齒形結構的長脈沖敏感型微加速度開關

步 超，聶偉榮，羅 喬，周織建

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

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齒形結構的長脈沖敏感型微加速度開關

步 超，聶偉榮*，羅 喬，周織建

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

針對智能武器電源管理系統(tǒng)對開關閉鎖和斷開的要求，提出了一種長脈沖敏感型微加速度開關。該開關帶有齒形結構的懸空質量塊和齒形導桿，通過質量塊和導桿在運動過程中相互碰撞實現能量耗散，從而具有在高幅值窄脈沖加速度作用下保持斷開，在低幅值長脈沖加速度作用下可靠閉鎖的功能。介紹了開關結構和工作原理，對開關進行了理論分析和有限元分析，并對開關模型進行了簡化。采用UV-LIGA技術制作了開關樣機，利用樣機試驗和有限元分析相結合的方法驗證了開關的功能。有限元仿真結果表明，該開關在3 000g/3 ms半正弦加速度作用下可靠閉鎖。旋轉臺離心試驗顯示，開關的靜態(tài)閉鎖閾值為2 385.3g～2 475.6g。落錘沖擊試驗和有限元仿真結果均表明，開關在15 000g/0.3 ms半正弦加速度作用下沒有閉鎖。得到的結果表明該開關滿足設計要求，能夠應用于對加速度脈寬有區(qū)分要求的場合。

微機電系統(tǒng)；加速度開關；長脈沖敏感型開關；動態(tài)響應；齒形結構

1 引 言

微機電系統(tǒng)(Micro Electro-mechanical System， MEMS)因具有尺寸小、易集成和大批量生產等優(yōu)點而得到迅速發(fā)展。微加速度開關是一種集傳感器和執(zhí)行器功能于一體的MEMS器件[1-10]，當加速度滿足設計閾值時，開關電極接觸形成電氣通路，實現了加速度敏感和響應驅動一體化。目前，開關對加速度的敏感方式呈現多樣化。如Xi Z和Cao Y等[1-2]通過引入多電極實現了開關的萬向敏感。Currano L J等[3]通過在單個芯片上制作多個具有不同閾值的敏感單元實現了開關的多閾值敏感。Kim H[4]和Ma C W[5]等分別利用梳齒驅動執(zhí)行結構和MEMS模擬數字轉換器實現了閾值可調。而根據執(zhí)行完響應動作后是否恢復到初始位置，開關可分為觸發(fā)型和閉鎖型等。黃新龍等[6]利用UV-LIGA技術制作了一種螺旋狀觸發(fā)型開關。Chen W G和Wang Y等[7-8]分別通過柔性電極結構和碳納米管/銅柔性材料延長了觸發(fā)型開關的接觸時間。Currano L J等[9]提出一種閉鎖型開關，并用有限元仿真和高速攝影試驗相結合的方法研究了開關的閉鎖性能。Guo Z Y等[10]通過分離質量塊和活動電極，改進了閉鎖開關的穩(wěn)定性，并采用半圓形結構的電極提高了開關加工容差性。

但上述開關的閾值設計只針對加速度幅值，開關并不能識別加速度幅值和脈寬均不同的沖擊載荷。但某些應用場合要求開關具有在高幅值窄脈沖干擾載荷下保持斷開，只在低幅值長脈沖預設工作載荷下響應閉鎖的能力。本文針對智能武器電源管理系統(tǒng)對開關在3 000g/3 ms半正弦加速度(定義為加速度A)作用下可靠閉鎖，在15 000g/0.3 ms半正弦加速度(定義為加速度B)作用下保持斷開的設計要求，基于齒形結構，設計了一種長脈沖敏感型微加速度開關。對開關進行了理論分析和有限元分析，并對開關模型進行簡化。最后，利用樣機試驗并結合有限元分析驗證了開關的長脈沖加速度敏感閉鎖特性。

2 結構原理

微開關的整體結構如圖1所示，為了提高閉鎖穩(wěn)定能力，開關采用雙模塊設計，分為通電模塊M1和動態(tài)響應模塊M2。M1主要包括閉鎖機構和接電電極。閉鎖機構由鎖頭、弧形觸頭和鎖鉤等組成。當開關受到的加速度達到閾值時，鎖頭與弧形觸頭接觸，與外部電源和負載組成電氣通路。M2主要包括帶齒形結構的質量塊、齒形導桿以及4根平面支撐彈簧等。4根彈簧分別連接于質量塊的4個頂端，這種布局使得開關具有較高的單軸敏感性。質量塊在運動時齒形結構會和運動導桿相互碰撞。

