专利摘要

本发明提供了一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁及其制备方法，所述密码锁包括一对密码轮，用于控制光耦合盘位置；一个光耦合盘，位于其中一个密码轮下方，用于与该密码轮配合实现光通路；两组微电机，一组传动机构，包括四个传动齿轮、两组棘轮棘爪，用于控制密码轮转向；六个支撑住，用于支撑密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮棘爪；两个基板，用于封装和保护密码锁内部机构。本发明采用EFAB一体化工艺，具有工艺简洁、体积小、结构精密、性能安全可靠的优点。

权利要求

1.一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，所述密码锁包括：

一对密码轮，用于控制光耦合盘位置；

一个光耦合盘，位于一对密码轮其中一个的下方，用于与密码轮配合实现光通路；

一组传动机构，包括四个传动齿轮和两组棘轮棘爪，用于控制密码轮转向；

两个微电机，每个微电机由两个定子和一个转子组成，用于带动传动齿轮转动，从而带动密码轮转动；

八个支撑柱，用于支撑密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪；

两个基板，用于封装和保护密码锁其他各部件。

2.根据权利要求1所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，所述密码轮为一对单向运动的反干涉齿轮集，由传动机构带动并控制转动方式，可实现密码固化与鉴别，可通过调整各层码盘的齿分布、码盘的层数来适应密码比特数的变化；所述密码轮的材料为镍。

3.根据权利要求1所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，在所述光耦合盘的特定位置打孔，基板在特定位置处也留有通孔，当密码正确时，光耦合盘上的孔与基板上的通孔形成一条光通路，进而实现光通信；所述光耦合盘的材料为镍。

4.根据权利要求1所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，所述传动机构包括四个传动齿轮和两组棘轮、棘爪，其中：传动齿轮由微电机驱动转动，从而带动密码轮转动；棘爪控制棘轮单方向转动，从而控制传动齿轮单方向转动，最终控制密码轮单方向转动；

四个所述传动齿轮以及两组棘轮、棘爪的材料均为镍。

5.根据权利要求1所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，两个所述微电机的结构相同，均由两个定子和一个转子组成，其中：两个定子分别生长在两个基板上，转子由支撑柱支撑，转子与两个定子间的气隙一致，转子的外围为与传动齿轮啮合的齿轮结构，当转子转动时带动传动齿轮转动，从而带动密码轮转动。

6.根据权利要求5所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，所述定子的线圈中间有镍磁芯，并在线圈之间填充氧化铝作为绝缘材料；所述线圈的材料为铜；所述转子的材料为镍。

7.根据权利要求1所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，用于支撑所述棘爪的所述支撑柱一个端面生长在基板上，其他所述支撑柱的两个端面分别生长在两个基板上；所述支撑柱与密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪之间均留有间隙，以使密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪均可绕支撑柱转动；所述支撑柱的材料为镍。

8.根据权利要求7所述的一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，其特征在于，两个所述基板均为长方体结构，并由支撑柱连接，两个所述基板之间构成容纳和保护其他各部件的空间；所述基板用于生长微电机的定子，定子的线圈引线穿过基板，基板的表面有金焊点用于电气连接；所述基板的材料为铁氧体。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)、定子加工工艺：

在硅基板沉积金焊点；接着沉积聚酰亚胺牺牲层；沉积Cu引线；沉积硅基板通孔的聚酰亚胺牺牲层；沉积铁氧体基板；沉积底层连接线层和传动机构的支撑柱；沉积Al₂O₃绝缘层；沉积铜引线和传动机构的支撑柱；沉积Al₂O₃绝缘层；沉积第一层线圈和传动机构的支撑柱，线圈中间是镍磁芯；沉积Al₂O₃绝缘层；沉积Cu引线和传动机构的支撑柱，沉积Al₂O₃绝缘层，重复上述步骤制作接下来的几层线圈，最后得到带有引线脚线圈的定子；

