李　功, 焦新泉, 袁　強

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

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MEMS高g值復(fù)合量程開關(guān)設(shè)計

李功1,2, 焦新泉1,2, 袁強1,2

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

摘要:提出一種復(fù)合量程的MEMS開關(guān)，該新型MEMS高g值開關(guān)可檢測高達40 000 gn的不同離散水平的沖擊值,同時,在接觸式阻尼模型上對不同加速度值進行分析測試。試驗中，通過Hopkinson桿標(biāo)定，MEMS開關(guān)最大可實現(xiàn)對37 000 gn的加速度信號進行標(biāo)定響應(yīng)，測試的平均值與仿真相吻合，最大偏差小于5 %。

關(guān)鍵詞:高g值開關(guān)； 復(fù)合量程； 微機電系統(tǒng)； 加速度計

0引言

高g值加速度的標(biāo)定測試是實現(xiàn)對生產(chǎn)出的加速度傳感器準(zhǔn)確標(biāo)定的關(guān)鍵技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于國防和商業(yè)用途[1～3]，而且，沖擊環(huán)境中儀器設(shè)備和物理結(jié)構(gòu)中的破壞、斷裂及碰撞中的加速度值能達到20 000～60 000gn，MEMS傳感器由于體積小、重量輕、精度高等被廣泛應(yīng)用到各個沖擊、振動等惡劣環(huán)境中，成為國內(nèi)外國防和民眾生活中的研究熱點[4]。

基于MEMS加速度計的高g值開關(guān)主要是傳統(tǒng)的壓電式、電容式或壓阻式梁島型結(jié)構(gòu)，壓電式加速度計具有響應(yīng)快、檢測g值高等優(yōu)點[5,6]，但噪聲大、低g值沖擊失效。電容式加速度計結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，但量程低、輸出存在延時。電阻式加速度計量程大、結(jié)構(gòu)簡單，但溫度系數(shù)大[7～9]。然而，目前高g值開關(guān)檢測量級單一，不具備高低g值的多路檢測，不能實現(xiàn)對不同g值的標(biāo)定和響應(yīng)，為了克服上述缺陷，本文采用MEMS工藝技術(shù)，在單晶硅上制備了不同量程的MEMS高g值開關(guān)，并提出一種近接觸式阻尼模型算法。實驗中，通過對不同g值的測試，實現(xiàn)了對不同g值信號的快速響應(yīng)。

1原理與仿真

1.1復(fù)合量程高g值開關(guān)設(shè)計

如圖1所示，采用MEMS加速度計傳感器的檢測原理設(shè)計了不同量程的MEMS高g值開關(guān)，通過改變結(jié)構(gòu)梁的寬度和長度以及質(zhì)量塊的大小來實現(xiàn)對不同g值的響應(yīng)。

1.2加速度檢測過程

圖2所示為一種典型的加速度波形，由于開關(guān)的時間常數(shù)和檢測寬帶加速度所需要的響應(yīng)時間，因此，識別出當(dāng)開關(guān)開始運動的加速度量級和當(dāng)檢測的接觸不同時的加速度的量級變得很重要。加速度檢測過程的重點是研究兩者之間的關(guān)系。

典型的加速度剖面和用于梁動態(tài)仿真的簡單近似

ac=atr+f(t)，

圖1　基于加速度計結(jié)構(gòu)的MEMS高g值開關(guān)Fig 1　High-g value switch of MEMS based on accelerometer structure

圖2　典型的加速度波形Fig 2　Typical waveform of acceleration

式中f(t)為近似線性的時間函數(shù)，假設(shè)施加的加速度波形ttr和tc之間的變化率為常數(shù)，其中，ttr為施加的加速度觸發(fā)g值開關(guān)的時間點，tc檢測到接觸時的時間點，atr為觸發(fā)開關(guān)發(fā)生接觸時的加速度值，ac為接觸完成時的加速度值，r為ttr和tc之間的常數(shù)變化率，使用這種方法可以讀出器件的接觸響應(yīng)，提取過程如圖3所示。