圖1 微開關結構示意圖

微開關的工作原理如圖2所示，M1和M2為串聯分布的彈簧質量阻尼系統(tǒng)。M1的主要用來實現可靠閉鎖與通電，M2的主要功能是敏感加速度，產生位移響應。x1(t)為M1中鎖頭的運動位移，x2(t)為M2中質量塊的運動位移。M1中鎖頭和弧形觸頭存在間距d，M2的質量塊和M1的鎖頭之間存在間距l(xiāng)。當開關在敏感方向承受的加速度小于閾值時，運動位移x2(t)l+x1(t)，質量塊和鎖頭將發(fā)生接觸，M1接受來自M2的動能，使得鎖頭的位移x1(t)>d，從而擠開鎖鉤，完成閉鎖。鎖鉤能夠鎖住鎖頭和弧形觸頭，使得加速度脈沖消失后兩者也能緊密接觸，實現開關持續(xù)穩(wěn)定接通。

圖2 微開關物理模型

3 動態(tài)響應分析

3.1 理論分析

當開關無齒形碰撞結構時，開關動態(tài)響應模塊的運動方程與傳統(tǒng)加速度開關相同，可以表示為：

(1)

其中：x為質量塊相對于基底的位移，m為質量塊質量；c為阻尼系數，對于平行驅動的MEMS器件，主要取決于滑膜阻尼大??；k為彈簧剛度；a(t) 為施加于敏感方向的加速度，則式(1)可以改寫為：

(2)

(3)

其中：A0為輸入加速度幅值，τ為加速度脈寬，β=π/ωτ=T/2τ，T=2π/ωn。由式(3)求得具有不同固有頻率的開關在加速度A和加速度B激勵下的位移響應xA和xB如圖3所示。開關在低幅值長脈沖加速度作用下的響應均小于對應的高幅值窄脈沖加速度作用下的響應，開關不能滿足設計要求。另外，考慮到開關在加速度B激勵下應滿足x2(t)

(a)位移響應A

(b)位移響應B

圖4 阻尼比和固有頻率對長脈沖敏感性的影響

Fig.4 Impact of damping ratio and natural frequency on long pulse sensitivity

結合圖3和圖4可以得出，固有頻率越大位移響應越小，長脈沖敏感能力越弱。阻尼比越大長脈沖敏感能力越強。要達到設計目標，就要降低位移響應同時提高長脈沖敏感性。因此，需要合理控制開關固有頻率，同時提高阻尼比。

傳統(tǒng)微開關依靠滑膜、壓膜阻尼無法實現設計所需的高阻尼，因此提出在開關質量塊上設計齒形結構和齒形導桿，依靠質量塊運動時齒形結構的碰撞實現能量耗散。如圖5(a)所示，當質量塊在加速度激勵下開始運動時，質量塊和導桿上齒形角為α，相對間距為H的齒形結構發(fā)生斜碰。斜碰使得質量塊運動方向改為向右運動(圖5b)，接著與右導桿發(fā)生斜碰方向改為向左運動(圖5c)。重復此過程直到質量塊通過所有的齒形結構，在導桿的修正下再次沿敏感方向運動(圖5d)。

圖5 微開關碰撞過程

3.2 有限元分析

有限元仿真分析方法是處理MEMS動力學問題，尤其是碰撞問題[12]的有效方法。使用ANSYS軟件建立開關模型，其主要結構參數如表1所示?？紤]到高韌性和導電性要求，MEMS開關利用微電鑄工藝用鎳材料制作，鎳材料的楊氏模量為180 Gpa，泊松比為0.312[13]。首先進行模態(tài)分析，開關一階振型平行于敏感方向，固有頻率為95 9.73 Hz；二階振型垂直于敏感方向，固有頻率為1 583.1 Hz。高階振型具有更高的固有頻率。一階固有頻率和高階固有頻率相差較大，使得開關具有很高的單軸敏感性。然后進行瞬態(tài)動力學分析，分別對開關施加加速度A和加速度B，其響應結果如圖6所示。開關在加速度A作用下實現了可靠閉鎖，在加速度B作用下未能實現閉鎖，加速度消失后質量塊將回落到平衡位置。

(a)微開關處于閉鎖狀態(tài)

