閾值可調(diào)的微機(jī)電慣性開(kāi)關(guān)

劉雙杰，郝永平

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159）

閾值可調(diào)的微機(jī)電慣性開(kāi)關(guān)

劉雙杰，郝永平

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159）

針對(duì)慣性開(kāi)關(guān)通用性的要求，設(shè)計(jì)了一種具有閾值可調(diào)功能的微機(jī)電慣性開(kāi)關(guān)。利用CoventorWare軟件中的Architect模塊對(duì)該懸臂梁結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真。仿真結(jié)果表明，開(kāi)關(guān)在半正弦加速度信號(hào)作用下，加速度閾值和電壓基本呈線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)調(diào)整偏置電壓的方式，可測(cè)量不同閾值加速度；以500g為一檔，調(diào)節(jié)加速度閾值范圍為1000～4000g，開(kāi)關(guān)最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為63.44 μs，接觸時(shí)間無(wú)窮大，表現(xiàn)出良好的工作性能?？紤]MEMS薄膜沉積工藝在加工4 μm厚的懸臂梁時(shí)存在±0.1 μm加工誤差，應(yīng)用蒙特卡洛法分析懸臂梁厚度在3.9～4.1 μm之間變化時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)吸合電壓和閉合時(shí)間的影響，結(jié)果表明，±0.1 μm的加工誤差對(duì)開(kāi)關(guān)吸合電壓和閉合時(shí)間影響在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

MEMS；慣性開(kāi)關(guān)；閾值可調(diào)；吸合電壓；加工誤差

微機(jī)電(MEMS)慣性開(kāi)關(guān)是對(duì)加速度的變化敏感提供開(kāi)關(guān)閉合動(dòng)作的MEMS執(zhí)行器，也稱(chēng)閾值開(kāi)關(guān)或者g值開(kāi)關(guān)，它是將機(jī)械和電統(tǒng)一結(jié)合的產(chǎn)物。彈藥系統(tǒng)中的碰炸開(kāi)關(guān)是通過(guò)識(shí)別碰目標(biāo)時(shí)加速度閾值大小而閉合，為始發(fā)火工品元件提供電路導(dǎo)通。當(dāng)彈丸打擊“軟”“硬”目標(biāo)的不同，其加速度閾值也不相同，因此開(kāi)關(guān)的通用性是目前亟需解決的問(wèn)題。閾值可調(diào)的開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)同一個(gè)開(kāi)關(guān)匹配不同的彈丸、同一類(lèi)彈丸打擊不同的目標(biāo)環(huán)境。

目前應(yīng)用在航空航天、汽車(chē)電子和彈藥等領(lǐng)域上的微機(jī)電開(kāi)關(guān)有兩大類(lèi)。一類(lèi)是加速度計(jì)式開(kāi)關(guān)，加速度計(jì)[1-3]式的開(kāi)關(guān)是將加速度的變化轉(zhuǎn)化為電阻、電容等電量的變化，再經(jīng)電路檢測(cè)、比較后給出被接通電路信號(hào)，被接通電路接收信號(hào)后電路連通，這種開(kāi)關(guān)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)閾值可調(diào)，可缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)不實(shí)現(xiàn)物理意義上的“閉合”或“斷開(kāi)”，容易受電子干擾，使彈丸產(chǎn)生誤炸。另一類(lèi)是微機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)，靠感知環(huán)境力作用，屬被動(dòng)敏感，有較強(qiáng)的抗干擾性和可靠性，但是當(dāng)系統(tǒng)剛度、質(zhì)量和間隙確定之后，開(kāi)關(guān)的閾值也被確定下來(lái)，閾值不可調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍較窄，不能達(dá)到通用性的要求[4-5]。