(2)、其他结构的工艺：

在一个制作好定子的硅基板上分层沉积，按照EFAB工艺，沉积一层结构层，再沉积一层牺牲层，将结构层和牺牲层磨平，再加工下一层；最终实现光耦合盘、传动齿轮、支撑柱、微电机转子、密码轮、棘轮、棘爪的结构，其中：在支撑柱与光耦合盘、密码轮、转子、传动齿轮、棘轮、棘爪之间设置牺牲层，后期腐蚀去掉，以便于光耦合盘、密码轮、传动齿轮、棘轮、棘爪可以绕其支撑柱转动；

(3)将步骤(2)得到的结构作为密码锁的下层结构，将下层结构的硅基板剥除并腐蚀掉牺牲层；将另一个制作好定子的硅基板剥除并腐蚀掉牺牲层，作为密码锁的上层结构；将上下两层结构键合，得到完整的密码锁。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的机械密码锁，具体地，涉及一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁及其制备方法。

背景技术

微机电安全密码锁是一种用于要害系统(highconsequencesystem，指由于意外事故或人为破坏造成重大灾难性后果的系统)中的能量门控或开关机构(energygatingorswitchingmechanism)，能阻止外加能量通过屏障(barrier)到达禁区(exclusionregion)内部。能打开此密码锁的唯一号码是一组独特信号(UQS,UniqueSignal)。相对于数字密码锁可以被破解的缺点，微机电安全密码锁满足要害系统的四个安全主题，即隔离性(isolation)、不兼容性(incompatibility)、不可操作性(inoperability)、独立性(independence)。

随着集成电路工艺和超精密加工技术的迅猛发展，机械结构尺寸越来越细小，微机电密码锁技术已成为各发达国家的研究热点。基于MEMS技术的微机电密码锁具有可靠性高、误解码率低、外型微小、寿命长等特点，是一种典型的机电一体化或光机电一体化系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁的结构和工艺，具有体积小、结构精密、工艺简单，性能安全可靠的优点。

根据本发明的一个方面，提供一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，所述密码锁包括：

一对密码轮，用于控制光耦合盘位置；

一个光耦合盘，位于一对密码轮其中一个的下方，用于与密码轮配合实现光通路；

一组传动机构，包括四个传动齿轮和两组棘轮棘爪，用于控制密码轮转向；

两个微电机，每个微电机由两个定子和一个转子组成，用于带动传动齿轮转动，从而带动密码轮转动；

八个支撑柱，用于支撑密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪；

两个基板，用于封装和保护密码锁其他各部件。

优选地，所述密码轮为一对单向运动的反干涉齿轮集，由传动机构带动并控制转动方式，可实现密码固化与鉴别，可通过调整各层码盘的齿分布、码盘的层数来适应密码比特数的变化。

优选地，在所述光耦合盘的特定位置打孔，基板在特定位置处也留有通孔，当密码正确时，光耦合盘上的孔与基板上的通孔形成一条光通路，进而实现光通信。

优选地，所述传动机构包括四个传动齿轮和两组棘轮、棘爪，其中：传动齿轮由微电机驱动转动，从而带动密码轮转动；棘爪控制棘轮单方向转动，从而控制传动齿轮单方向转动，最终控制密码轮单方向转动。

优选地，两个所述微电机的结构相同，均由两个定子和一个转子组成，其中：两个定子分别生长在两个基板上，转子由支撑柱支撑，转子与两个定子间的气隙一致；转子的外围为与传动齿轮啮合的齿轮结构，当转子转动时带动传动齿轮转动，从而带动密码轮转动。

更优选地，所述定子的线圈中间有镍磁芯，并在线圈之间填充氧化铝作为绝缘材料。

更优选地，所述线圈的材料为铜。

优选地，用于支撑所述棘爪的所述支撑柱一个端面生长在基板上，其他所述支撑柱的两个端面分别生长在两个基板上；所述支撑柱与密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪之间均留有间隙，以使密码轮、光耦合盘、传动齿轮、微电机以及棘轮、棘爪均可绕支撑柱转动。

