劉雙杰，郝永平

（沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159）

閾值可調(diào)的微機電慣性開關(guān)

劉雙杰，郝永平

（沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159）

針對慣性開關(guān)通用性的要求，設計了一種具有閾值可調(diào)功能的微機電慣性開關(guān)。利用CoventorWare軟件中的Architect模塊對該懸臂梁結(jié)構(gòu)開關(guān)進行系統(tǒng)級仿真。仿真結(jié)果表明，開關(guān)在半正弦加速度信號作用下，加速度閾值和電壓基本呈線性關(guān)系，通過調(diào)整偏置電壓的方式，可測量不同閾值加速度；以500g為一檔，調(diào)節(jié)加速度閾值范圍為1000～4000g，開關(guān)最長響應時間為63.44 μs，接觸時間無窮大，表現(xiàn)出良好的工作性能?？紤]MEMS薄膜沉積工藝在加工4 μm厚的懸臂梁時存在±0.1 μm加工誤差，應用蒙特卡洛法分析懸臂梁厚度在3.9～4.1 μm之間變化時，對開關(guān)吸合電壓和閉合時間的影響，結(jié)果表明，±0.1 μm的加工誤差對開關(guān)吸合電壓和閉合時間影響在設計允許范圍內(nèi)。

MEMS；慣性開關(guān)；閾值可調(diào)；吸合電壓；加工誤差

微機電(MEMS)慣性開關(guān)是對加速度的變化敏感提供開關(guān)閉合動作的MEMS執(zhí)行器，也稱閾值開關(guān)或者g值開關(guān)，它是將機械和電統(tǒng)一結(jié)合的產(chǎn)物。彈藥系統(tǒng)中的碰炸開關(guān)是通過識別碰目標時加速度閾值大小而閉合，為始發(fā)火工品元件提供電路導通。當彈丸打擊“軟”“硬”目標的不同，其加速度閾值也不相同，因此開關(guān)的通用性是目前亟需解決的問題。閾值可調(diào)的開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)同一個開關(guān)匹配不同的彈丸、同一類彈丸打擊不同的目標環(huán)境。

目前應用在航空航天、汽車電子和彈藥等領域上的微機電開關(guān)有兩大類。一類是加速度計式開關(guān)，加速度計[1-3]式的開關(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、比較后給出被接通電路信號，被接通電路接收信號后電路連通，這種開關(guān)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)閾值可調(diào)，可缺點是開關(guān)不實現(xiàn)物理意義上的“閉合”或“斷開”，容易受電子干擾，使彈丸產(chǎn)生誤炸。另一類是微機械慣性開關(guān)，靠感知環(huán)境力作用，屬被動敏感，有較強的抗干擾性和可靠性，但是當系統(tǒng)剛度、質(zhì)量和間隙確定之后，開關(guān)的閾值也被確定下來，閾值不可調(diào)節(jié)，應用范圍較窄，不能達到通用性的要求[4-5]。

針對MEMS慣性開關(guān)通用性的需求，本文設計了一種具有閾值可調(diào)功能的MEMS慣性開關(guān)。利用機電耦合場所特有的靜電 Pull-in(吸合)效應[6]，使可動極板末端與接觸電極相接觸，完成開關(guān)閉合動作。通過預先調(diào)整偏置電壓的方式，改變可動極板與驅(qū)動極板間的間隙，以測量不同閾值加速度。

1 結(jié)構(gòu)設計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

開關(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，采用對稱的兩個懸臂梁結(jié)構(gòu)，以避免開關(guān)閉合時發(fā)生y方向的偏移和降低剛度的效果，使開關(guān)更快更穩(wěn)定地閉合。開關(guān)可動電極在受到慣性力產(chǎn)生的加速度和與驅(qū)懸臂梁形成電場產(chǎn)生的靜電力共同作用下，實現(xiàn)可動電極向下運動，當可動電極末端與接觸電極相接觸，開關(guān)動作完成。通過預先調(diào)整驅(qū)動電壓的方式，可以改變懸臂梁與驅(qū)動極板間的初始間隙，以測量不同加速度閾值；在上下極板間隙無窮小時，產(chǎn)生的靜電力無窮大，能實現(xiàn)開關(guān)自鎖，以長時間觸發(fā)信號。

圖1 開關(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)閾值慣性開關(guān)的工作原理是首先通過閾值調(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，當開關(guān)感知到外部慣性力的作用時，驅(qū)動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，檢測電路被接通，開關(guān)開始工作。

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

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

將無量綱化后的v、d、γ代入式(1)，化簡可得到：

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呈一一對應關(guān)系，且隨著偏置電壓的增加，系統(tǒng)受到的靜電力越來越大，系統(tǒng)越容易進入非穩(wěn)定狀態(tài)，對應的加速度閾值也越來越小。因此，通過調(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開關(guān)的系統(tǒng)級分析

2.1 開關(guān)的系統(tǒng)級模型建立

開關(guān)工作過程受靜電場、慣性力場、固體場（彈性力)以及流體場（阻尼力)等多物理場的耦合作用。

本文利用architect中SABER集成仿真環(huán)境，對MEMS組件庫中各類單元搭建的微機電系統(tǒng)進行系統(tǒng)級的仿真，比有限元法仿真的速度更快，能有效提高設計效率。系統(tǒng)級設計采用自上而下的設計步驟，不出現(xiàn)實體模型，容易修改該尺寸，和有限元法相比更容易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

