平面万向双阈值MEMS惯性开关

李保发，聂伟荣，席占稳

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)



平面万向双阈值MEMS惯性开关

李保发，聂伟荣，席占稳

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

摘要:针对现有惯性开关阈值单一导致应用范围受限的问题，设计了平面万向双阈值MEMS惯性开关。该开关由弹簧质量块和两组弹性电极构成，采用周边弹簧支撑中心环形质量块的形式，低阈值弹性电极布置在环形质量块外部，高阈值弹性电极布置在环形质量块内部，两级阈值分别为450 g和900 g。仿真分析表明，方向差异引起的低阈值散布范围为-12%～-5%，高阈值散布范围为-23%～-12%；在幅值450 g、脉宽1 ms载荷下敏感平面内最短接触时间70 μs，在幅值900 g、脉宽1 ms载荷下敏感平面内最短接触时间15 μs。

关键词:惯性开关；MEMS；双阈值；平面万向性

0引言

MEMS惯性开关是采用微加工技术制造的加速度传感，它利用惯性敏感元件将加速度载荷转换为电极间隙的变化，然后通过电极间接触状态触发相应电信号实现区分加速度信号的功能。由于体积小、重量轻、能耗低、抗高过载能力强、抗电磁干扰能力强、便于与数字电路集成等优点，MEMS惯性开关在工业振动检测、武器弹药、航空航天等环境要求苛刻的领域具有巨大应用潜力。

单阈值MEMS惯性开关开展研究最早，应用也最为广泛。如Greywall等研制了中心弹簧支撑环形质量块的双轴开关[1-2]，席占稳、杨卓青等研制了带有弹性电极的万向加速度开关[3-5]。但是在引信目标识别、地震监测等需要对不同加速度进行区别的应用环境中，单阈值开关使用受到限制，采用加速度传感器又不能满足低功耗的要求，多阈值开关成为首选。针对这种需求，Arjun Selvakumar等通过集成不同阈值的悬臂梁开关制造了多阈值开关，Jesung San Go、贾孟君等根据静电驱动的原理制作了阈值可调节开关[6-7]，但是这些开关均为单轴向开关。Luke J. Currano等则将阈值不同的五个开关集成在一起制造了一个能够区别x、y、z方向加速度冲击的多阈值万向开关[8]，但是对于内部单个开关而言仍旧是单阈值开关。本文针对此问题，提出了平面万向双阈值MEMS惯性开关。

1基本原理

1.1工作原理

本文设计的惯性开关的物理模型可简化为图1所示的弹簧质量阻尼系统。由于弹性电极的质量与质量块的质量相比较小，可忽略弹性电极质量，假设接触前后仅系统刚度发生变化，系统质量保持不变。图1中m为质量块质量；k0、k1、k2分别为支撑弹簧刚度、弹性电极Ⅰ刚度、弹性电极Ⅱ刚度，xth1、xth2分别为质量块与弹性电极Ⅰ、弹性电极Ⅱ的间隙；开关低阈值与高阈值分别为ath1、ath2，两级阈值之比β=ath2/ath1。

图1　惯性开关物理模型Fig.1　The theoretical model of the inertial switch

对于开关的物理模型，根据质量块与弹性电极的不同接触情况可将质量块的运动划分为三个状态：不与弹性电极接触的状态、只与弹性电极Ⅰ接触的状态，同时与弹性电极Ⅰ与Ⅱ接触的状态。忽略阻尼，质量块在各个状态的运动方程可表示为：

(1)

(2)

式中，a0为加速度幅值，ΔT为加速度脉宽，ωΔ=2π/ΔT。

开关的输出电路如图2所示，质量块与弹性电极Ⅰ构成开关1，质量块与弹性电极Ⅱ构成开关2。开关低阈值闭合过程如图3(a)所示，工作过程中质量块只与弹性电极Ⅰ接触，实现开关1闭合，输出低阈值闭合信号Vi/2。开关高阈值闭合过程如图3(b)所示，工作过程中质量块与弹性电极Ⅱ接触时必定与弹性电极Ⅰ接触，实现开关1与开关2同时闭合，输出高阈值闭合信号Vi。

