MEMS阈值可调开关的仿真与实验分析*

许马会， 刘凤丽， 郭 航

(1.沈阳理工大学 CAD/CAM 技术研究与开发中心，辽宁 沈阳 110159；2.厦门大学 萨本栋微米纳米科学技术研究院，福建 厦门 361005)



MEMS阈值可调开关的仿真与实验分析*

许马会1，2， 刘凤丽1， 郭 航2

(1.沈阳理工大学 CAD/CAM 技术研究与开发中心，辽宁 沈阳 110159；2.厦门大学 萨本栋微米纳米科学技术研究院，福建 厦门 361005)

微系统(MEMS)阈值可调开关是一种适用于弹药类型的通用碰炸开关，靠捕捉碰撞目标时的前冲惯性力而闭合。此开关除了受惯性力和静电力之外，还受到可动电极和驱动电极之间由于空气阻力而产生很大的阻尼力的影响。利用Coventor wave软件中的Saber系统仿真法，对设计的开关结构进行瞬态特性分析，仿真结果表明:开关在不同加速度信号下，阈值加速度与电压基本上呈反比关系，且随着阈值加速度的增大，电压减小。对加工的开关样件进行实验检测，实验结果表明开关可以实现阈值可调。

微系统； 阈值可调开关； 特性分析; 实验检测

0 引 言

微机电系统(MEMS)开关是MEMS技术的一个具体应用，是用微机械加工技术集成在硅片上的开关，它用在射频到毫米波(0.1～1 000 GHz)的通信上。与传统半导体器件(双极型晶体管、金属氧化物场效应晶体管)相比，MEMS开关具有信号失真小、闭合速度快、功耗小、线性好、尺寸小、寿命长等优点，因此,MEMS开关被广泛应用在远程通信系统、无线通信、自动测试设备、快速数据采集等系统中[1]。目前，国内在MEMS开关的研究上已经取得了很大的进步，但是与国外所研究的MEMS开关相比，在性能和可靠性上还有很大的差距，而且对于开关的失效原因以及封装等问题上还有待提高。

根据应用领域不同，MEMS开关可分为两大类，一类为加速度计式开关，加速度计式开关是利用加速度计的方向检测特性，将加速度的变化转换为电阻、电容等电量的变化，当开关的角度发生改变且大于等于设定的角度时，电路接收到信号后将被连通，就能实现阈值可调性，但是这种开关不能应用在多物理耦合的环境下。另一类为微机械惯性开关，微机械惯性开关融合了传感器与执行器[2，3]，可用于感知加速度信号，当检测到超过阈值信号时，被弹簧悬空的质量块与电极相碰撞，触发电信号[4，5],因此，微惯性开关多采用典型的弹簧质量—阻尼系统[6]。这类开关具有较强的抗过载能力和可靠性，但是不能实现阈值可调。

针对MEMS微机械惯性开关达不到阈值可调的效果，本文提出了一种阈值可调的开关结构，利用Coventor wave软件Saber系统法对MEMS阈值可调开关进行特性分析，对比不同阈值加速度与电压的关系。

1 工作原理

MEMS阈值可调开关的可动电极在惯性力和静电力的作用下向下运动，与驱动电极形成一个电场，当开关的上接触电极与下接触电极相接触时，整个电路被导通，开关就处于闭合状态。通过改变不同的输入信号和初始偏置电压，从而可以改变可动电极和驱动电极之间的距离，以感应不同的阈值加速度[7，8]。MEMS阈值可调开关的结构图如图1所示。

图1 MEMS阈值可调开关的结构Fig 1 Structure of MEMS adjustable threshold switch

从图1中可以看出，在可动电极和驱动电极之间有一层介电层，目的是为了防止开关闭合时，开关被电压击穿，造成整体短路。

开关除了受惯性力和静电力之外，还受到可动电极和驱动电极之间由于空气阻力而产生很大的阻尼力的影响[9],而且这个阻尼力是不可以忽略的，它会对MEMS开关产生较大的阻尼力。使两个极板之间运动变得相当困难。模型示意图如图2所示。

图2 压模阻尼模型示意图Fig 2 Schematic diagram of die damping model

平板的尺寸远大于两平板间的间距，因此，两平板间的气体流动为层流状态，在温度不变的情况下，可建立雷诺方程[10]

