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基于微机电系统(MEMS)的惯性开关,又称为加速度开关、碰撞开关,作为一种典型的惯性传感器,已成为近年来国内外MEMS领域的研究热点。MEMS惯性开关相对于传统机械加工的器件而言,缩小尺寸,降低成本,并且提高了性能和可靠性。此外,在很多场合可以取代复杂的加速度计系统,具有结构和处理电路简单,成本低,功耗低的优点。尤其重要的是,它可以避免电磁干扰引起的误触发。因此在玩具、附件、汽车工业,物品、人体的振动碰撞监测等领域具有广泛的应用前景。基于非硅衬底的表面微加工技术,设计并制造了用于振动监测的单轴敏感MEMS惯性开关。开关的基本结构分为两部分:由连体蛇形弹簧悬空的质量块作为可动电极,上方的十字梁作为固定电极。分别采用柔性固定电极和可动触点两种增强接触机制,得到了两种新式设计:设计I——带有柔性固定电极的MEMS惯性开关,有触点位于质量块中心,当可动电极碰撞固定电极时,向固定电极上施加集中载荷,有利于柔性上极板的形变,通过此过程延长了开关的接通时间。设计II——带有可动触点的MEMS惯性开关,采用螺旋形弹簧将触点悬空固定在质量块的中心,以取代设计I中的固定触点,通过可动触点结构的形变进一步延长接通时间,对于准静态加速度,还可以起到消除反弹效应,改善接通信号连续性的功能。对质量块—弹簧—阻尼系统进行数学建模,推导了弹簧弹性系数与阻尼系数公式,在此基础上建立Simulink模型,并与ANSYS有限元仿真相结合,发挥各自的优势,仿真器件在动态加速度、准静态加速度下的响应。用ANSYS模态分析,考察了器件的单向性。在电极间距一定的情况下,开关的阈值加速度由本征频率决定,通过仿真得到阈值加速度与开关本征频率、半正弦冲击加速度脉宽的关系,符合对半正弦冲击响应谱的分析。本设计采用叠层电镀工艺制造,通过调整质量块电镀层的厚度,可以在不改变器件平面结构的前提下,方便地调整器件的本征频率,从而得到不同阈值的开关。对于脉宽1ms的半正弦加速度,仿真得到三种开关(设计I100μm、设计II100μm、50μm)的阈值分别为:64g、56g、133g。最为重要的是,动态仿真验证了两种增强接触机构的效果,在20%过载的情况下,设计I和设计II分别可以达到39μs和100μs左右的接通时间。采用非硅衬底的表面微加工技术,相对于以硅作为材料的MEMS惯性开关而言,在材料的密度、机械性能、导电性方面具有一定优势,而且叠层电镀工艺可以制造深宽比较高、较复杂的三维结构,非硅衬底也不容易发生脆性断裂,有利于提高抗冲击性能。制造、封装好的单个器件尺寸为3.0×3.0×1.0mm3,实现了进一步小型化的目标。落锤实验结果表明所制造MEMS惯性开关相应的阈值分别为70g、63g、145g,设计I和设计II分别可以达到30μs和50μs以上的接通时间。与仿真结果符合较好,证明了新型设计可以如预期地增强接触效果,所建模型可以较准确地描述器件的动态响应。