阈值可调的微机电惯性开关

刘双杰，郝永平

（沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159）

阈值可调的微机电惯性开关

刘双杰，郝永平

（沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159）

针对惯性开关通用性的要求，设计了一种具有阈值可调功能的微机电惯性开关。利用CoventorWare软件中的Architect模块对该悬臂梁结构开关进行系统级仿真。仿真结果表明，开关在半正弦加速度信号作用下，加速度阈值和电压基本呈线性关系，通过调整偏置电压的方式，可测量不同阈值加速度；以500g为一档，调节加速度阈值范围为1000～4000g，开关最长响应时间为63.44 μs，接触时间无穷大，表现出良好的工作性能。考虑MEMS薄膜沉积工艺在加工4 μm厚的悬臂梁时存在±0.1 μm加工误差，应用蒙特卡洛法分析悬臂梁厚度在3.9～4.1 μm之间变化时，对开关吸合电压和闭合时间的影响，结果表明，±0.1 μm的加工误差对开关吸合电压和闭合时间影响在设计允许范围内。

MEMS；惯性开关；阈值可调；吸合电压；加工误差

微机电(MEMS)惯性开关是对加速度的变化敏感提供开关闭合动作的MEMS执行器，也称阈值开关或者g值开关，它是将机械和电统一结合的产物。弹药系统中的碰炸开关是通过识别碰目标时加速度阈值大小而闭合，为始发火工品元件提供电路导通。当弹丸打击“软”“硬”目标的不同，其加速度阈值也不相同，因此开关的通用性是目前亟需解决的问题。阈值可调的开关能够实现同一个开关匹配不同的弹丸、同一类弹丸打击不同的目标环境。

目前应用在航空航天、汽车电子和弹药等领域上的微机电开关有两大类。一类是加速度计式开关，加速度计[1-3]式的开关是将加速度的变化转化为电阻、电容等电量的变化，再经电路检测、比较后给出被接通电路信号，被接通电路接收信号后电路连通，这种开关虽然能够实现阈值可调，可缺点是开关不实现物理意义上的“闭合”或“断开”，容易受电子干扰，使弹丸产生误炸。另一类是微机械惯性开关，靠感知环境力作用，属被动敏感，有较强的抗干扰性和可靠性，但是当系统刚度、质量和间隙确定之后，开关的阈值也被确定下来，阈值不可调节，应用范围较窄，不能达到通用性的要求[4-5]。

针对MEMS惯性开关通用性的需求，本文设计了一种具有阈值可调功能的MEMS惯性开关。利用机电耦合场所特有的静电 Pull-in(吸合)效应[6]，使可动极板末端与接触电极相接触，完成开关闭合动作。通过预先调整偏置电压的方式，改变可动极板与驱动极板间的间隙，以测量不同阈值加速度。

1 结构设计

1.1 整体结构

开关结构如图1，悬臂梁的最左端的锚区固定在基板上，采用对称的两个悬臂梁结构，以避免开关闭合时发生y方向的偏移和降低刚度的效果，使开关更快更稳定地闭合。开关可动电极在受到惯性力产生的加速度和与驱悬臂梁形成电场产生的静电力共同作用下，实现可动电极向下运动，当可动电极末端与接触电极相接触，开关动作完成。通过预先调整驱动电压的方式，可以改变悬臂梁与驱动极板间的初始间隙，以测量不同加速度阈值；在上下极板间隙无穷小时，产生的静电力无穷大，能实现开关自锁，以长时间触发信号。

图1 开关三维模型Fig.1 Three-dimensional model of the switch

1.2 阈值可调原理

可调阈值惯性开关的工作原理是首先通过阈值调节电路调节电压以调节两电极之间的间隙，使系统中的悬臂梁位于某一平衡位置，当开关感知到外部惯性力的作用时，驱动电压引起的静电力和外部的惯性力的合力大于系统本身的抗力，悬臂梁自由端向下移动，检测电路被接通，开关开始工作。

开关工作过程中除了自身的结构抗力外，还受静电力和惯性力的作用。开关处于多物理场耦合的环境。惯性力用加速度信号 a(t)表示，为了简化过程，假设加速度信号为一恒定值 aout，不随时间变化。列出开关工作时的静态方程[7]：

式中，等式左端表示悬臂梁受到的弹性抗力，等式右端第一项表示静电力，第二项表示惯性力。

将无量纲化后的v、d、γ代入式(1)，化简可得到：

式(2)本质上表示的是外部加速度关于静态位置和电压的关系函数。

将式(3)代入式(2)并化简求得γ的最大值为：

式(4)是外部加速度阈值和系统电压的关系函数，由式(4)可知，表征加速度阈值的 γmax与表征偏置电压值的v呈一一对应关系，且随着偏置电压的增加，系统受到的静电力越来越大，系统越容易进入非稳定状态，对应的加速度阈值也越来越小。因此，通过调整偏置电压以调节外部加速度阈值的原理是可行的。