(1)

假设平板长度L=2B，宽度B=2a，则其边界条件为

P(±a,y),P(x,±b)

(2)

通过上述的边界条件,并结合式(1),可计算出气体压强的变化量∂P,对∂P进行积分,可得到两极板所受到空气阻尼力为

(3)

由此可以推知阻尼系数为

(4)

(5)

当开关的结构尺寸确定后，结合式(3)、式(4)、式(5)，即可求出两极板之间所受到的阻尼力。

2 开关瞬态应力分析

对开关进行瞬态应力分析，即分析开关的阈值可调能力。首先对悬臂梁加载偏置电压后，在静电力和弹簧抗力的合力作用下悬臂梁达到平衡位置，此时，若感知到外部加速度a(t)，悬臂梁二次变形，当加速度足够大时，上下极板出现吸合现象，开关闭合。悬臂梁的运动方程如下[11]

(6)

利用Coventorwave软件中的Saber系统对悬臂梁同时加载电压和加速度，结果如图3所示。图3可见，悬臂梁自由端移动相同的位移，加载阈值加速度越大，使开关闭合的电压就越小， 当加载驱动电压为24V时，对应的阈值加速度为2 200 gn,此时开关出现吸合现象,当电压稍微大于24V，开关就会闭合。

图3 悬臂梁加载加速度、电压、位移之间的关系Fig 3 Relationship between cantilever beam loading,acceleration voltage and displacement

图4为施加周期是800 μs的半正弦加速度信号，下驱动电极自由端的响应曲线。当加速度阈值从1 000gn以500gn的步长递增到3 000gn时，对应的初始输入电压分别为28,27，26，24，22 V。

图4 半正弦加速度与电压的耦合作用下悬臂梁自由端位移随时间变化曲线Fig 4 Curve of displacement of free end of cantilever beam coupling half sine acceleration and voltage change with time

3 实验检测

3.1 探针台实验

对开关进行探针台实验是为了测试所加工的开关是否有信号输出，为冲击台实验做准备。图5(a),(b)为开关样件和封装好的开关。

图5 开关样件和封装好的开关Fig 5 Switch prototype and packaged switch

封装好的开关放在探针台上，将3个探针分别放在开关的3个引脚处，打开电源，如图6所示。

图6 探针台实验Fig 6 Probe station experiment

从图6中可以看出，电源电压为27.01 V，说明开关有信号输出，进而证明该开关是可用的。

3.2 冲击试验

探针台实验成功后方可进行冲击台试验，此试验是为了验证开关的抗过载能力以及是否能实现阈值可调。在进行冲击试验之前需要将通过探针台试验测试的开关进行焊接，如图7所示。

图7 焊接好的开关Fig 7 Welding switch

由于电磁阀产生噪声，在单次触发的条件下，示波器会输出干扰信号，为了消除干扰信号，将开关和导线全部用金箔套住，并将金箔接地。然后将冲击台加速度以500gn为一档，从1 000gn开始，表1为三个开关样件在加速度与电压共同作用的测量结果。

表1 三个开关样件在加速度与电压共同作用的测量结果

从表1中的结果可以看出，在理论加速度与实际加速度相同的情况下，1#开关闭合的实际电压值与理论电压值基本一致，两者之间存在0.035 %～0.037 %的误差，这是由于在加工过程中，实际尺寸与设计尺寸存在一定的误差引起的，但并不影响实验结果。2#开关在经过3次冲击之后，给开关施加1V的电压，开关就能闭合，造成此现象的原因是反复冲击导致开关悬臂梁疲劳损坏，使开关失效。3#开关经过2次冲击之后，增加阈值加速度，电压值也随之升高，出现此现象的原因，开关进行多次冲击实验，导致开关上极板和悬臂梁疲劳，反应缓慢，发生翘曲效应。 图8为对1#开关施加不同加速度进行冲击时，示波器的变化情况。