优选地，两个所述基板均为长方体结构，并由支撑柱连接，两个所述基板之间构成容纳和保护其他各部件的空间；所述基板用于生长微电机的定子，定子的线圈引线穿过基板，基板的表面有金焊点用于电气连接。

更优选地，所述基板的材料为铁氧体，铁氧体是电阻率较大的导磁材料，有利于微电机磁路性能的提高。

优选地，所述密码轮、光耦合盘、传动齿轮、棘轮棘爪、支撑柱以及微电机的转子材料均为镍。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)、定子加工工艺：

在硅基板沉积金焊点；接着沉积聚酰亚胺牺牲层；沉积Cu引线；沉积硅基板通孔的聚酰亚胺牺牲层；沉积铁氧体基板；沉积底层连接线层和传动机构的支撑柱；沉积Al₂O₃绝缘层；沉积铜引线和传动机构的支撑柱；沉积Al₂O₃绝缘层；沉积第一层线圈和传动机构的支撑柱，线圈中间是镍磁芯；沉积Al₂O₃绝缘层；沉积Cu引线和传动机构的支撑柱，沉积Al₂O₃绝缘层，重复上述步骤制作接下来的几层线圈，最后得到带有引线脚线圈的定子；

(2)、其他结构的工艺：

在一个制作好定子的硅基板上分层沉积，按照EFAB工艺，沉积一层结构层，再沉积一层牺牲层，将结构层和牺牲层磨平，再加工下一层；最终实现光耦合盘、传动齿轮、支撑柱、微电机转子、密码轮、棘轮、棘爪的结构，其中：在支撑柱与光耦合盘、密码轮、转子、传动齿轮、棘轮、棘爪之间设置牺牲层，后期腐蚀去掉，以便于光耦合盘、密码轮、传动齿轮、棘轮、棘爪可以绕其支撑柱转动；

(3)将步骤(2)得到的结构作为密码锁的下层结构，将下层结构的硅基板剥除并腐蚀掉牺牲层；将另一个制作好定子的硅基板剥除并腐蚀掉牺牲层，作为密码锁的上层结构；将上下两层结构键合，得到完整的密码锁。

本发明中所述密码锁采用EFAB工艺，逐层沉积的技术可加工出任意的内部结构，一体化的工艺使得所述密码锁结构紧凑精密，完善的部件设计保障了安全可靠的性能。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、利用EFAB工艺思想，可通过相对简单的工艺得到复杂的三维结构；

2、借助微加工优势使得密码锁器件小型化，结构精密；

3、工艺设计中牺牲层和绝缘层的设置，保障了可靠的操作性能；

4、棘轮棘爪以及反干涉齿轮的设计，使得密码锁成为功能完善，安全可靠的器件。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁的三维结构示意图；

图2为本发明一实施例的反干涉传动齿轮集的三维示意图；

图3A为本发明一实施例的光耦合盘的三维示意图；

图3B为本发明一实施例在密码正确时实现光通路的三维示意图；

图4为本发明一实施例的传动机构的三维示意图；；

图5A为本发明一实施例的微电机结构的三维示意图；

图5B为本发明一实施例的微电机定子的结构示意图；

图5C为本发明一实施例的微电机转子的结构示意图；

图6为本发明一实施例的基板的三维示意图；

图7为本发明一实施例的微电机定子的工艺流程图；

图8A为本发明一实施例的工艺流程图；

图8B为本发明一实施例的支撑柱与转动部件间隙的工艺设计图。

图中：1为铁氧体基板，2为棘爪，3为棘轮，4为传动齿轮，5为定子，6为转子，7为密码轮，8为光耦合盘，9为支撑柱，10为金焊点，11为硅基板，12为聚酰亚胺牺牲层，13为氧化铝绝缘层，14为铜连接线，15为铜线圈，16为镍磁芯，17为黑色牺牲层，18为光通孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁，包括：