(b)開關處于斷開狀態(tài)

構件幾何參數值齒形結構齒形角/(°)120相對間隙/μm20彈簧線寬/μm20厚度/μm80半徑/μm50長度/μm500間隙M1與M2的間距/μm700鎖頭和弧形觸頭的間距/μm90

3.3 簡化模型

利用有限元軟件分析時，對于不同的輸入激勵需要逐個仿真求解，耗費資源。為了便于工程分析，利用仿真獲得的響應特性推出一種等效的簡化模型，以方便開關響應的工程分析。

對動態(tài)響應模塊施加階躍加速度，其響應結果如圖7所示，階躍響應曲線經過平滑處理，平滑后的響應曲線穩(wěn)定在0.5 mm左右且無超調。雖然單次碰撞過程是非線性的，但從整個運動過程來看，平滑后的曲線類似于線性過阻尼二階系統(tǒng)的階躍響應。系統(tǒng)的上升時間tr≈3 ms。對于線性過阻尼二階系統(tǒng)，系統(tǒng)阻尼比與上升時間tr的關系為：

(4)

將一階固有頻率帶入式(4)，算得系統(tǒng)的等效線性阻尼比ξ=4.75。此時可將式(2)這一線性二階系統(tǒng)視為齒形結構開關的線性簡化模型，通過求解式(2)來近似描述開關的響應。

圖7 動態(tài)響應模塊的階躍響應

圖8所示為有限元仿真和簡化模型求解位移響應的結果。位移響應A大于位移響應B且大于相對齒間距l(xiāng)，開關能夠對加速度A敏感閉鎖。在曲線上升段，模型求解結果能夠與有限元仿真較好的吻合。最大位移響應A和最大位移響應B的相對計算誤差分別為8.2%和6.5%。有限元仿真曲線下降段的后部分具有不同于線性過阻尼系統(tǒng)響應的震蕩過程，這是因為開關的運動過程并非都伴隨碰撞，在質量塊重新恢復到初始位置后，在小范圍內的往復運動不再碰撞。上升段關系到位移響應的最大值以及響應時間，是更受到關心的。簡化模型雖然無法描述單次碰撞過程，但是描述質量塊上升的整體過程具有一定的精度，方便工程分析。

圖8 帶齒形結構的質量塊的位移響應

4 試驗驗證

4.1 樣件加工

利用UV-LIGA微電鑄工藝制作樣件的流程如圖9所示。首先將作為基底的不銹鋼鋼板研磨、拋光和清洗，使用甩膠機(KW-4A)將SU-8 2015膠涂于基片表面，得到厚度約為45 μm的膠模(圖9(a))。然后在恒溫保烘箱中采用階梯升溫的方式進行前烘，前烘后的膠模跟隨保烘箱冷卻。接下來使用休斯紫外光刻機進行曝光，曝光劑量為450 mJ/cm2，時間為45 s。使用SU-8 膠進行顯影，將基片充分浸入顯影液中，并附加振動，使未曝光的SU-8膠溶脹去除，顯影時間為 3～8 min。最后將基片放入電鑄槽內進行電鑄(電鑄條件見表2)得到30 μm的第一層結構(圖9(b))。使用相似的甩膠和電鑄工藝，得到20 μm 的第二層結構(圖9(c))。由于第三層具有懸空結構，所以使用磁控濺射儀(JS3X-808)濺射厚度約為200 nm的種子層(圖9(d))。通過重復以上各步驟，得到各層結構(圖9(e)～(g))。利用濕法化學去膠技術，去除開關中的SU-8光刻膠，釋放出懸空的微結構(圖9h)。開關樣件SEM圖像如圖10所示。

表2 電鑄液配比和工藝條件

圖9 開關工藝流程

圖10 微加速度開關SEM圖像

4.2 試驗裝置

3 000g/3 ms加速度實際為模擬武器發(fā)射，幅值較大且持續(xù)時間較長，實驗室條件下很難獲得。因此，利用旋轉試驗臺測試開關的靜態(tài)閉鎖閾值，再由落錘測試系統(tǒng)產生高幅值窄脈寬加速度，以驗證開關的功能特性。