图2　惯性开关输出电路Fig.2　Output circuit of the inertial switch

图3　开关工作过程Fig.3　Closing process of the inertial switch

1.2特征参数分析

惯性开关的阈值由模型特征参数和载荷参数决定。给定冲击加速度形式并忽略阻尼，本文所设计开关的低阈值ath1由特征参数fn0、xth1确定，高阈值ath2由特征参数fn0、fn1、xth1、xth2确定，其中fn0=2πωn0，fn1=2πωn1。给定参数fn0、fn1，总可以通过调整xth1、xth2获得相应的阈值ath1、ath2，但是在不同频率下，开关的响应时间、接触时间等性能参数存在很大差异，阈值对间隙变化的敏感程度也不同。因而设计开关时，首先选取合适的特征参数fn0、fn1，然后进行结构设计。

为选择较为合适的频率fn0与fn1，引入加速度灵敏度λ和响应时间tr作为选择频率的参考依据。加速度灵敏度λ指单位加速度引起的最大位移的变化量,即：

(3)

式中xa0为受到幅值为a0的冲击加速度时，质量块运动过程中的极大且为最大的位移值。λ越大，单位幅值加速度引起的位移越大。质量块与弹性电极在各个方向上的间隙不一致导致的阈值不一致越小。响应时间tr为质量块达到位移xa0的时间，tr越小，开关对冲击加速度的响应越快。

质量块在整个运动过程中不与两弹性电极接触且ωn0/ωΔ≥0.5时，质量块可在近似冲击加速度的脉宽ΔT内取得极大且最大位移xa01，响应时间为tr1。由于xa01与a0为正比关系[9]，加速度灵敏度λ1

在海上油田依托式开发研究过程中，需要对周边各种油品掺混外输方案进行研究，从研究效率和经济性角度来说，寻找一种适合于本油田的黏度预测模型较一一开展掺混实验更加可取。首先调研了国内外油品掺混黏度预测模型，然后以渤海垦利油田群中新开发稠油油田原油为基础，掺混周围可能的3种稀油进行预测，并将预测结果与实验值进行比较分析，认为:

=xa01/a0。采用龙格库塔四阶算法对式(1)中第一式进行数值求解， tr1、λ1与弹簧质量系统固有频率fn0、脉宽ΔT关系分别如图4、图5所示。由图4可知，在1 200～2 400Hz范围内，随着脉宽ΔT减小和频率fn0增大，tr1均逐渐缩短。由图5可知，随着频率fn0升高，阈值ath1的加速度灵敏度λ1逐渐减小；脉宽ΔT变化对λ1影响较小。

图4　响应时间tr1与脉宽ΔT、频率fn0关系Fig.4　Dependence of response time on ΔTand fn0

图5　低阈值的加速度灵敏度λ1与脉宽ΔT、频率fn0关系Fig.5　Dependence of threshold sensitivity on Pulse width ΔT and fn0

图6　响应时间tr1与频率fn0、频率fn1关系Fig.6　Dependence of response time on frequency fn0and fn1

图7　阈值灵敏度λ2与频率fn0、频率fn1关系Fig.7　Dependence of threshold sensitivity on frequency fn0and fn1

通过以上分析可知，系统频率fn0与fn1过高，导致阈值灵敏度λ1、λ2较低；频率fn0与fn1过低，阈值响应时间tr1、tr2较长。对于本文设计的开关，频率fn0选择在1 700Hz左右；由于频率fn1过低时，弹性电极Ⅰ的稳定性降低，频率fn1选择在6 000Hz左右。

2结构设计

开关整体结构如图8所示，主要由质量块、支撑弹簧、弹性电极Ⅰ、弹性电极Ⅱ、止挡块、锚点、焊盘、衬底等部分构成，衬底为硅，其他部分均为镍。开关中质量块作为动电极，弹性电极Ⅰ作为低阈值固定电极，弹性电极Ⅱ作为高阈值固定电极。弹簧质量系统中质量块采用环形结构，支撑弹簧采用S型渐变线宽弹簧[10]，主要参数如表1所示。弹性电极Ⅰ和Ⅱ的支撑部分分别为连体S型弹簧和阿基米德螺旋弹簧。质量块与弹性电极Ⅰ的最大间隙为57.8μm，最小间隙为56μm；质量块与弹性电极Ⅱ间隙为68μm，两组电极的间隙在敏感平面各个方向上基本保持一致。

