实现一次位置状态的闪动翻转，可用任意能产生位移推力的执行器驱动触发，可与触点结构配合实现物理开关功能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可复位MEMS双稳态触发器，包括：

两个固定端，每个固定端都包括向下凸起的锚端、连接于该锚端内侧的一弹性支撑梁和位于该弹性支撑梁上的一变形空间区，该锚端连接一衬底，该变形空间区为该弹性支撑梁提供形变空间；

一个触发机构，介于两个固定端之间，包括位于中间的一驱动块和位于该驱动块两侧的两个第一刚性连接杆；每个第一刚性连接杆的一端通过一缓冲结构和一弹性结构连接该驱动块，另一端通过另一弹性结构连接对应固定端的弹性支撑梁，该缓冲结构为该驱动块与第一刚性连接杆之间提供伸缩空间；

一个双稳态机构，介于两个固定端之间，包括位于中间的一作动块和位于该作动块两侧的两个第二刚性连接杆；每个第二刚性连接杆的一端通过一弹性结构连接该作动块，另一端通过另一弹性结构连接对应固定端的弹性支撑梁；

该触发机构和双稳态机构在一原始状态下为一平行于衬底的同向V形，当该触发机构受外力驱动下推动该双稳态机构作动块移动至通过其一轴向作用力临界点后，该双稳态机构受弹性支撑梁作用发生沿驱动方向的闪动并停止在与所述原始状态反向的V形时为一置位状态，当所述外力驱动撤销后，触发机构回复到所述原始状态，双稳态结构停留在置位状态，直到驱动机构再次出发后才会回到原始状态。

进一步地，所述变形空间区为开设于弹性支撑梁与外侧锚端之间的一矩形通孔，该弹性支撑梁的靠近触发机构和双稳态机构的边的中间处为弹性支撑梁连接第一刚性连接杆和第二刚性连接杆连接弹性支撑梁的位置。

进一步地，所述缓冲结构为一矩形框，该矩形框的一条边的中间处连接第一刚性连接杆，其对边的中间处连接弹性结构；当驱动块靠近作动块时，该矩形框的上述两边向内弯曲形变，以实现驱动块与第一刚性连接杆之间的伸缩。

进一步地，缓冲结构的弹性比弹性支撑梁小，保证触发机构推动双稳态机构置位的过程中不会对弹性支撑梁产生挤压，避免触发双稳态机构向原始状态闪动。

进一步地，所述驱动块为一箭头形状，其凸出部分位于靠近作动块的一侧，可在外力的驱使下与作动块抵触，其凹进部分位于背离作动块的一侧。

进一步地，所述作动块为一箭头形状，其凹进部分位于靠近驱动块的一侧，可被受力驱使的驱动块抵触，该凹进部分使来自驱动块的推动力在箭头指向的直线上，不会发生扭动，其凸出部分位于背离驱动块的一侧。

进一步地，所述触发机构可通过具有足够驱动力和位移的一驱动装置驱动。

进一步地，在双稳态机构的作动块可及的位置上可设有一个固定结构作为触点，在衬底上设有连接该触点的引出电极，由该引出电极和触点构成电路中的物理开关，用于机械逻辑控制。

进一步地，弹性支撑梁、触发机构和双稳态机构的弹性结构、缓冲结构的硬度依次减小。

进一步地，在对双稳态机构置位时，第一刚性连接杆对缓冲结构完全压缩，而未对弹性支撑梁产生挤压。

进一步地，该双稳态机构在置位状态下时，该触发机构受外力驱动下通过第一刚性连接杆向外挤压弹性支撑梁，使其失去对该双稳态结构的置位锁定作用，该双稳态机构在自身回弹力作用下复位到原始状态(复位状态)。

