步 超，聶偉榮，羅 喬，周織建

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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齒形結(jié)構(gòu)的長脈沖敏感型微加速度開關(guān)

步 超，聶偉榮*，羅 喬，周織建

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對智能武器電源管理系統(tǒng)對開關(guān)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(guān)。該開關(guān)帶有齒形結(jié)構(gòu)的懸空質(zhì)量塊和齒形導(dǎo)桿，通過質(zhì)量塊和導(dǎo)桿在運(yùn)動過程中相互碰撞實(shí)現(xiàn)能量耗散，從而具有在高幅值窄脈沖加速度作用下保持?jǐn)嚅_，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(guān)結(jié)構(gòu)和工作原理，對開關(guān)進(jìn)行了理論分析和有限元分析，并對開關(guān)模型進(jìn)行了簡化。采用UV-LIGA技術(shù)制作了開關(guān)樣機(jī)，利用樣機(jī)試驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合的方法驗(yàn)證了開關(guān)的功能。有限元仿真結(jié)果表明，該開關(guān)在3 000g/3 ms半正弦加速度作用下可靠閉鎖。旋轉(zhuǎn)臺離心試驗(yàn)顯示，開關(guān)的靜態(tài)閉鎖閾值為2 385.3g～2 475.6g。落錘沖擊試驗(yàn)和有限元仿真結(jié)果均表明，開關(guān)在15 000g/0.3 ms半正弦加速度作用下沒有閉鎖。得到的結(jié)果表明該開關(guān)滿足設(shè)計(jì)要求，能夠應(yīng)用于對加速度脈寬有區(qū)分要求的場合。

微機(jī)電系統(tǒng)；加速度開關(guān)；長脈沖敏感型開關(guān)；動態(tài)響應(yīng)；齒形結(jié)構(gòu)

1 引 言

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

但上述開關(guān)的閾值設(shè)計(jì)只針對加速度幅值，開關(guān)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(yīng)用場合要求開關(guān)具有在高幅值窄脈沖干擾載荷下保持?jǐn)嚅_，只在低幅值長脈沖預(yù)設(shè)工作載荷下響應(yīng)閉鎖的能力。本文針對智能武器電源管理系統(tǒng)對開關(guān)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?jǐn)嚅_的設(shè)計(jì)要求，基于齒形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種長脈沖敏感型微加速度開關(guān)。對開關(guān)進(jìn)行了理論分析和有限元分析，并對開關(guān)模型進(jìn)行簡化。最后，利用樣機(jī)試驗(yàn)并結(jié)合有限元分析驗(yàn)證了開關(guān)的長脈沖加速度敏感閉鎖特性。

2 結(jié)構(gòu)原理

微開關(guān)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了提高閉鎖穩(wěn)定能力，開關(guān)采用雙模塊設(shè)計(jì)，分為通電模塊M1和動態(tài)響應(yīng)模塊M2。M1主要包括閉鎖機(jī)構(gòu)和接電電極。閉鎖機(jī)構(gòu)由鎖頭、弧形觸頭和鎖鉤等組成。當(dāng)開關(guān)受到的加速度達(dá)到閾值時(shí)，鎖頭與弧形觸頭接觸，與外部電源和負(fù)載組成電氣通路。M2主要包括帶齒形結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊、齒形導(dǎo)桿以及4根平面支撐彈簧等。4根彈簧分別連接于質(zhì)量塊的4個(gè)頂端，這種布局使得開關(guān)具有較高的單軸敏感性。質(zhì)量塊在運(yùn)動時(shí)齒形結(jié)構(gòu)會和運(yùn)動導(dǎo)桿相互碰撞。

圖1 微開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

微開關(guān)的工作原理如圖2所示，M1和M2為串聯(lián)分布的彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。M1的主要用來實(shí)現(xiàn)可靠閉鎖與通電，M2的主要功能是敏感加速度，產(chǎn)生位移響應(yīng)。x1(t)為M1中鎖頭的運(yùn)動位移，x2(t)為M2中質(zhì)量塊的運(yùn)動位移。M1中鎖頭和弧形觸頭存在間距d，M2的質(zhì)量塊和M1的鎖頭之間存在間距l(xiāng)。當(dāng)開關(guān)在敏感方向承受的加速度小于閾值時(shí)，運(yùn)動位移x2(t)l+x1(t)，質(zhì)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(shí)現(xiàn)開關(guān)持續(xù)穩(wěn)定接通。

圖2 微開關(guān)物理模型

3 動態(tài)響應(yīng)分析

3.1 理論分析

當(dāng)開關(guān)無齒形碰撞結(jié)構(gòu)時(shí)，開關(guān)動態(tài)響應(yīng)模塊的運(yùn)動方程與傳統(tǒng)加速度開關(guān)相同，可以表示為：

(1)