針對(duì)MEMS慣性開(kāi)關(guān)通用性的需求，本文設(shè)計(jì)了一種具有閾值可調(diào)功能的MEMS慣性開(kāi)關(guān)。利用機(jī)電耦合場(chǎng)所特有的靜電 Pull-in(吸合)效應(yīng)[6]，使可動(dòng)極板末端與接觸電極相接觸，完成開(kāi)關(guān)閉合動(dòng)作。通過(guò)預(yù)先調(diào)整偏置電壓的方式，改變可動(dòng)極板與驅(qū)動(dòng)極板間的間隙，以測(cè)量不同閾值加速度。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1，懸臂梁的最左端的錨區(qū)固定在基板上，采用對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，以避免開(kāi)關(guān)閉合時(shí)發(fā)生y方向的偏移和降低剛度的效果，使開(kāi)關(guān)更快更穩(wěn)定地閉合。開(kāi)關(guān)可動(dòng)電極在受到慣性力產(chǎn)生的加速度和與驅(qū)懸臂梁形成電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電力共同作用下，實(shí)現(xiàn)可動(dòng)電極向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)可動(dòng)電極末端與接觸電極相接觸，開(kāi)關(guān)動(dòng)作完成。通過(guò)預(yù)先調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓的方式，可以改變懸臂梁與驅(qū)動(dòng)極板間的初始間隙，以測(cè)量不同加速度閾值；在上下極板間隙無(wú)窮小時(shí)，產(chǎn)生的靜電力無(wú)窮大，能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)自鎖，以長(zhǎng)時(shí)間觸發(fā)信號(hào)。

圖1 開(kāi)關(guān)三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the switch

1.2 閾值可調(diào)原理

可調(diào)閾值慣性開(kāi)關(guān)的工作原理是首先通過(guò)閾值調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電壓以調(diào)節(jié)兩電極之間的間隙，使系統(tǒng)中的懸臂梁位于某一平衡位置，當(dāng)開(kāi)關(guān)感知到外部慣性力的作用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓引起的靜電力和外部的慣性力的合力大于系統(tǒng)本身的抗力，懸臂梁自由端向下移動(dòng)，檢測(cè)電路被接通，開(kāi)關(guān)開(kāi)始工作。

開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中除了自身的結(jié)構(gòu)抗力外，還受靜電力和慣性力的作用。開(kāi)關(guān)處于多物理場(chǎng)耦合的環(huán)境。慣性力用加速度信號(hào) a(t)表示，為了簡(jiǎn)化過(guò)程，假設(shè)加速度信號(hào)為一恒定值 aout，不隨時(shí)間變化。列出開(kāi)關(guān)工作時(shí)的靜態(tài)方程[7]：

式中，等式左端表示懸臂梁受到的彈性抗力，等式右端第一項(xiàng)表示靜電力，第二項(xiàng)表示慣性力。

將無(wú)量綱化后的v、d、γ代入式(1)，化簡(jiǎn)可得到：

式(2)本質(zhì)上表示的是外部加速度關(guān)于靜態(tài)位置和電壓的關(guān)系函數(shù)。

將式(3)代入式(2)并化簡(jiǎn)求得γ的最大值為：

式(4)是外部加速度閾值和系統(tǒng)電壓的關(guān)系函數(shù)，由式(4)可知，表征加速度閾值的 γmax與表征偏置電壓值的v呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且隨著偏置電壓的增加，系統(tǒng)受到的靜電力越來(lái)越大，系統(tǒng)越容易進(jìn)入非穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的加速度閾值也越來(lái)越小。因此，通過(guò)調(diào)整偏置電壓以調(diào)節(jié)外部加速度閾值的原理是可行的。

2 MEMS開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)級(jí)分析

2.1 開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)級(jí)模型建立

開(kāi)關(guān)工作過(guò)程受靜電場(chǎng)、慣性力場(chǎng)、固體場(chǎng)（彈性力)以及流體場(chǎng)（阻尼力)等多物理場(chǎng)的耦合作用。

