許馬會， 劉鳳麗， 郭 航

(1.沈陽理工大學(xué) CAD/CAM 技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧 沈陽 110159；2.廈門大學(xué) 薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建 廈門 361005)

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MEMS閾值可調(diào)開關(guān)的仿真與實(shí)驗(yàn)分析*

許馬會1，2， 劉鳳麗1， 郭 航2

(1.沈陽理工大學(xué) CAD/CAM 技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧 沈陽 110159；2.廈門大學(xué) 薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建 廈門 361005)

微系統(tǒng)(MEMS)閾值可調(diào)開關(guān)是一種適用于彈藥類型的通用碰炸開關(guān)，靠捕捉碰撞目標(biāo)時(shí)的前沖慣性力而閉合。此開關(guān)除了受慣性力和靜電力之外，還受到可動電極和驅(qū)動電極之間由于空氣阻力而產(chǎn)生很大的阻尼力的影響。利用Coventor wave軟件中的Saber系統(tǒng)仿真法，對設(shè)計(jì)的開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)特性分析，仿真結(jié)果表明:開關(guān)在不同加速度信號下，閾值加速度與電壓基本上呈反比關(guān)系，且隨著閾值加速度的增大，電壓減小。對加工的開關(guān)樣件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)閾值可調(diào)。

微系統(tǒng)； 閾值可調(diào)開關(guān)； 特性分析; 實(shí)驗(yàn)檢測

0 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)是MEMS技術(shù)的一個(gè)具體應(yīng)用，是用微機(jī)械加工技術(shù)集成在硅片上的開關(guān)，它用在射頻到毫米波(0.1～1 000 GHz)的通信上。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件(雙極型晶體管、金屬氧化物場效應(yīng)晶體管)相比，MEMS開關(guān)具有信號失真小、閉合速度快、功耗小、線性好、尺寸小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此,MEMS開關(guān)被廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)、無線通信、自動測試設(shè)備、快速數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中[1]。目前，國內(nèi)在MEMS開關(guān)的研究上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但是與國外所研究的MEMS開關(guān)相比，在性能和可靠性上還有很大的差距，而且對于開關(guān)的失效原因以及封裝等問題上還有待提高。

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，MEMS開關(guān)可分為兩大類，一類為加速度計(jì)式開關(guān)，加速度計(jì)式開關(guān)是利用加速度計(jì)的方向檢測特性，將加速度的變化轉(zhuǎn)換為電阻、電容等電量的變化，當(dāng)開關(guān)的角度發(fā)生改變且大于等于設(shè)定的角度時(shí)，電路接收到信號后將被連通，就能實(shí)現(xiàn)閾值可調(diào)性，但是這種開關(guān)不能應(yīng)用在多物理耦合的環(huán)境下。另一類為微機(jī)械慣性開關(guān)，微機(jī)械慣性開關(guān)融合了傳感器與執(zhí)行器[2，3]，可用于感知加速度信號，當(dāng)檢測到超過閾值信號時(shí)，被彈簧懸空的質(zhì)量塊與電極相碰撞，觸發(fā)電信號[4，5],因此，微慣性開關(guān)多采用典型的彈簧質(zhì)量—阻尼系統(tǒng)[6]。這類開關(guān)具有較強(qiáng)的抗過載能力和可靠性，但是不能實(shí)現(xiàn)閾值可調(diào)。

針對MEMS微機(jī)械慣性開關(guān)達(dá)不到閾值可調(diào)的效果，本文提出了一種閾值可調(diào)的開關(guān)結(jié)構(gòu)，利用Coventor wave軟件Saber系統(tǒng)法對MEMS閾值可調(diào)開關(guān)進(jìn)行特性分析，對比不同閾值加速度與電壓的關(guān)系。

1 工作原理

MEMS閾值可調(diào)開關(guān)的可動電極在慣性力和靜電力的作用下向下運(yùn)動，與驅(qū)動電極形成一個(gè)電場，當(dāng)開關(guān)的上接觸電極與下接觸電極相接觸時(shí)，整個(gè)電路被導(dǎo)通，開關(guān)就處于閉合狀態(tài)。通過改變不同的輸入信號和初始偏置電壓，從而可以改變可動電極和驅(qū)動電極之間的距離，以感應(yīng)不同的閾值加速度[7，8]。MEMS閾值可調(diào)開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 MEMS閾值可調(diào)開關(guān)的結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of MEMS adjustable threshold switch