其中：x為質(zhì)量塊相對于基底的位移，m為質(zhì)量塊質(zhì)量；c為阻尼系數(shù)，對于平行驅(qū)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(guān)在加速度A和加速度B激勵(lì)下的位移響應(yīng)xA和xB如圖3所示。開關(guān)在低幅值長脈沖加速度作用下的響應(yīng)均小于對應(yīng)的高幅值窄脈沖加速度作用下的響應(yīng)，開關(guān)不能滿足設(shè)計(jì)要求。另外，考慮到開關(guān)在加速度B激勵(lì)下應(yīng)滿足x2(t)

(a)位移響應(yīng)A

(b)位移響應(yīng)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(jié)合圖3和圖4可以得出，固有頻率越大位移響應(yīng)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(qiáng)。要達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，就要降低位移響應(yīng)同時(shí)提高長脈沖敏感性。因此，需要合理控制開關(guān)固有頻率，同時(shí)提高阻尼比。

傳統(tǒng)微開關(guān)依靠滑膜、壓膜阻尼無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需的高阻尼，因此提出在開關(guān)質(zhì)量塊上設(shè)計(jì)齒形結(jié)構(gòu)和齒形導(dǎo)桿，依靠質(zhì)量塊運(yùn)動時(shí)齒形結(jié)構(gòu)的碰撞實(shí)現(xiàn)能量耗散。如圖5(a)所示，當(dāng)質(zhì)量塊在加速度激勵(lì)下開始運(yùn)動時(shí)，質(zhì)量塊和導(dǎo)桿上齒形角為α，相對間距為H的齒形結(jié)構(gòu)發(fā)生斜碰。斜碰使得質(zhì)量塊運(yùn)動方向改為向右運(yùn)動(圖5b)，接著與右導(dǎo)桿發(fā)生斜碰方向改為向左運(yùn)動(圖5c)。重復(fù)此過程直到質(zhì)量塊通過所有的齒形結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)桿的修正下再次沿敏感方向運(yùn)動(圖5d)。

圖5 微開關(guān)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(xué)問題，尤其是碰撞問題[12]的有效方法。使用ANSYS軟件建立開關(guān)模型，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。考慮到高韌性和導(dǎo)電性要求，MEMS開關(guān)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(jìn)行模態(tài)分析，開關(guān)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(guān)具有很高的單軸敏感性。然后進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，分別對開關(guān)施加加速度A和加速度B，其響應(yīng)結(jié)果如圖6所示。開關(guān)在加速度A作用下實(shí)現(xiàn)了可靠閉鎖，在加速度B作用下未能實(shí)現(xiàn)閉鎖，加速度消失后質(zhì)量塊將回落到平衡位置。

(a)微開關(guān)處于閉鎖狀態(tài)

(b)開關(guān)處于斷開狀態(tài)

構(gòu)件幾何參數(shù)值齒形結(jié)構(gòu)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(shí)，對于不同的輸入激勵(lì)需要逐個(gè)仿真求解，耗費(fèi)資源。為了便于工程分析，利用仿真獲得的響應(yīng)特性推出一種等效的簡化模型，以方便開關(guān)響應(yīng)的工程分析。

對動態(tài)響應(yīng)模塊施加階躍加速度，其響應(yīng)結(jié)果如圖7所示，階躍響應(yīng)曲線經(jīng)過平滑處理，平滑后的響應(yīng)曲線穩(wěn)定在0.5 mm左右且無超調(diào)。雖然單次碰撞過程是非線性的，但從整個(gè)運(yùn)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(yīng)。系統(tǒng)的上升時(shí)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(shí)間tr的關(guān)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(shí)可將式(2)這一線性二階系統(tǒng)視為齒形結(jié)構(gòu)開關(guān)的線性簡化模型，通過求解式(2)來近似描述開關(guān)的響應(yīng)。

圖7 動態(tài)響應(yīng)模塊的階躍響應(yīng)

圖8所示為有限元仿真和簡化模型求解位移響應(yīng)的結(jié)果。位移響應(yīng)A大于位移響應(yīng)B且大于相對齒間距l(xiāng)，開關(guān)能夠?qū)铀俣華敏感閉鎖。在曲線上升段，模型求解結(jié)果能夠與有限元仿真較好的吻合。最大位移響應(yīng)A和最大位移響應(yīng)B的相對計(jì)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(yīng)的震蕩過程，這是因?yàn)殚_關(guān)的運(yùn)動過程并非都伴隨碰撞，在質(zhì)量塊重新恢復(fù)到初始位置后，在小范圍內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動不再碰撞。上升段關(guān)系到位移響應(yīng)的最大值以及響應(yīng)時(shí)間，是更受到關(guān)心的。簡化模型雖然無法描述單次碰撞過程，但是描述質(zhì)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(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊的位移響應(yīng)