一对密码轮7，用于控制光耦合盘8位置；

一个光耦合盘8，位于一对密码轮7其中一个的下方，用于与密码轮7配合以实现光通路；

一组传动机构，包括四个传动齿轮4，两组棘轮3、棘爪2，用于控制密码轮7转向；

两个微电机，每个微电机由两个定子5和一个转子6组成，用于带动传动齿轮4转动，从而带动密码轮7转动；

八个支撑柱9，用于分别支撑密码轮7、光耦合盘8、传动齿轮4、微电机以及棘轮3、棘爪2；

两个铁氧体基板1，用于封装和保护密码锁的其他各部件。

如图2所示，作为一个优选，所述密码轮7为一对单向运动的反干涉齿轮集，由一组所述传动机构带动并控制其转动方式，可实现密码固化与鉴别，可通过调整各层码盘的齿分布、码盘的层数来适应密码比特数的变化。

如图3A、图3B所示，作为一个优选，在所述光耦合盘8特定位置打孔，当密码正确时，所述光耦合盘8的孔与所述硅基板11上特定位置的孔形成一条光通路，进而实现光通信。

如图4所示，作为一个优选，所述传动机构包括四个传动齿轮4和两组棘轮3、棘爪2，其中：所述微电机驱动所述传动齿轮4转动，所述传动齿轮4带动所述密码轮7转动，所述棘爪2控制所述棘轮3单方向转动，从而控制所述传动齿轮4单方向转动，最终控制所述密码轮7单方向转动。

作为一个优选，所述支撑柱9用于分别支撑所述密码轮7、所述光耦合盘8、所述传动齿轮4、所述微电机以及所述棘轮3、所述棘爪2；且所述支撑柱9与所述密码轮7、所述光耦合盘8、所述传动齿轮4、所述微电机以及所述棘轮3、所述棘爪2之间留有间隙，以使上述部件可绕所述支撑柱9转动；所述支撑柱9的两个端面分别生长在两个所述硅基板11上。

如图5A、5B、5C所示，作为一个优选，每个所述微电机均由两个定子5和一个转子6组成，其中：两个所述定子5分别生长在两个所述硅基板11上，所述转子6由支撑柱9支撑，所述转子6与两个所述定子5间的气隙一致。

作为一个优选，所述定子5有六个线圈，所述转子6中心均匀分成八个质量块，所述微电机工作时，所述转子6的质量块由于受到所述定子5线圈的力作用而转动。

作为一个优选，所述转子6外围是齿轮结构，当所述转子6转动时，可以带动所述传动齿轮4转动，从而带动所述密码轮7转动。

如图6所示，作为一个优选，两个所述硅基板11均为长方形，由所述支撑柱9连接，用于保护所述密码锁的内部结构；所述硅基板11在特定位置处留有通孔，用于与光耦合盘8实现光通路。

作为一个优选，所述密码轮7、所述光耦合盘8、所述传动齿轮4、所述棘轮3、所述棘爪2、所述支撑柱9以及所述微电机的转子6材料均为镍。

作为一个优选，位于同一根所述支撑柱9的所述密码轮7、所述光耦合盘8、所述传动齿轮4，以及位于同一根所述支撑柱9的所述棘轮3、所述传动齿轮4，在加工时一体生长，从而可同时转动。

如图7所示，为所述的微电机的定子5的工艺流程图，具体步骤为：

1、底层连接线及引线的制作

首先对1mm厚的硅基板11的表面进行清洗，在硅基板11沉积金焊点10(如图7中a所示)；在清洁的硅基板11上沉积一层1μm厚的聚酰亚胺牺牲层12(如图7中b所示)；在金焊点10上沉积0.7mm高的铜连接线14和基板通孔的聚酰亚胺牺牲层12(如图7中c所示)；在聚酰亚胺牺牲层12上沉积0.7mm厚的铁氧体基板1(如图7中d所示)；沉积10μm厚的底层铜连接线14和传动机构的支撑柱9(如图7中e所示)；沉积10μm厚的氧化铝绝缘层13(如图7中f所示)；沉积5μm高的铜连接线14和传动机构的支撑柱9(如图7中g所示)；沉积5μm厚的氧化铝绝缘层13(如图7中h所示)。至此，底层的铜连接线14制作完毕。其中传动机构的支撑柱9材料为镍；基板通孔是光耦合盘8的光通路的一部分。