2 MEMS开关的系统级分析

2.1 开关的系统级模型建立

开关工作过程受静电场、惯性力场、固体场（弹性力)以及流体场（阻尼力)等多物理场的耦合作用。

本文利用architect中SABER集成仿真环境，对MEMS组件库中各类单元搭建的微机电系统进行系统级的仿真，比有限元法仿真的速度更快，能有效提高设计效率。系统级设计采用自上而下的设计步骤，不出现实体模型，容易修改该尺寸，和有限元法相比更容易实现结构优化设计。

图2所示为在Architect平台上搭建的开关系统的系统级行为模型。

图2 Architect中的开关系统级模型Fig.2 Systematic model for switch on Architect platform

2.2 开关的吸合电压计算

对于某些MEMS传感器和执行器，系统需要有稳定的平衡点，施加电压应该低于吸合电压，避免两极板相互接触导致短路现象。而对于某些微执行器如RF MEMS开关，施加电压应该大于吸合电压，才能实现开关物理意义上的闭合。开关的吸合电压对开关的性能来说意义重大。

利用CoventorWare软件中的Architect模块进行系统级分析，求得开关的位移随电压变化曲线如图4所示，当电压达到34 V时，可动电极与驱动极板产生吸合效应，34 V为可动电极的吸合电压。

图3 位移随电压变化曲线Fig.3 Curve of displacement with voltage

2.3 多物理场耦合下开关的动力学仿真计算

弹丸在碰击目标的瞬间，受到目标对其的反作用力，弹丸中的开关同时受到一个和碰击加速度方向相反、大小相等的惯性力作用。假设加速度曲线为图4所示的周期是200 μs，阈值为1000g的半正弦加速度信号。对开关在静电力、惯性力、弹性力及阻尼力多种物理场耦合作用下的瞬态响应进行系统级仿真。

图 5为阈值开关的响应曲线，当阈值加速度在1000g到4000g之间变化，步长为500g时，输入的初始电压分别为32 V、30 V、29 V、27 V、25 V、24 V和22 V，闭合时所对应的闭合时间分别为 50.826 μs、59.128 μs、49.59 μs、55.959 μs、67.216 μs、55.063 μs和63.44 μs。图6所示为半正弦加速度阈值与闭合电压关系曲线，曲线趋近于线性，实现了阈值与电压一一对应的关系，达到阈值可调且自锁的目的。

图4 半正弦加速度信号Fig.4 Half-sine signal of acceleration

图5 开关响应曲线Fig. 5 Transient response curve of the switch

图6 半正弦加速度阈值与闭合电压曲线Fig.6 Curve of acceleration threshold vs. voltage

2.3 加工误差分析

悬臂梁在加工过程中存在误差，尺寸的加工误差会影响开关的性能。为了提高阈值开关的可靠性、降低成本和提高成品率。本节考虑悬臂梁导电层厚度4 μm存在±0.1 μm的上下极限偏差。应用蒙特卡洛（Monte Carlo)分析法分析加工误差对阈值开关的吸合电压和闭合时间的影响。图7所示为加工误差对吸合电压分布的影响，当可动电极导电层厚度尺寸在3.9～4.1 μm之间变化时，可动电极的刚度随之改变，导致随机抽取样本中的吸合电压也随之变化；所取样本数为100，样本的平均值为34.041 V，标准差为0.26756，吸合电压在33.5～34.5 V之间所占样本的比例为0.94，吸合电压在标准电压34 V的±0.5 V范围内浮动。图8所示为存在加工误差时，分析对正弦阈值加速度为1000g，初始电压为32 V阈值开关闭合时间分布的影响；所取样本数为100，样本的平均值为52.991 μs，标准差为6.0812 μs，闭合时间在40～75 μs之间所占样本的比例为0.9798；闭合时间基本在规定的时间范围内，加工误差对阈值开关功能的影响在设计允许范围内。

图7 吸合电压分布图Fig.7 Distribution of pull-in voltages

图8 闭合时间分布图Fig.8 Distribution of closing time

3 结 论

针对引信用惯性开关通用性的要求，提出一种具有阈值可调功能的微机电惯性开关。建立了开关工作的数学模型，推导出加速度阈值和电压的关系，分析了阈值可调机理。在 CoventorWare软件中 Architect模块下建立了开关的系统级模型，对开关进行系统级仿真计算，分析了多物理耦合场下开关的响应特性。得到阈值和电压的对应关系。通过调整偏置电压的方式，可测量不同阈值加速度。考虑MEMS薄膜沉积工艺存在±0.1 μm加工误差，应用蒙特卡洛法分析悬臂梁厚度在3.9～4.1 μm之间变化时，对开关吸合电压和闭合时间的影响。结果表明，±0.1 μm的加工误差对开关吸合电压和闭合时间影响在设计允许范围内。

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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

刘双杰（1980—），女，副教授，从事微机电系统分析和设计。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

辽宁省教育厅项目（L2013093）；沈阳理工大学兵器科学与技术重点实验室开放基金