從圖1中可以看出，在可動電極和驅(qū)動電極之間有一層介電層，目的是為了防止開關(guān)閉合時(shí)，開關(guān)被電壓擊穿，造成整體短路。

開關(guān)除了受慣性力和靜電力之外，還受到可動電極和驅(qū)動電極之間由于空氣阻力而產(chǎn)生很大的阻尼力的影響[9],而且這個(gè)阻尼力是不可以忽略的，它會對MEMS開關(guān)產(chǎn)生較大的阻尼力。使兩個(gè)極板之間運(yùn)動變得相當(dāng)困難。模型示意圖如圖2所示。

圖2 壓模阻尼模型示意圖Fig 2 Schematic diagram of die damping model

平板的尺寸遠(yuǎn)大于兩平板間的間距，因此，兩平板間的氣體流動為層流狀態(tài)，在溫度不變的情況下，可建立雷諾方程[10]

(1)

假設(shè)平板長度L=2B，寬度B=2a，則其邊界條件為

P(±a,y),P(x,±b)

(2)

通過上述的邊界條件,并結(jié)合式(1),可計(jì)算出氣體壓強(qiáng)的變化量?P,對?P進(jìn)行積分,可得到兩極板所受到空氣阻尼力為

(3)

由此可以推知阻尼系數(shù)為

(4)

(5)

當(dāng)開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸確定后，結(jié)合式(3)、式(4)、式(5)，即可求出兩極板之間所受到的阻尼力。

2 開關(guān)瞬態(tài)應(yīng)力分析

對開關(guān)進(jìn)行瞬態(tài)應(yīng)力分析，即分析開關(guān)的閾值可調(diào)能力。首先對懸臂梁加載偏置電壓后，在靜電力和彈簧抗力的合力作用下懸臂梁達(dá)到平衡位置，此時(shí)，若感知到外部加速度a(t)，懸臂梁二次變形，當(dāng)加速度足夠大時(shí)，上下極板出現(xiàn)吸合現(xiàn)象，開關(guān)閉合。懸臂梁的運(yùn)動方程如下[11]

(6)

利用Coventorwave軟件中的Saber系統(tǒng)對懸臂梁同時(shí)加載電壓和加速度，結(jié)果如圖3所示。圖3可見，懸臂梁自由端移動相同的位移，加載閾值加速度越大，使開關(guān)閉合的電壓就越小， 當(dāng)加載驅(qū)動電壓為24V時(shí)，對應(yīng)的閾值加速度為2 200 gn,此時(shí)開關(guān)出現(xiàn)吸合現(xiàn)象,當(dāng)電壓稍微大于24V，開關(guān)就會閉合。

圖3 懸臂梁加載加速度、電壓、位移之間的關(guān)系Fig 3 Relationship between cantilever beam loading,acceleration voltage and displacement

圖4為施加周期是800 μs的半正弦加速度信號，下驅(qū)動電極自由端的響應(yīng)曲線。當(dāng)加速度閾值從1 000gn以500gn的步長遞增到3 000gn時(shí)，對應(yīng)的初始輸入電壓分別為28,27，26，24，22 V。

圖4 半正弦加速度與電壓的耦合作用下懸臂梁自由端位移隨時(shí)間變化曲線Fig 4 Curve of displacement of free end of cantilever beam coupling half sine acceleration and voltage change with time

3 實(shí)驗(yàn)檢測

3.1 探針臺實(shí)驗(yàn)

對開關(guān)進(jìn)行探針臺實(shí)驗(yàn)是為了測試所加工的開關(guān)是否有信號輸出，為沖擊臺實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。圖5(a),(b)為開關(guān)樣件和封裝好的開關(guān)。

圖5 開關(guān)樣件和封裝好的開關(guān)Fig 5 Switch prototype and packaged switch

封裝好的開關(guān)放在探針臺上，將3個(gè)探針分別放在開關(guān)的3個(gè)引腳處，打開電源，如圖6所示。

圖6 探針臺實(shí)驗(yàn)Fig 6 Probe station experiment

從圖6中可以看出，電源電壓為27.01 V，說明開關(guān)有信號輸出，進(jìn)而證明該開關(guān)是可用的。

3.2 沖擊試驗(yàn)

探針臺實(shí)驗(yàn)成功后方可進(jìn)行沖擊臺試驗(yàn)，此試驗(yàn)是為了驗(yàn)證開關(guān)的抗過載能力以及是否能實(shí)現(xiàn)閾值可調(diào)。在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)之前需要將通過探針臺試驗(yàn)測試的開關(guān)進(jìn)行焊接，如圖7所示。