2、第一层线圈、铁镍及引线的制作

第一层线圈、铁镍及引线的制作与底层连接线及引线的制作类似，即：

在氧化铝绝缘层13上沉积20μm厚的铜连接线14和铜线圈15(如图7中i所示)；沉积20μm厚的镍磁芯16和传动机构的支撑柱9(如图7中j所示)；沉积20μm厚的氧化铝绝缘层13(如图7中k所示)；沉积5μm高的铜连接线14和传动机构的支撑柱9(如图7中l所示)；沉积5μm厚的氧化铝绝缘层13(如图7中m所示)。至此，第一层铜线圈15、镍磁芯16及其铜连接线14制作完毕。

其他各层铜线圈15、镍磁芯16、铜连接线14及传动机构的支撑柱9的制作重复第一层铜线圈15、镍磁芯16、铜连接线14及传动机构的支撑柱9的步骤，最终得到带有铜连接线14的定子，结构如图7中n所示。

如图8A所示，一种基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁制备方法的工艺流程图，所述制备方法的具体步骤如下：

1.在一个制作好定子的硅基板11上分层沉积，如图8A中a所示，将制作好的线圈定子简化为一个盘，以使后面的工艺能更简洁地表达；沉积传动机构的支撑柱9达到相应高度(如图8A中b所示)；沉积聚酰亚胺牺牲层12(如图8A中c所示)；沉积黑色牺牲层17，再沉积传动机构的支撑柱9(图8A中d所示)；沉积聚酰亚胺牺牲层12(图8A中e所示)；沉积光耦合盘8(图8A中f所示)，其中f图中的黑色牺牲层17(对应于光耦合盘的通孔)后期腐蚀掉，用于制作光耦合盘的光通孔18(图8A中u所示)；沉积聚酰亚胺牺牲层12(图8A中g所示)；沉积密码轮7、转子6、传动齿轮4、棘轮3、棘爪2、支撑柱9、聚酰亚胺牺牲层12等结构(图8A中h至图8A中t所示)。

上述工序按照EFAB工艺，沉积一层结构层，再沉积一层牺牲层，将结构层和牺牲层磨平，再加工下一层，最终实现光耦合盘8、密码轮7、传动齿轮4、支撑柱9、微电机的转子6、棘轮3、棘爪2的结构。

2.将上述结构的牺牲层腐蚀去除，再将硅基板11剥除，得到结构称为密码锁的下层结构(图8A中u所示)；将另一个制作好定子5的基板的硅基板11剥除并腐蚀掉牺牲层，作为密码锁的上层结构；将上下两层结构键合，得到完整的密码锁(图8A中v所示)。

如图8B所示，上述黑色牺牲层17可以为聚酰亚胺，也可以为其他材料，作用是使转动部件与支撑柱9间留有空隙，保证转动部件的转动自由；其中所述的转动部件包括光耦合盘8、密码轮7、转子6、传动齿轮4、棘轮3、棘爪2。

本发明所述密码锁采用EFAB工艺，通过相对简单的工艺得到复杂的三维结构；逐层沉积的技术可加工出任意的内部结构；借助微加工优势使得密码锁器件小型化，结构精密；工艺设计中牺牲层和绝缘层的设置，保障了可靠的操作性能；棘轮棘爪以及反干涉齿轮的设计，使得密码锁成为功能完善，安全可靠的器件。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

基于EFAB工艺的光耦合式微机电密码锁及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。