图8 施加不同加速度进行冲击时结果Fig 8 Result of different acceleration is applied

图8(a)为对开关施加500gn加速度，电源电压为28.03 V时，示波器的变化情况，从图中可以看出，示波器上只有一条水平的直线，这说明在上述条件下开关没有达到闭合状态。图8(b)为对1#开关施加1 000gn加速度，电源电压为28.03 V时，示波器的变化情况，从图中可以看出，示波器有一个由基态到阶跃的跳跃状态，且信号保持不变，这说明在上述情况下，开关处于闭合状态。图8(c)为对1#开关施加1 500gn加速度，电源电压为27.01 V时，示波器的变化情况，从图中可以看出，示波器有一个由基态到阶跃的跳跃状态，且信号保持不变，这说明在上述情况下，开关也能达到闭合状态。

通过表1 和图8中实验结果可以看出，能使开关达到闭合状态的阈值加速度和电压值与之前进行阈值仿真结果的相符，说明该开关可以实现阈值可调，进而验证了所设计的开关结构的可行性。

4 结 论

根据所研究开关的结构与特点，提出一种静电驱动MEMS阈值可调开关，此开关除了受惯性力和静电力之外，还受到可动电极和驱动电极之间由于空气阻力而产生很大的阻尼力的影响。利用Coventor wave软件对开关进行瞬态应力分析，对开关施加一定周期的半正弦信号，仿真结果表明:悬臂梁自由端移动相同的位移时，加载阈值加速度越大，使开关闭合的电压就越小。对加工的开关样品进行探针台实验和冲击实验，实验结果表明开关可以实现阈值可调，进而证明所设计的开关结构是可行的。

[1] 李旭辉.MEMS发展应用现状[J].传感器与微系统，2006,25(5):7-9.

[2] 陆敬予，张飞虎， 张 勇.微机电系统的现状与展望[J].传感器与微系统,2008,27(2):1-4.

[3] 程建建.微机械惯性闭锁开关设计[D].南京:南京理工大学，2014.

[4] 曲利新.MEMS开关技术的研究与进展[J].现代电子技术，2008(1):147-149，264.

[5] Muldavin J B，R Ebeiz G M． High-isolation CPW MEMS shunt switches[J].IEEE Trans on Microwave Theory Tech,2000，48(6):55-65.

[6] 王 超，陈光焱，吴嘉丽.基于MEMS技术的低g值微惯性开关的设计与制作[J].传感技术学报,2011,24(5):654-657.

[7] 刘双杰，郝永平.阈值可调的微机电惯性开关[J].中国惯性学报,2014，22(4):543-546.

[8] 王晓迪.嵌入可动电极的微惯性传感器的设计与相关IC检测电路研究[D].杭州:杭州电子科技大学，2012.

[9] Gabriel M Rebeiz.RF MEMS理论·设计·技术[M].南京:东南大学出版社，2005:74.

[10] 韩 旭.阈值可调开关的设计与分析[D].沈阳:沈阳理工大学，2013.

[11] 贾孟军.硅微机械加速度开关技术研究[D].上海:中国科学院上海微系统与信息技术研究所,2007.

郭 航，通讯作者， E—mail:hangguo@xmu.edu.cn。

Simulation and experimental analysis of MEMS threshold adjustable switch*

XU Ma-hui1，2, LIU Feng-li1， GUO Hang2

(1.Technology Center of CAD/CAM,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China；2.Pen-Tung Sah Institute of Micro-Nano Science and Technology，Xiamen University,Xiamen 361005,China)

MEMS threshold adjustable switch is a kind of general touch switch which is suitable for type of ammunition,it is closed by forward inertia force when the target is caught.In addition to inertia force and electrostatic force,the switch is also influenced by air resistance between movable electrode and driving electrode.By using saber system simulation method of Coventor wave software,analyze on transient characteristics of designed switch structure,and simulation results show that under different acceleration signals,threshold acceleration is inversely proportional to the voltage and the voltage decreases with increase of threshold acceleration.The samples are tested experimentally with switch-on processing and the test results show that the developed switch can realize the required adjustable threshold switching .

MEMS; threshold adjustable switch; characteristic analysis; experimental detection

2016—08—02

福建省高校产学合作项目(2015H6021)；厦门市科技项目(3502Z1430030)；国家“863”计划资助项目(2015AA042701)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0028—04

TM 564.6

A

1000—9787(2016)10—0028—04

许马会(1986-)，女，山东菏泽人，博士研究生，主要从事MEMS微小器件探测技术方面的研究工作。