圖3　使用g開關(guān)接觸時間檢測加速度的過程Fig 3　Process of detection of acceleration by using g-switch contacting time

2實驗結(jié)果與討論

2.1高g值開關(guān)的加工制備

在SOI晶片上制作的MEMS高g值開關(guān)阻抗為0.01～0.02 Ω/cm，制作工藝如圖4(a)所示，懸臂梁寬度為20 μm，接觸間隙為2 μm，不同的g值開關(guān)的尺寸如表1所示，圖4(b)所示為復(fù)合量程g值開關(guān)的掃描電鏡(SEM)測試圖。

表1　不同g開關(guān)測試尺寸

圖4　高g值開關(guān)加工工藝和掃描電鏡圖Fig 4　Processing technology and SEM figure ofhigh-g value switch

2.2仿真結(jié)果

g開關(guān)模型可以使用懸臂梁建立，使用微尺度阻尼與外部加速度載荷Euler-Bernoulli梁理論，梁的動態(tài)位移表述為

其中,ρ為密度，E為楊氏模量，b為梁的寬度，h為梁的厚度，x為沿著梁長方向到固定端的距離，w(x,t)為位移，Cdamp為阻尼系數(shù)，fext(t)為與時間相關(guān)的外部加速度,fext(t)為圖2中所示的近似的沖擊加速度值。歐拉—伯努利梁方程通過半隱式有限差分數(shù)值解出，半隱式有限差分是關(guān)于空間的二階中心差分和時間的一階滯后差分。氣體阻尼系數(shù)Cdamp在確定包括停止時間在內(nèi)的g開關(guān)的動態(tài)有重要作用，Cdamp與位移相關(guān)與梁寬b相關(guān)。

加速度的典型輸出曲線如圖2所示，加速度的變化率為800～3 000 gn/μs，簡單地近似為線性關(guān)系。對于沖擊加速度計的設(shè)計，每一個開關(guān)使用近似的變化率800～3 000 gn/μs來數(shù)值仿真，如圖5中所示，相應(yīng)的阻尼方程如下：

對于表1中的g開關(guān)A1(長730.4μm，寬68.1μm)，接觸加速度為

ac=11 214+3.16 04r (gn).

對于g開關(guān)A2(長622.8μm，寬96.3μm)，接觸加速度為

ac=23 216+4.49 39r (gn).

對于g開關(guān)A3(長531.4μm，寬96.7μm)，接觸加速度為

ac=37 467+3.890 8r(gn).

使用上述方程，可以算出tc-ttr與ac的值，可以確定在時間ttr處的加速度值atr以及每個開關(guān)的tc。

圖5　高g值開關(guān)仿真得到的接觸加速度與變化率的關(guān)系Fig 5　Relationship between contact acceleration and rate of change simulated by high-g value switch

2.3復(fù)合量程測試

圖6是為采用Hopkinson桿對MEMS高g值開關(guān)的標(biāo)定測試裝置圖。空氣槍發(fā)射子彈撞擊入射桿的一端的銅脈沖整形器。脈沖整形器將沖擊整形為可控的入射應(yīng)力波并通過入射桿傳播。脈沖整形器產(chǎn)生的獨特的應(yīng)力—時間波可以得出合適的加速度—時間剖面來評價MEMS高g開關(guān)。當(dāng)應(yīng)力波沿著入射桿傳播時，波形可以通過兩個應(yīng)變計測量出，應(yīng)變計是全橋式惠斯通電路的一部分，然后信號通過差分探針放大，并被示波器記錄下來，用于評估MEMS加速度計性能。

從仿真結(jié)果得到，三種開關(guān)的觸發(fā)加速度分別為11 214,23 216,37 467gn，三種開關(guān)預(yù)計的觸發(fā)加速度和測試得出的觸發(fā)加速度如圖7所示。從測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)， A1的平均觸發(fā)加速度為11560gn，A2的觸發(fā)加速度為22 066gn，A3的觸發(fā)加速度為36 190gn，與預(yù)計值接近。

