基于双稳态机制的低g值微加速度开关

慕　昆，于海鹏

(河南工程学院计算机学院，河南郑州　451191)

0　引言

与加速度传感器不同[1-3]，加速度开关可以在不对复杂信号进行处理的情况下，检测加速度阈值并且触发安全保护机制，进而在突发情况下减少伤害程度。同时，加速度开关具有响应速度快、灵敏度高、抗干扰性强等优点。因此，加速度开关在工业生产、武器制造、检测系统和汽车安全气囊中被广泛地应用。

对于加速度开关来说，阈值检测的精确性，响应时间和开关闭合后的保持特性都是加速度开关研究的重点。众所周知，采用不同的开关触发结构可以带来不同的触发效果[4-8]，同时缩小开关的加工尺寸也可以改善开关的稳定性及其动态特性[9-11]。因此学者们花费了大量的时间和精力来研究更先进的触发结构；并且微机电加工系统(MEMS)也被用于器件尺寸的缩小。Andojo Ongkodjojo等[4]报道了一种不需要触点的微加速度开关，其优点是可以降低检测功耗。丁桂甫等[5]研究了一种基于柔性电极的加速度开关，其优点是可以延长触点与质量块的接触时间。Guo等[6-7]研究了一种带有自锁功能的加速度开关，这样可以增加接触的可靠性和稳定性。徐媛等[8]设计了一种水银加速度开关，其优点是大大降低了触点的接触电阻。以上介绍的加速度开关，虽然其触发和保持的结构不同，但是其弹性单元都属于线性弹性机制。

与线性弹性机制不同，双稳态机制具有突变弹跳阈值和稳态保持的特性，因此，可以被用于加速度开关中的弹性梁单元，进而提高检测灵敏度并且增加响应速度。同时，双稳态机制可以保持“开启”和“闭合”状态，这样可以在没有辅助的条件下，延长接触时间。目前，许多基于双稳态机制的加速度开关被研究和报道。赵剑等[12-14]设计并制作了宏观尺寸的双稳态加速度开关，此开关具有精确的响应阈值和良好的保持特性。文献[15]介绍了两种使用平行双稳态机制，并且具有高灵敏性的小尺寸加速度开关。但是，较大的几何尺寸限制了响应时间和稳定性的进一步提升。

文中设计了一种基于双稳态柔性机制的低g值加速度开关，并采用了MEMS中的多层微电铸技术进行加工。此微加速度开关具有体积小，响应阈值精确，响应速度快，具有闭合保持功能等优点。微加速度开关的结构包括双稳态柔性悬臂梁、可移动质量块和固定触点，其中双稳态柔性悬臂梁的宽度、厚度和长度分别是28.0 μm、25.0 μm和5 150.0 μm．

1　设计与分析

根据静态工作原理，双稳态加速度开关的开启和闭合状态，是在非线性弹性力和惯性力的共同作用下完成的。微加速度开关的结构示意图如图1所示，其中，MEMS加速度开关使用超长的双稳态弹性悬臂梁作为弹性单元，此外器件还包括一个触点和一个质量块。质量块和梁是悬空的，而触点和中间的部分被固定在衬底上。图2展示了器件设计的几何尺寸，其中，d是质量块和触点间的距离，h表示质量块和悬臂梁的厚度，S表示质量块的面积。

图1　微加速度开关的设计示意图

(a)初始开启状态

(b)闭合状态

微加速度开关的动作过程如图2所示。在初始状态，质量块和触点没有接触，悬臂梁也是初始的V字形，如图2(a)所示；在有外部加速度作用的情况下，质量块向触点快速移动，并且与触点接触，开关闭合，悬臂梁的形状也发生改变，如图2(b)所示。

微加速度开关的各个参数设计如下：首先可以根据加速度阈值与柔性结构力的关系得到：

m·a≥Fjump-max

(1)

式中：a为是加速度阈值；m为是质量块的质量；Fjump-max为悬臂梁的最大柔性力。

假设质量块只有水平方向上的移动，结构参数和加速度阈值之间的详细关系式可表示为：

S·h·ρ·a≥Fjump-max

(2)