图8　惯性开关结构Fig.8　Construction of the inertial switch

参量数值单位质量块外径1500μm内径650μm厚度120μm弹簧最大梁长800μm最小梁长200μm最大线宽24μm最小线宽19μm圆角半径55μm节数5

敏感平面内任意方向上，冲击加速度满足a

3仿真分析

使用ANSYSWorkbench进行有限元仿真。为减小计算量，忽略衬底、止挡块、焊盘等结构，将锚点全约束。仿真中所采用材料Ni的杨氏弹性模量为210GPa，泊松比0.31，密度8 910kg/m3，屈服极限1 140MP[11]。

3.1模态分析

弹簧质量系统前四阶模态如图9所示，由图可知，第二、第三阶模态为质量块平面内振动。因为开关敏感平面是质量块平面，所以第二、第三阶模态对开关工作情况影响最大。由图4与图5可知1ms脉宽载荷作用下，频率fn0在1 670Hz时，响应时间tr1不大于600μs，阈值灵敏度λ1不小于0.15μm/g,因此弹簧质量系统第二、第三阶模态频率为1670Hz时，开关具有较小的响应时间和较大的阈值加速度灵敏度。开关的四阶以上模态频率在4 000Hz以上，远离第二、第三阶模态，可防止工作过程中质量块发生翻转与扭转。

图9　弹簧质量系统模态Fig.9　Modal of the spring-mass system

3.2平面万向性分析

开关结构设计时不可能使弹簧质量系统刚度、弹性电极Ⅱ刚度、弹性电极与质量块间隙在各个方向上完全一致，因此不同方向的阈值存在差异。通过比较敏感平面内等幅值冲击加速度下质量块的位移与电极间隙之间的关系，可得方向差异引起的阈值散布的范围。

脉宽1 ms，幅值为400g、430g、450g、700g、800g、900g的冲击加速度下，敏感平面内质量块在各个方向最大位移如图10所示，图中方向角以图8中X轴为极轴，逆时针方向增大。由图10(a)可知，冲击加速度幅值为400g时，质量块与弹性电极Ⅰ在各个方向上保持分离，开关可靠断开；冲击加速度幅值为430g时，质量块与弹性电极Ⅰ在各个方向上接触，开关实现闭合，但是由于质量块在45°、135°、225°、315°方向最大位移与电极Ⅰ间隙的差值较小，位移裕量过小，闭合可靠性较低；冲击加速度幅值为450g时开关可以实现较大位移裕量的闭合。设定低阈值为450g时，方向差异引起的低阈值的散布范围为-12%～-5%。对图10(b)进行类似分析可知，设定高阈值为900g时，方向差异引起的高阈值散布范围为-23%～-12%。

3.3响应时间与接触时间分析

响应时间tr指冲击加速度开始作用到电极稳定闭合所需要时间。响应时间越短，开关输出电信号的延时越短。接触时间tc是电极保持稳定接触时间，较长的接触时间能够保证后续电路接收到稳定的闭合信号。

低阈值模式时，由图10(a)可知在45°方向上质量块与电极Ⅰ间隙最大且弹簧质量系统刚度最大，因此相同冲击加速度下，在该方向上的响应时间最长、接触时间最短。在幅值为450g、脉宽为1 ms冲击加速度作用下开关的闭合状况如图11所示。由图11(a)知，开关响应时间tr1不大于550 μs，接触时间tc1不小于70 μs。由图11(b)可知，在该载荷下质量块与弹性电极Ⅰ接触，而不与弹性电极Ⅱ接触。

高阈值模式时，由图10(b)可知在22.5°方向上系统刚度最大。由于电极间隙相同，在相同冲击加速度下，在该方向上响应时间最长，接触时间最短。在幅值为900g、脉宽为1 ms冲击加速度作用下，开关闭合状况如图12所示。由图12(a)知，质量块与弹性电极Ⅱ接触两次，开关响应时间tr2不大于400μs，接触时间tc2不小于15 μs。由图12(b)知,质量块运动过程中先与弹性电极Ⅰ接触再与弹性电极Ⅱ接触，质量块与弹性电极Ⅱ接触时必定与弹性电极Ⅰ保持接触。