圖6　實驗測試裝置Fig 6　Experimental test equipment

圖7也顯示測試的平均加速度具有相同的偏差，偏差與寬度相關(guān)，對于寬度為96.3 μm和96.7 μm的g開關(guān)，偏差小于4.9 %，而寬度為68.1 μm的僅為3.08 %。同時可以得出,在高g值條件下梁的響應(yīng)與梁的寬度關(guān)系不大，然后在低g值條件下，梁的寬度影響比較大。

圖7　A1,A2,A3在不同加速度下測試仿真的觸發(fā)加速度值Fig 7　Trigger acceleration value test and simulated by A1,A2,A3 at different acceleration

3結(jié)論

本文提出了一種測試高達40 000gn的沖擊的復(fù)合量程高g值開關(guān)，并且提出了一種新的算法，實現(xiàn)了在不同的加速度下單晶硅g開關(guān)的接觸響應(yīng)，并通過Hopkinson桿對三種不同的g開關(guān)進行驗證，沖擊最高達37 000gn，檢測的加速度與仿真的結(jié)果誤差控制在5 %之內(nèi)，為MEMS加速度傳感器標(biāo)定系統(tǒng)的多量程應(yīng)用開發(fā)提供了研究基礎(chǔ)。

參考文獻:

[1]文豐,石云波,周振,等.基于MEMS的高g值加速度計及在炮彈侵徹雙層鋼靶試驗中的應(yīng)用[J].振動與沖擊,2013(19): 165-169．

[2]周明軍，尤佳，秦浩，等.電導(dǎo)率傳感器發(fā)展概況[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(4):9-11.

[3]董力科,代月松,陳昌鑫，等.基于Hopkinson桿的高g值加速度計的標(biāo)定[J].電子設(shè)計工程,2011(15): 86-88.

[4]鄭鵬.電導(dǎo)率儀檢定中存在的若干問題[J].中國計量,2006(6):28-29.

[5]張建新,程翔,張合.侵徹引信高g值慣性開關(guān)試驗研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013(6): 917-921.

[6]Guo Z Y,Zhao Q C,Lin L T,et al.A latching acceleration switch with ELDR latching nechanism and cylindrical contacts independent to the proof-mass[J].J Micromech Microeng,2010,20: 055006.

[7]Guo Z Y,Zhao Q C,Lin L T,et al.Normally-on/off integrated latching acceleration switch with controlled fracture beams and independent multi-contact [J].IEEE Electro Devices Lett,2010,31:129-131.

[8]Kuells R,Nau S,Salk M,et al.Novelpiezoresistive high-gaccelerometer geometry with very high sensitivity-bandwidth product[J].Sensors and Actuators A:Physical,2012,182:41-48.

[9]Wang L P,Wolf R A,Wang Y,et al.Design,fabrication,and measurement of high-sensitivity piezoelectric micro-electro-mechanical systems accelerometers [J].J Micro-Electro-Mecha-nical Systems,2003,12:433.

李功 (1990- )，男，山西朔州人，碩士研究生，主要從事電路與系統(tǒng)方向的研究。

Design of MEMS high-gvalue composite range switch

LI Gong1,2, JIAO Xin-quan1,2, YUAN Qiang1,2

(1.College of Instruments and Electronics，North University of China, Taiyuan 030051,China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， Ministry of Education, North University of China,Taiyuan 030051,China)

Abstract:Propose a multiscale MEMS switch that this new-type of MEMS high-g value switch can detect impact value of different level of discrete which can reach up to 40 000 gn.On the basis of contact damping model,different acceleration value are analyzed and test.By the Hopkinson bar calibration in experiment,MEMS switch can realize calibration response to 37 000 gn acceleration signal at the most extent,and average value of test is consistent with simulation value,the maximum deviation is less than 5 %.

Key words:high-g value switch; composite range; MEMS; accelerometer

作者簡介:

中圖分類號:TM 56

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)01—0082—03

收稿日期：2015—10—14

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0082—03