圖2所示為在Architect平臺上搭建的開關(guān)系統(tǒng)的系統(tǒng)級行為模型。

圖2 Architect中的開關(guān)系統(tǒng)級模型Fig.2 Systematic model for switch on Architect platform

2.2 開關(guān)的吸合電壓計算

對于某些MEMS傳感器和執(zhí)行器，系統(tǒng)需要有穩(wěn)定的平衡點，施加電壓應該低于吸合電壓，避免兩極板相互接觸導致短路現(xiàn)象。而對于某些微執(zhí)行器如RF MEMS開關(guān)，施加電壓應該大于吸合電壓，才能實現(xiàn)開關(guān)物理意義上的閉合。開關(guān)的吸合電壓對開關(guān)的性能來說意義重大。

利用CoventorWare軟件中的Architect模塊進行系統(tǒng)級分析，求得開關(guān)的位移隨電壓變化曲線如圖4所示，當電壓達到34 V時，可動電極與驅(qū)動極板產(chǎn)生吸合效應，34 V為可動電極的吸合電壓。

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

2.3 多物理場耦合下開關(guān)的動力學仿真計算

彈丸在碰擊目標的瞬間，受到目標對其的反作用力，彈丸中的開關(guān)同時受到一個和碰擊加速度方向相反、大小相等的慣性力作用。假設加速度曲線為圖4所示的周期是200 μs，閾值為1000g的半正弦加速度信號。對開關(guān)在靜電力、慣性力、彈性力及阻尼力多種物理場耦合作用下的瞬態(tài)響應進行系統(tǒng)級仿真。

圖 5為閾值開關(guān)的響應曲線，當閾值加速度在1000g到4000g之間變化，步長為500g時，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，閉合時所對應的閉合時間分別為 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，曲線趨近于線性，實現(xiàn)了閾值與電壓一一對應的關(guān)系，達到閾值可調(diào)且自鎖的目的。

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

圖5 開關(guān)響應曲線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Fig.6 Curve of acceleration threshold vs. voltage

2.3 加工誤差分析

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

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

圖8 閉合時間分布圖Fig.8 Distribution of closing time

3 結(jié) 論

針對引信用慣性開關(guān)通用性的要求，提出一種具有閾值可調(diào)功能的微機電慣性開關(guān)。建立了開關(guān)工作的數(shù)學模型，推導出加速度閾值和電壓的關(guān)系，分析了閾值可調(diào)機理。在 CoventorWare軟件中 Architect模塊下建立了開關(guān)的系統(tǒng)級模型，對開關(guān)進行系統(tǒng)級仿真計算，分析了多物理耦合場下開關(guān)的響應特性。得到閾值和電壓的對應關(guān)系。通過調(diào)整偏置電壓的方式，可測量不同閾值加速度?？紤]MEMS薄膜沉積工藝存在±0.1 μm加工誤差，應用蒙特卡洛法分析懸臂梁厚度在3.9～4.1 μm之間變化時，對開關(guān)吸合電壓和閉合時間的影響。結(jié)果表明，±0.1 μm的加工誤差對開關(guān)吸合電壓和閉合時間影響在設計允許范圍內(nèi)。

[1] Tsuchiya T, Funabashi H. A Z-axis differential capacitive SOI accelerometer with vertical comb electrodes[C]//17th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. Maastricht, The Netherlands, 2004: 524-527.

[2] Boga B, Ocak I E, Kulah H, et al. Modeling of a capacitive S-A MEMS accelerometer system including the noise components and verification with test result[J]. Micro Electro Mechanical Systems, 2009: 821-824.

[3] Qian Keqiang, Luo Wen, Yu Qi. Research on electromechanical model of micro-accelerometer based on SOI technology[J]. ASICON, 2011: 433-436.

[4] 劉雙杰，郝永平. 環(huán)形無源萬向微機電慣性開關(guān)[J]. 中國慣性技術(shù)學報，2013，21(2)：240-244.

LIU Shuang-jie, HAO Yong-ping. Annular passive universal MEMS inertial switch[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2013, 21(2): 240-244.

[5] 王超，陳光焱，吳嘉麗. 基于MEMS技術(shù)的低g值微慣性開關(guān)的設計與制作[J]. 傳感器技術(shù)學報，2011，24 (5)：653-657.

WANG Chao, CHEN Guang-yan, Wu Jia-li. Design and fabrication of low-g micro inertial switch based on MEMS technology[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2011, 24(5): 653-657.

[6] Bao M H, Huang Y P, Yang H, et al. Reliable operation conditions of capacitive inertial sensor for step and shock signals[J]. Sensors and Actuators, 2004, A114: 41.

[7] 賈孟軍，李昕欣，宋朝暉，王躍林. 開關(guān)點電可調(diào)節(jié)的MEMS沖擊加速度鎖定開關(guān)[J]. 半導體學報，2007，28(8)：1295-1301.

JIA Meng-jun, LI Xin-xin, SONG Zhao-hui, WANG Yuelin. MEMS Shocking-acceleration switch with threshold modulating and on-state latching function[J]. Chinese Journal of Semiconductors, 2007, 28(8): 1295-1301.

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，從事微機電系統(tǒng)分析和設計。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

遼寧省教育廳項目（L2013093）；沈陽理工大學兵器科學與技術(shù)重點實驗室開放基金