4 試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)(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(jìn)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(jī)進(jìn)行曝光，曝光劑量為450 mJ/cm2，時(shí)間為45 s。使用SU-8 膠進(jìn)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(shí)間為 3～8 min。最后將基片放入電鑄槽內(nèi)進(jìn)行電鑄(電鑄條件見表2)得到30 μm的第一層結(jié)構(gòu)(圖9(b))。使用相似的甩膠和電鑄工藝，得到20 μm 的第二層結(jié)構(gòu)(圖9(c))。由于第三層具有懸空結(jié)構(gòu)，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(fù)以上各步驟，得到各層結(jié)構(gòu)(圖9(e)～(g))。利用濕法化學(xué)去膠技術(shù)，去除開關(guān)中的SU-8光刻膠，釋放出懸空的微結(jié)構(gòu)(圖9h)。開關(guān)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(guān)工藝流程

圖10 微加速度開關(guān)SEM圖像

4.2 試驗(yàn)裝置

3 000g/3 ms加速度實(shí)際為模擬武器發(fā)射，幅值較大且持續(xù)時(shí)間較長，實(shí)驗(yàn)室條件下很難獲得。因此，利用旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺測試開關(guān)的靜態(tài)閉鎖閾值，再由落錘測試系統(tǒng)產(chǎn)生高幅值窄脈寬加速度，以驗(yàn)證開關(guān)的功能特性。

用于測試開關(guān)靜態(tài)加速度閾值的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖11所示，測試系統(tǒng)主要包括旋轉(zhuǎn)臺及其控制器、顯微鏡和計(jì)算機(jī)。利用夾具將開關(guān)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(guān)到旋轉(zhuǎn)中心的距離。利用旋轉(zhuǎn)臺計(jì)算機(jī)階梯式的調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速，并實(shí)時(shí)計(jì)算出離心加速度。由于在旋轉(zhuǎn)臺上安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會使得旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)，因此利用顯微鏡及其顯示計(jì)算機(jī)觀察開關(guān)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電源、數(shù)據(jù)采集器、加速度計(jì)及其電荷放大器以及計(jì)算機(jī)等組成。開關(guān)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(guān)樣件組成回路。當(dāng)錘頭撞擊平板產(chǎn)生沖擊加速度時(shí)，由數(shù)據(jù)采集器記錄加速度信號和開關(guān)通斷信號。

圖11 旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖12 落錘測試系統(tǒng)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

對開關(guān)的旋轉(zhuǎn)離心試驗(yàn)表明，當(dāng)加速度為2 385.3g時(shí)開關(guān)仍處于斷開狀態(tài)，加速度達(dá)到2 475.6g時(shí)觀察到開關(guān)接通，開關(guān)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(guān)的靜態(tài)加速度閾值為2 385.3～2 475.6g。

使用落錘沖擊產(chǎn)生的加速度信號及開關(guān)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(shí)加速度為15 320g。下部曲線為開關(guān)信號曲線，開關(guān)信號存在3個(gè)尖峰，這是由于在此加速度作用下，開關(guān)因鎖頭和鎖鉤外表面接觸而短暫接通了3次。但是由于質(zhì)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(guān)閉鎖狀態(tài)SEM圖像

圖14 加速度信號和開關(guān)信號

由有限元仿真和離心試驗(yàn)結(jié)果可知，開關(guān)在長脈沖(離心加速度可認(rèn)為具有無限長的脈寬)加速度作用下幅值小于等于3 000g時(shí)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(yàn)證了這種帶齒形結(jié)構(gòu)的開關(guān)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(jié) 論

本文提出了一種基于齒形結(jié)構(gòu)的長脈沖敏感型微加速度開關(guān)。介紹了開關(guān)結(jié)構(gòu)和工作原理，對開關(guān)進(jìn)行了理論分析和有限元分析，并對開關(guān)模型進(jìn)行了簡化。采用UV-LIGA技術(shù)制作了開關(guān)樣機(jī)。最后，利用樣機(jī)試驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合的方法，對開關(guān)的功能特性進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真得到，開關(guān)在3 000g/3 ms半正弦加速度作用下可靠閉鎖。試驗(yàn)得到，開關(guān)的靜態(tài)閉鎖閾值為2 385.3～2 475.6g，開關(guān)在15 000g/0.3 ms半正弦加速度作用下沒有閉鎖，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能。相比于傳統(tǒng)微開關(guān)，開關(guān)具有2個(gè)串聯(lián)分布的功能模塊，各自實(shí)現(xiàn)閉鎖和敏感響應(yīng)的功能。通過分離閉鎖機(jī)構(gòu)和質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的閉鎖，基于質(zhì)量塊與齒形導(dǎo)桿的碰撞實(shí)現(xiàn)了對加速度脈寬的敏感響應(yīng)，增強(qiáng)了微開關(guān)的功能，提高了微開關(guān)的適用范圍。

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步 超(1991-)，男，江蘇揚(yáng)州人，博士研究生，2014于南京理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事MEMS慣性器件的設(shè)計(jì)與可靠性研究。E-mail：buxychao@163.com

導(dǎo)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(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事引信MEMS安全系統(tǒng)技術(shù)研究以及智能探測與控制技術(shù)研究。E-mail：njnwr@hotmail.com

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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(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51475245)

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

TM564

A

10.3788/OPE.20162411.2730

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