用于測試開關靜態(tài)加速度閾值的旋轉試驗系統(tǒng)如圖11所示，測試系統(tǒng)主要包括旋轉臺及其控制器、顯微鏡和計算機。利用夾具將開關固定在合適的位置，使其敏感方向和離心力方向一致，并測量開關到旋轉中心的距離。利用旋轉臺計算機階梯式的調整旋轉臺的轉速，并實時計算出離心加速度。由于在旋轉臺上安裝數據采集系統(tǒng)會使得旋轉不穩(wěn)，因此利用顯微鏡及其顯示計算機觀察開關的通斷狀態(tài)。

模擬15 000g/0.3 ms半正弦加速度的落錘測試系統(tǒng)，如圖12所示，系統(tǒng)主要包括沖擊落錘和數據采集系統(tǒng)。數據采集系統(tǒng)由電源、數據采集器、加速度計及其電荷放大器以及計算機等組成。開關樣件通過夾具固定在落錘的錘頭上，電源和限流電阻與開關樣件組成回路。當錘頭撞擊平板產生沖擊加速度時，由數據采集器記錄加速度信號和開關通斷信號。

圖11 旋轉試驗系統(tǒng)

圖12 落錘測試系統(tǒng)

4.3 試驗結果

對開關的旋轉離心試驗表明，當加速度為2 385.3g時開關仍處于斷開狀態(tài)，加速度達到2 475.6g時觀察到開關接通，開關接通后的SEM圖像如圖13所示，在鎖鉤的作用下鎖頭和弧形觸頭緊密接觸。因此開關的靜態(tài)加速度閾值為2 385.3～2 475.6g。

使用落錘沖擊產生的加速度信號及開關信號曲線如圖14所示，上部曲線是加速度信號曲線，幅值為1.53 V，傳感器總靈敏度為0.1 mV/g，此時加速度為15 320g。下部曲線為開關信號曲線，開關信號存在3個尖峰，這是由于在此加速度作用下，開關因鎖頭和鎖鉤外表面接觸而短暫接通了3次。但是由于質量塊沒有撞擊到鎖頭，閉鎖模塊自身不能閉鎖，載荷消失之后鎖頭便會返回初始位置。

圖13 微開關閉鎖狀態(tài)SEM圖像

圖14 加速度信號和開關信號

由有限元仿真和離心試驗結果可知，開關在長脈沖(離心加速度可認為具有無限長的脈寬)加速度作用下幅值小于等于3 000g時即能閉鎖。而在窄脈沖加速度作用下，即使幅值超過15 000g也不能閉鎖。由此驗證了這種帶齒形結構的開關具有區(qū)分加速度脈寬，且在長脈沖加速度作用下敏感閉鎖的特性。

5 結 論

本文提出了一種基于齒形結構的長脈沖敏感型微加速度開關。介紹了開關結構和工作原理，對開關進行了理論分析和有限元分析，并對開關模型進行了簡化。采用UV-LIGA技術制作了開關樣機。最后，利用樣機試驗和有限元分析相結合的方法，對開關的功能特性進行了驗證。仿真得到，開關在3 000g/3 ms半正弦加速度作用下可靠閉鎖。試驗得到，開關的靜態(tài)閉鎖閾值為2 385.3～2 475.6g，開關在15 000g/0.3 ms半正弦加速度作用下沒有閉鎖，實現了設計功能。相比于傳統(tǒng)微開關，開關具有2個串聯分布的功能模塊，各自實現閉鎖和敏感響應的功能。通過分離閉鎖機構和質量塊實現了穩(wěn)定可靠的閉鎖，基于質量塊與齒形導桿的碰撞實現了對加速度脈寬的敏感響應，增強了微開關的功能，提高了微開關的適用范圍。

[1] XI Z， ZHANG P， NIE W，etal.. A novel MEMS omnidirectional inertial switch with flexible electrodes [J].Sensors&ActuatorsAPhysical， 2014， 212(6)：93-101.

[2] CAO Y， XI ZH W， YU P X，etal.. A MEMS inertial switch with a single circular mass for universal sensitivity [J].JournalofMicromechanics&Microengineering， 2015， 25(10).

[3] CURRANO L J， BECKER C R， LUNKING D，etal.. Triaxial inertial switch with multiple thresholds and resistive ladder readout [J].Sensors&ActuatorsAPhysical， 2013， 195(2)：191-197.

[4] KIM H， JANG Y H， KIM Y K，etal.. MEMS acceleration switch with bi-directionally tunable threshold [J].Sensors&ActuatorsAPhysical， 2014， 208(2)：120-129.