对于本可复位MEMS双稳态触发器，双稳态机构的置位依靠触发机构上的驱动块直接驱动，复位依靠触发机构挤压弹性支撑梁，使其失去对双稳态机构置位状态的锁定。该弹性支撑梁为一侧固定在锚端上，另一侧为悬浮状态。双稳态机构依靠第二刚性连接杆端头的弹性结构的回弹力来实现位置的变动。触发机构作用经过临界位置(即由V形变成反向V形时的位置)后，或弹性支撑梁失去对双稳态机构在置位状态的锁定力时，双稳态机构都会闪动到相应的状态位置。

附图说明

图1A-1B是本实施例的可复位MEMS双稳态触发器的俯视图和断面图。

图2A-2B是本实施例的可复位MEMS双稳态触发器的置位状态图和复位状态图。

1-固定端，11-锚端，12-弹性支撑梁，13-变形空间区，2-触发机构，21-弹性结构，22-第一刚性连接杆，23-驱动块，24-缓冲结构，3-双稳态机构，31-弹性结构，32-第二刚性连接杆，33-作动块。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

本实施例提出一种可复位MEMS双稳态触发器，为采用MEMS工艺在衬底材料上制造的微机械结构，如图1A-1B所示，由以下基础结构部件组成。

两个固定端1，用于连接衬底与本触发器，其包括向下凸起以连接衬底的锚端11、连接于该锚端11内侧的一弹性支撑梁12和位于该弹性支撑梁12上的一变形空间区13。其中，该弹性支撑梁12为本触发器的重要组成部分，以回弹力为双稳态机构3提供自适应稳定力。该形变空间区13为开设于弹性支撑梁12上的一矩形通孔，该矩形通孔的靠近触发机构2和双稳态机构3的边的中间处为弹性支撑梁12连接第一刚性连接杆22和第二刚性连接杆32连接弹性支撑梁12的位置，为弹性支撑梁12在受触发机2构挤压时提供无障碍动作弯曲形变空间。

一个触发机构2，介于两个固定端1之间，包括位于中间的一驱动块23和位于该驱动块23两侧的两个第一刚性连接杆22；每个第一刚性连接杆22的一端通过一缓冲结构24和一弹性结构21连接该驱动块23，另一端通过另一弹性结构21连接对应固定端1的弹性支撑梁12，该驱动块23和两个第一刚性连接杆22在不受力时于平行于衬底的平面上呈一V形形状。其中，该弹性结构21在触发机构2被驱动向双稳态机构3移动时，提供第一刚性连接杆22与弹性支撑梁12和驱动块23间的弹性连接。该第一刚性连接杆22为弹性支撑梁12和驱动块23提供刚性连接。该缓冲结构24为一矩形框，该矩形框的一条边的中间处连接第一刚性连接杆22，其对边的中间处连接弹性结构21，当驱动块23靠近作动块33时，该矩形框的上述两边向内形变，以实现驱动块23与第一刚性连接杆22之间的伸缩，为第一刚性连接杆22提供长度伸缩量，保证对双稳态机构3进行驱动置位时，通过轴向长度缩短，不会对弹性支撑梁12施加轴向推力来影响双稳态机构3的置位。该驱动块23的凹进部分接受外来位移驱动力，凸出部分将位移驱动力传递给作动块33。

一个双稳态机构3，介于两个固定端1之间并位于触发机构2的V形开口朝向的一侧，包括位于中间的一作动块33和位于该作动块33两侧的两个第二刚性连接杆32；每个第二刚性连接杆32的一端通过一弹性结构31连接该作动块33，另一端通过另一弹性结构31连接对应固定端1的弹性支撑梁12，该作动块33和两个第二刚性连接杆32在平行于衬底的平面上呈一V形形状，该V形和触发机构2的V形同向，V形夹角大于后者的V形夹角。其中，作动块33作为本触发器双稳态位置输出端，凹进部分接受驱动块23的位移驱动力，凸出部分可将位移驱动力传递给其他执行器结构。该弹性结构31在作动块33在两个稳态间动作时，提供第二刚性连接杆32与弹性支撑梁12和作动块33之间的弹性连接。该第二刚性连接杆32为弹性支撑梁12和作动块33之间提供刚性连接。