图10　平面万向性分析Fig.10　Difference of threshold in different directions

图11　低阈值闭合状况Fig.11　Response of low threshold

图12　高阈值闭合状况Fig.12　Response of high threshold

4结论

本文提出了平面万向双阈值开关。开关仅有一个弹簧质量块系统，通过在质量块周围布置间隙不同的两组弹性电极并开配合简单输出电路，不仅能够区分两个阈值，而且实现了平面万向性的功能。开关具有450g和900g两级阈值。仿真分析表明，方向差异引起的低阈值散布为-12%～-5%，在幅值450g、脉宽1 ms载荷下敏感平面内最短接触时间70 μs，响应时间不大于500 μs；方向差异引起的高阈值散布为-23%～-12%，在幅值900g、脉宽1 ms载荷下敏感平面内最短接触时间20 μs，响应时间不大于300 μs。与文献[3]中的45 μs的接触时间相比，开关低阈值接触时间有所延长，高阈值接触时间较短。

参考文献:

[1]Dennis S Greywall. MEMS-BASED INERTIAL SWITCH:US：7218193B2[P]. 2007.

[2]刘双杰，郝永平.环形无源万向微机电惯性开关[J].中国惯性技术学报，2013，21(2):240-244.

[3]Xi Zhanwen,Zhang Ping,Nie Weirong, et al.A novel MEMS omidirectional inertial switch with flexible electrodes[J].

Sensors and Actuator A:Physical，2014，212:93-101.

[4]Zhu B,Yang Z,Chen W,et al.Design and characteristation of an inertial micro switch with electrophoretic polymer-metal composite fixed electrode for extending contact time[J]. Micro & Nano Letters, IET,2012，7(5):501-504.

[5]杨卓青，丁桂甫，蔡豪刚.微机电系统惯性电学开关的设计与制作[J]．中国机械工程,2008，19(9)：1033-1036．

[6]Jia Mengjun, Li Xinxin, Song Zhaohui, et al. Micro-cantilever shocking-acceleration switches with threshold adjusting and on-state latching functions[J]. JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING, 2007(17): 567-575.

[7]Hyunseok Kima, Yun-Ho Janga, Yong-Kweon Kima, et al. MEMS acceleration switch with bi-directionally tunable threshold[J]. Sensors and Actuators A: Physical,2014(208):120-129.

[8]Luke J Currano，Collin R Becker，David Lunking，et al. Triaxial inertial switch with multiple thresholds and resistive ladder readout[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2012, 29(6):1-6.

[9]蔡豪刚,杨卓青,丁桂甫,等.通过可动触点延长接触时间的新型微冲击开关[J].振动与冲击, 2009,28(7):147-152.

[10]程建建,聂伟荣,周织建,等.基于LIGA工艺的电铸镍材料特性[J].功能材料与器件学报, 2014,43(6): 76-79.

[11]郑利兵,石庚辰,韩立.平面S型等线宽与渐变线宽微弹簧弹性系数分析[J].机械制造,2010(3):222-226.

Planar Universal MEMS Inertial Switch with Double Threshold

LI Baofa, NIE Weirong, XI Zhanwen

(School of Mechanical Engineering，NUST，Nanjing 210094，China)

Abstract:In the view of limited application of the single threshold inertia switch, a double threshold inertia switch composed by spring-mass system and two group flexible electrodes was designed. The center annular mass suspended by four S-shape springs was used as movable electrode and the flexible electrode serve as fixed electrode. The flexible electrodes of the lower threshold were disposed outside the annular mass while the high threshold electrodes inside the annular mass. Simulation results showed that dispersion of the low threshold in different directions was -12%～-5% and the high threshold was-23%～-12%; minimum contact time in the sensitive plane was 70 us under 450 g-1ms pulse load and the minimum contact time was 15 us under 900 g-1ms pulse load.

Key words:inertial switch; MEMS; double thresholds; planar universal

中图分类号:TJ430

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)01-0066-05

作者简介:李保发 (1990—)，男，河南南阳人，硕士研究生，研究方向：微机电系统设计。E-mail：libaofa0217@163.com

基金项目:国家自然科学基金项目资助(51475245)

*收稿日期:2015-09-21