式中：S，h和ρ分别表示质量块的面积，厚度和密度。

在式(2)中，h，ρ，a是给定的设计参数，S和Fjump-max是需要调整的参数。特别地，Fjump-max是由梁的长度参数l，宽度参数w，和初始角度参数θ共同决定，根据这些参数可以计算出柔性梁跳转力跳转位移之间的关系[16]。计算曲线如图3所示，在θ，w被进一步确定的前提下，可以根据曲线图获得Fjump-max与l的关系。最后，质量块面积S和梁长l的最佳尺寸匹配可以通过线性搜索的方法得到。

图3　加速度荷载与位移的关系

当设计加速度阈值为35.0g时，微加速度开关的计算参数如表1所示。

为了进一步验证计算结果，将非线性双稳态弹性梁的数值带入ANSYS中进行仿真，仿真结果如图4所示。其中，图4(a)展示了柔性梁的形变效果和质量块的移动情况，图4(b)为质量块位移与弹性力之间的关系曲线。在位移-弹性力曲线中，其受力最高点的峰值是8.29 mN．将这个数值带入式(2)中，可以计算出对应的加速度值为35.0g，这与之间的理论计算结果非常吻合。

表1　微加速度开关的计算参数表

(a)双稳态梁变形过程

(b)双稳态梁的位移-弹性

2　微加速度开关的制作工艺

由于悬臂梁的长宽比较大，并且是悬空结构，因此采用多层电铸技术来加工微加速度开关。其中，SU-8胶被用作模具层，正胶被用来当做悬空牺牲层。镍由于其良好的机械特性，不会在强烈的冲击中被折断，因此被用来当做电铸的主体金属。质量块和梁的电铸厚度由电铸时间精确控制。

微加速度开关的主要加工步骤如图5所示。

(1)硅片的清洗和氧化，见图5(a)；

(e)

(f)

图5微加速度开关的加工步骤

(2)第一层作为牺牲层的正胶被旋涂在硅片表面，见图5(b)；

(3)溅射Cu作为电铸的种子层，见图5(c)；

(4)作为模具层的 SU-8胶被旋涂在种子层上，并光刻出图形，见图5(d)；

(5)电铸生长25 μm厚的质量块，悬臂梁和触点，见图5(e)；

(6)使用SU-8胶去胶液去除SU-8胶，见图5(f)；

(7)去除种子层和牺牲层，在氮气氛围中悬空释放结构，见图5(g)。

加工好的微加速度开关如图6所示，其中图6(a)所展示的是微加速度开关的初始状态，插图内容是悬臂梁在显微镜下的照片；图6(b)是微加速度开关在加速度作用下，闭合后的照片，从照片可以看出开关在闭合后具有良好的稳态保持特性。

(a)微加速度开关制作完成后的照片

(b)微加速度开关闭合后的照片

3　试验结果

为了能在开关闭合后输出响应信号，在微加速度开关上连接了一个电池和蜂鸣器。当外部施加的加速度达到闭合阈值时，开关闭合，蜂鸣器发出迅响，外部加速度的施加由旋转平台来提供。旋转平台测试系统如图7所示，其旋转臂是由伺服电机带动，伺服电机的转速由电机控制器进行精确控制。平台的旋转臂长12.3 cm，其最大转速为2 000 rad/min，可以提供0～550g的测试加速度。平台旋转速度与所提供加速度的关系如式(3)所示：

(3)

式中：G为由旋转提供的加速度值；R为是旋转平台有效力臂；ω为是旋转角速度。

图7　微加速度开关的测试系统

在实际测试时，微加速度开关距离旋转平台的中心距离为12.0 cm，当旋转平台的转速调整到485 rad/min时，开关闭合，蜂鸣器发出迅响。在此平台上连续进行7次测试，连续的试验结果如图8所示。试验结果表明微加速度开关具有可重复的精确响应阈值，其阈值为(32.6±0.2)g，并且在开关闭合后，具有良好的保持功能。

图8　阈值响应的试验结果

4　结论

设计了一种包含双稳态柔性机制的低g值加速度开关，并且使用ANSYS软件对计算结果进行仿真，仿真结果和计算数值非常吻合。确定参数后，采用了MEMS中的多层微电铸技术进行加工，制作了微型化的加速度开关。经过多次试验表明，器件的触发的加速度阈值是(32.6±0.2)g，可移动质量块的行程距离是530 μm，并且开关在闭合后具有保持功能。此加速度开关成功地缩减了双稳态加速度开关的几何尺寸，并且进一步改善了其稳定性。

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