圖7 焊接好的開關(guān)Fig 7 Welding switch

由于電磁閥產(chǎn)生噪聲，在單次觸發(fā)的條件下，示波器會輸出干擾信號，為了消除干擾信號，將開關(guān)和導(dǎo)線全部用金箔套住，并將金箔接地。然后將沖擊臺加速度以500gn為一檔，從1 000gn開始，表1為三個(gè)開關(guān)樣件在加速度與電壓共同作用的測量結(jié)果。

表1 三個(gè)開關(guān)樣件在加速度與電壓共同作用的測量結(jié)果

從表1中的結(jié)果可以看出，在理論加速度與實(shí)際加速度相同的情況下，1#開關(guān)閉合的實(shí)際電壓值與理論電壓值基本一致，兩者之間存在0.035 %～0.037 %的誤差，這是由于在加工過程中，實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸存在一定的誤差引起的，但并不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2#開關(guān)在經(jīng)過3次沖擊之后，給開關(guān)施加1V的電壓，開關(guān)就能閉合，造成此現(xiàn)象的原因是反復(fù)沖擊導(dǎo)致開關(guān)懸臂梁疲勞損壞，使開關(guān)失效。3#開關(guān)經(jīng)過2次沖擊之后，增加閾值加速度，電壓值也隨之升高，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因，開關(guān)進(jìn)行多次沖擊實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致開關(guān)上極板和懸臂梁疲勞，反應(yīng)緩慢，發(fā)生翹曲效應(yīng)。 圖8為對1#開關(guān)施加不同加速度進(jìn)行沖擊時(shí)，示波器的變化情況。

圖8 施加不同加速度進(jìn)行沖擊時(shí)結(jié)果Fig 8 Result of different acceleration is applied

圖8(a)為對開關(guān)施加500gn加速度，電源電壓為28.03 V時(shí)，示波器的變化情況，從圖中可以看出，示波器上只有一條水平的直線，這說明在上述條件下開關(guān)沒有達(dá)到閉合狀態(tài)。圖8(b)為對1#開關(guān)施加1 000gn加速度，電源電壓為28.03 V時(shí)，示波器的變化情況，從圖中可以看出，示波器有一個(gè)由基態(tài)到階躍的跳躍狀態(tài)，且信號保持不變，這說明在上述情況下，開關(guān)處于閉合狀態(tài)。圖8(c)為對1#開關(guān)施加1 500gn加速度，電源電壓為27.01 V時(shí)，示波器的變化情況，從圖中可以看出，示波器有一個(gè)由基態(tài)到階躍的跳躍狀態(tài)，且信號保持不變，這說明在上述情況下，開關(guān)也能達(dá)到閉合狀態(tài)。

通過表1 和圖8中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，能使開關(guān)達(dá)到閉合狀態(tài)的閾值加速度和電壓值與之前進(jìn)行閾值仿真結(jié)果的相符，說明該開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)閾值可調(diào)，進(jìn)而驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的開關(guān)結(jié)構(gòu)的可行性。

4 結(jié) 論

根據(jù)所研究開關(guān)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，提出一種靜電驅(qū)動MEMS閾值可調(diào)開關(guān)，此開關(guān)除了受慣性力和靜電力之外，還受到可動電極和驅(qū)動電極之間由于空氣阻力而產(chǎn)生很大的阻尼力的影響。利用Coventor wave軟件對開關(guān)進(jìn)行瞬態(tài)應(yīng)力分析，對開關(guān)施加一定周期的半正弦信號，仿真結(jié)果表明:懸臂梁自由端移動相同的位移時(shí)，加載閾值加速度越大，使開關(guān)閉合的電壓就越小。對加工的開關(guān)樣品進(jìn)行探針臺實(shí)驗(yàn)和沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)閾值可調(diào)，進(jìn)而證明所設(shè)計(jì)的開關(guān)結(jié)構(gòu)是可行的。

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郭 航，通訊作者， 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

福建省高校產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目(2015H6021)；廈門市科技項(xiàng)目(3502Z1430030)；國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015AA042701)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0028—04

TM 564.6

A

1000—9787(2016)10—0028—04

許馬會(1986-)，女，山東菏澤人，博士研究生，主要從事MEMS微小器件探測技術(shù)方面的研究工作。