本文利用architect中SABER集成仿真環(huán)境，對(duì)MEMS組件庫(kù)中各類(lèi)單元搭建的微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的仿真，比有限元法仿真的速度更快，能有效提高設(shè)計(jì)效率。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)采用自上而下的設(shè)計(jì)步驟，不出現(xiàn)實(shí)體模型，容易修改該尺寸，和有限元法相比更容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2所示為在Architect平臺(tái)上搭建的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)行為模型。

圖2 Architect中的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)級(jí)模型Fig.2 Systematic model for switch on Architect platform

2.2 開(kāi)關(guān)的吸合電壓計(jì)算

對(duì)于某些MEMS傳感器和執(zhí)行器，系統(tǒng)需要有穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，施加電壓應(yīng)該低于吸合電壓，避免兩極板相互接觸導(dǎo)致短路現(xiàn)象。而對(duì)于某些微執(zhí)行器如RF MEMS開(kāi)關(guān)，施加電壓應(yīng)該大于吸合電壓，才能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)物理意義上的閉合。開(kāi)關(guān)的吸合電壓對(duì)開(kāi)關(guān)的性能來(lái)說(shuō)意義重大。

利用CoventorWare軟件中的Architect模塊進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)分析，求得開(kāi)關(guān)的位移隨電壓變化曲線(xiàn)如圖4所示，當(dāng)電壓達(dá)到34 V時(shí)，可動(dòng)電極與驅(qū)動(dòng)極板產(chǎn)生吸合效應(yīng)，34 V為可動(dòng)電極的吸合電壓。

圖3 位移隨電壓變化曲線(xiàn)Fig.3 Curve of displacement with voltage

2.3 多物理場(chǎng)耦合下開(kāi)關(guān)的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

彈丸在碰擊目標(biāo)的瞬間，受到目標(biāo)對(duì)其的反作用力，彈丸中的開(kāi)關(guān)同時(shí)受到一個(gè)和碰擊加速度方向相反、大小相等的慣性力作用。假設(shè)加速度曲線(xiàn)為圖4所示的周期是200 μs，閾值為1000g的半正弦加速度信號(hào)。對(duì)開(kāi)關(guān)在靜電力、慣性力、彈性力及阻尼力多種物理場(chǎng)耦合作用下的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真。

圖 5為閾值開(kāi)關(guān)的響應(yīng)曲線(xiàn)，當(dāng)閾值加速度在1000g到4000g之間變化，步長(zhǎng)為500g時(shí)，輸入的初始電壓分別為32 V、30 V、29 V、27 V、25 V、24 V和22 V，閉合時(shí)所對(duì)應(yīng)的閉合時(shí)間分別為 50.826 μs、59.128 μs、49.59 μs、55.959 μs、67.216 μs、55.063 μs和63.44 μs。圖6所示為半正弦加速度閾值與閉合電壓關(guān)系曲線(xiàn)，曲線(xiàn)趨近于線(xiàn)性，實(shí)現(xiàn)了閾值與電壓一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，達(dá)到閾值可調(diào)且自鎖的目的。