[5] MA C W， HUANG P C， KUO J C，etal.. A novel inertial switch with an adjustable acceleration threshold using an MEMS digital-to-analog converter [J].MicroelectronicEngineering， 2013， 110(20)：374-380.

[6] 黃新龍， 熊瑛， 陳光焱，等. UV-LIGA技術制作微型螺旋形加速度開關[J]. 光學 精密工程， 2010， 18(5)：1152-1158. HUANG X L， XIONG Y， CHEN G Y，etal.. Fabrication of micro spiral acceleration switch using UV-LIGA technology [J].Opt.PrecisionEng.， 2010， 18(5)：1152-1158. (in Chinese)

[7] CHEN W， YANG Z， WANG Y，etal.. Influence of applied acceleration loads on contact time and threshold in an inertial microswitch with flexible contact-enhanced structure [J].Sensors&ActuatorsAPhysical， 2014， 216(3)：7-18.

[8] WANG Y， YANG Z， XU Q，etal.. Design， simulation and characterization of a MEMS inertial switch with flexible CNTs/Cu composite array layer between electrodes for prolonging contact time [J].JournalofMicromechanics&Microengineering， 2015， 25(8).

[9] CURRANO L J， YU M， BALACHANDRAN B. Latching in a MEMS shock sensor： Modeling and experiments [J].Sensors&ActuatorsAPhysical， 2010， 159(1)：41-50.

[10] GUO Z Y， ZHAO Q C， LIN L T，etal.. An acceleration switch with a robust latching mechanism and cylindrical contacts [J].JournalofMicromechanics&Microengineering， 2010， 20(5).

[11] TSAI T Y， YEH C L， LAI Y S，etal.. Response spectra analysis for undamped structural systems subjected to half-sine impact acceleration pulses [J].MicroelectronicsReliability， 2007， 47(8)：1239-1245.

[12] GILARDI G， SHARF I. Literature survey of contact dynamics modelling [J].Mechanism&MachineTheory， 2002， 37(10)：1213-1239.

[13] HEMKER K J， LAST H. Microsample tensile testing of LIGA nickel for MEMS applications [J].MaterialsScienceandEngineering：A， 2001， 319： 882-886.

步 超(1991-)，男，江蘇揚州人，博士研究生，2014于南京理工大學獲得學士學位，主要從事MEMS慣性器件的設計與可靠性研究。E-mail：buxychao@163.com

導師簡介：

聶偉榮(1969-)，女，山西原平人，博士，副教授，2002于南京理工大學獲得博士學位，主要從事引信MEMS安全系統(tǒng)技術研究以及智能探測與控制技術研究。E-mail：njnwr@hotmail.com

(版權所有 未經許可 不得轉載)

Micro acceleration switch with tooth-shaped structure for long pulse sensitivity

BU Chao， NIE Wei-rong*， LUO Qiao， ZHOU Zhi-jian

(School of Mechanical Engineering，NanjingUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210094，China)

A micro acceleration switch for long pulse sensitivity was proposed to meet the requirement of a power management system of intelligent weapons for switch latching/unlatching. The switch was designed by using a suspended mass with tooth-shaped structure and a tooth shape guide and the energy dissipation was realized by the mutual collision of the mass and tooth shape guide during the moving process. The switch could implement the unlatch under the high amplitude and narrow pulse width acceleration and the latch under the low amplitude and long pulse width acceleration reliably. The structure and working principle of the switch were introduced. Then， the theoretical analysis and finite element analysis(FEA) of the switch were carried out and its model was simplified. A prototype switch was prepared by UV-LIGA technology， and the functional properties of the switch were verified by the combination of FEA and prototype test. The FEA shows that the switch latches reliably under 3 000g/3 ms half sine acceleration pulse. The centrifugal test result shows that the static latching threshold of switch is from 2 385.3gto 2 475.6g. The dropping shock test and FEA results show that the switch do not latch under 15 000g/0.3 ms half-sine acceleration. These results demonstrate that the switch meets the design requirements and can be applied to the occasions where the pulse width is required to be distinguished.

Micro Electro-mechanical System(MEMS)； acceleration switch； long pulse sensitive switch； dynamic response； tooth structure

2016-05-07；

2016-06-20.

國家自然科學基金資助項目(No.51475245)

1004-924X(2016)11-2730-08

TM564

A

10.3788/OPE.20162411.2730

*Correspondingauthor，E-mail：njnwr@hotmail.com