本可复位MEMS双稳态触发器的工作原理为：

1.图1A所示为原始状态，为不受力驱使的状态。

2.图2A为置位状态，从原始状态到置位状态的过程如下：

a)驱动块23受沿向下的力驱使，向作动块33移动，并通过抵触作动块33向下移动。

b)第一刚性连接杆22轴向伸缩，缓冲结构24受压变形收缩，吸收了驱动块23向作动块33移动时第二刚性连接杆32因角度变化造成的伸长量，基本不会对弹性支撑梁12产生挤压变形。

c)作动块33移动到第二刚性连接杆32中心轴与弹性支撑梁12中心轴垂直(与水平轴夹角从正角度变为零度)时对弹性支撑梁12产生最大挤压力，使其发生最大弯曲形变，这时双稳态机构3处于临界点位置。

i.撤销驱动力，弹性支撑梁12的回弹力将驱动双稳态机构3回到原始状态。

ii.继续驱动使作动块33通过临界点，第二刚性连接杆32的中心轴与水平轴夹角从零度变为负角度，弹性支撑梁12的回弹力将从两侧挤压第二刚性连接杆32，使弹性结构21发生扭转变形，双稳态机构3在弹性支撑梁12的回弹力挤压作用下，第二刚性连接杆32中心轴与水平轴的负夹角增加，在没有驱动块23的推动下发生闪动，快速移动到置位状态，停止移动。

3.如图2B所示为复位状态，从置位状态复位到原始状态过程如下：

a)驱动块23受向下的力的驱动下向作动块33移动，直到第一刚性连接杆22轴向伸缩，缓冲结构21被完全压缩，这时，第一刚性连接杆22还未达到与水平轴平行。

b)继续对驱动块23施加位移驱动力，第一刚性连接杆22在与水平轴夹角变小的同时开始对弹性支撑梁12进行挤压，使双稳态机构3失去弹性支撑梁12的回弹挤压力，在弹性结构31的回弹力作用下闪动回原始位置。

c)继续推动作动块23产生挤压变形，保证触发机构2执行驱动动作。

为保证本可复位MEMS双稳态触发器正常工作，各部分结构设计应满足以下要求：

1.在几处柔性结构中，缓冲结构最软，弹性结构和弹性结构次软，弹性支撑梁较硬。

2.第一刚性连接杆角度和长度设计应保证：

a)在置位双稳态机构时，第一刚性连接杆的轴向伸缩时，使缓冲结构正好被完全压缩，而第一刚性连接杆还没有对弹性支撑梁产生挤压。

b)在复位双稳态机构时，第一刚性连接杆轴向伸缩时，缓冲结构被完全压缩后，驱动块可继续移动，使第一刚性连接杆对弹性支撑梁产生挤压，直到双稳态机构开始回弹复位时，第一刚性连接杆与水平轴的夹角应大于零度，且驱动块的尖端位置不能阻挡作动块回到临界位置的原始位置一侧。

关于本可复位MEMS双稳态触发器的制造，绝大多数MEMS芯片工艺都以在衬底基片上制造可动结构为目标，因此只要是能够在基片上制造可动结构的MEMS工艺都适合制造本可复位MEMS双稳态触发器，以下是采用玻璃片或表面带有绝缘介质硅片上的硅结构工艺为例，说明本双稳态触发器的制造方法。制造步骤包括：

1.在单晶硅片上光刻连接锚端结构图形，刻蚀2-4μm，形成凸起的锚端结构；

2.将上述单晶硅片与衬底进行键合；

3.采用KOH腐蚀或磨片设备将上述单晶硅片减薄至60-100μm；

4.光刻双稳态触发器结构，硅深刻蚀至穿通释放双稳态触发器结构。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。