圖4 半正弦加速度信號(hào)Fig.4 Half-sine signal of acceleration

圖5 開(kāi)關(guān)響應(yīng)曲線(xiàn)Fig. 5 Transient response curve of the switch

圖6 半正弦加速度閾值與閉合電壓曲線(xiàn)Fig.6 Curve of acceleration threshold vs. voltage

2.3 加工誤差分析

懸臂梁在加工過(guò)程中存在誤差，尺寸的加工誤差會(huì)影響開(kāi)關(guān)的性能。為了提高閾值開(kāi)關(guān)的可靠性、降低成本和提高成品率。本節(jié)考慮懸臂梁導(dǎo)電層厚度4 μm存在±0.1 μm的上下極限偏差。應(yīng)用蒙特卡洛（Monte Carlo)分析法分析加工誤差對(duì)閾值開(kāi)關(guān)的吸合電壓和閉合時(shí)間的影響。圖7所示為加工誤差對(duì)吸合電壓分布的影響，當(dāng)可動(dòng)電極導(dǎo)電層厚度尺寸在3.9～4.1 μm之間變化時(shí)，可動(dòng)電極的剛度隨之改變，導(dǎo)致隨機(jī)抽取樣本中的吸合電壓也隨之變化；所取樣本數(shù)為100，樣本的平均值為34.041 V，標(biāo)準(zhǔn)差為0.26756，吸合電壓在33.5～34.5 V之間所占樣本的比例為0.94，吸合電壓在標(biāo)準(zhǔn)電壓34 V的±0.5 V范圍內(nèi)浮動(dòng)。圖8所示為存在加工誤差時(shí)，分析對(duì)正弦閾值加速度為1000g，初始電壓為32 V閾值開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間分布的影響；所取樣本數(shù)為100，樣本的平均值為52.991 μs，標(biāo)準(zhǔn)差為6.0812 μs，閉合時(shí)間在40～75 μs之間所占樣本的比例為0.9798；閉合時(shí)間基本在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)，加工誤差對(duì)閾值開(kāi)關(guān)功能的影響在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

圖7 吸合電壓分布圖Fig.7 Distribution of pull-in voltages

圖8 閉合時(shí)間分布圖Fig.8 Distribution of closing time

3 結(jié) 論

針對(duì)引信用慣性開(kāi)關(guān)通用性的要求，提出一種具有閾值可調(diào)功能的微機(jī)電慣性開(kāi)關(guān)。建立了開(kāi)關(guān)工作的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出加速度閾值和電壓的關(guān)系，分析了閾值可調(diào)機(jī)理。在 CoventorWare軟件中 Architect模塊下建立了開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)級(jí)模型，對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真計(jì)算，分析了多物理耦合場(chǎng)下開(kāi)關(guān)的響應(yīng)特性。得到閾值和電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)調(diào)整偏置電壓的方式，可測(cè)量不同閾值加速度。考慮MEMS薄膜沉積工藝存在±0.1 μm加工誤差，應(yīng)用蒙特卡洛法分析懸臂梁厚度在3.9～4.1 μm之間變化時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)吸合電壓和閉合時(shí)間的影響。結(jié)果表明，±0.1 μm的加工誤差對(duì)開(kāi)關(guān)吸合電壓和閉合時(shí)間影響在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

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MEMS inertial switch with threshold adjusting

LIU Shuang-jie, HAO Yong-ping
(School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

In view of the versatility requirement of the inertial switch in fuze, a novel inertial switch with threshold adjusting is designed. The systemic model of the cantilever MEMS switch was established in CoventorWare(Architect module), and the static and the dynamic characteristic were studied based on the systemic model. The simulation results show that the acceleration threshold present an almost liner relationship with the changed bias voltage, and the acceleration threshold can be adjusted by adjusting the bias voltage of the switch. The acceleration threshold is controlled from 1000g to 4000g, adjusting 500g every time. The longest response time of the switch is 63.44 μs, and the contact time is infinite, showing a higher trigger sensitivity and a favorable contact effect. The depth of the 4-micron-thick silicon cantilever would have ±0.1 μm actual error during depositing process, so the Monte Carlo method was used to calculate the pull-in voltage and the performance of switch when the thickness of cantilever changed between 3.9～4.1 μm during simulation moment. The simulation results show that the cantilever error is ±0.1 μm, whose influence on the switch’s pull-in voltage and the response time was within the design index.

MEMS; inertial switch; threshold adjusting; pull-in voltage; machining error

劉雙杰（1980—），女，副教授，從事微機(jī)電系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。E-mail：shuangjieliu@126.com

1005-6734(2014)04-0543-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.04.022

U666.1

A

2014-02-23；

2014-05-28

遼寧省教育廳項(xiàng)目（L2013093）；沈陽(yáng)理工大學(xué)兵器科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金