基于雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制的低g值微加速度開關(guān)

慕　昆，于海鵬

(河南工程學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南鄭州　451191)

0　引言

與加速度傳感器不同[1-3]，加速度開關(guān)可以在不對(duì)復(fù)雜信號(hào)進(jìn)行處理的情況下，檢測(cè)加速度閾值并且觸發(fā)安全保護(hù)機(jī)制，進(jìn)而在突發(fā)情況下減少傷害程度。同時(shí)，加速度開關(guān)具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，加速度開關(guān)在工業(yè)生產(chǎn)、武器制造、檢測(cè)系統(tǒng)和汽車安全氣囊中被廣泛地應(yīng)用。

對(duì)于加速度開關(guān)來(lái)說，閾值檢測(cè)的精確性，響應(yīng)時(shí)間和開關(guān)閉合后的保持特性都是加速度開關(guān)研究的重點(diǎn)。眾所周知，采用不同的開關(guān)觸發(fā)結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)不同的觸發(fā)效果[4-8]，同時(shí)縮小開關(guān)的加工尺寸也可以改善開關(guān)的穩(wěn)定性及其動(dòng)態(tài)特性[9-11]。因此學(xué)者們花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力來(lái)研究更先進(jìn)的觸發(fā)結(jié)構(gòu)；并且微機(jī)電加工系統(tǒng)(MEMS)也被用于器件尺寸的縮小。Andojo Ongkodjojo等[4]報(bào)道了一種不需要觸點(diǎn)的微加速度開關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)是可以降低檢測(cè)功耗。丁桂甫等[5]研究了一種基于柔性電極的加速度開關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)是可以延長(zhǎng)觸點(diǎn)與質(zhì)量塊的接觸時(shí)間。Guo等[6-7]研究了一種帶有自鎖功能的加速度開關(guān)，這樣可以增加接觸的可靠性和穩(wěn)定性。徐媛等[8]設(shè)計(jì)了一種水銀加速度開關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)是大大降低了觸點(diǎn)的接觸電阻。以上介紹的加速度開關(guān)，雖然其觸發(fā)和保持的結(jié)構(gòu)不同，但是其彈性單元都屬于線性彈性機(jī)制。

與線性彈性機(jī)制不同，雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制具有突變彈跳閾值和穩(wěn)態(tài)保持的特性，因此，可以被用于加速度開關(guān)中的彈性梁?jiǎn)卧M(jìn)而提高檢測(cè)靈敏度并且增加響應(yīng)速度。同時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制可以保持“開啟”和“閉合”狀態(tài)，這樣可以在沒有輔助的條件下，延長(zhǎng)接觸時(shí)間。目前，許多基于雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制的加速度開關(guān)被研究和報(bào)道。趙劍等[12-14]設(shè)計(jì)并制作了宏觀尺寸的雙穩(wěn)態(tài)加速度開關(guān)，此開關(guān)具有精確的響應(yīng)閾值和良好的保持特性。文獻(xiàn)[15]介紹了兩種使用平行雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制，并且具有高靈敏性的小尺寸加速度開關(guān)。但是，較大的幾何尺寸限制了響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升。

文中設(shè)計(jì)了一種基于雙穩(wěn)態(tài)柔性機(jī)制的低g值加速度開關(guān)，并采用了MEMS中的多層微電鑄技術(shù)進(jìn)行加工。此微加速度開關(guān)具有體積小，響應(yīng)閾值精確，響應(yīng)速度快，具有閉合保持功能等優(yōu)點(diǎn)。微加速度開關(guān)的結(jié)構(gòu)包括雙穩(wěn)態(tài)柔性懸臂梁、可移動(dòng)質(zhì)量塊和固定觸點(diǎn)，其中雙穩(wěn)態(tài)柔性懸臂梁的寬度、厚度和長(zhǎng)度分別是28.0 μm、25.0 μm和5 150.0 μm．

1　設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)靜態(tài)工作原理，雙穩(wěn)態(tài)加速度開關(guān)的開啟和閉合狀態(tài)，是在非線性彈性力和慣性力的共同作用下完成的。微加速度開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中，MEMS加速度開關(guān)使用超長(zhǎng)的雙穩(wěn)態(tài)彈性懸臂梁作為彈性單元，此外器件還包括一個(gè)觸點(diǎn)和一個(gè)質(zhì)量塊。質(zhì)量塊和梁是懸空的，而觸點(diǎn)和中間的部分被固定在襯底上。圖2展示了器件設(shè)計(jì)的幾何尺寸，其中，d是質(zhì)量塊和觸點(diǎn)間的距離，h表示質(zhì)量塊和懸臂梁的厚度，S表示質(zhì)量塊的面積。

圖1　微加速度開關(guān)的設(shè)計(jì)示意圖

(a)初始開啟狀態(tài)

(b)閉合狀態(tài)

微加速度開關(guān)的動(dòng)作過程如圖2所示。在初始狀態(tài)，質(zhì)量塊和觸點(diǎn)沒有接觸，懸臂梁也是初始的V字形，如圖2(a)所示；在有外部加速度作用的情況下，質(zhì)量塊向觸點(diǎn)快速移動(dòng)，并且與觸點(diǎn)接觸，開關(guān)閉合，懸臂梁的形狀也發(fā)生改變，如圖2(b)所示。

微加速度開關(guān)的各個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：首先可以根據(jù)加速度閾值與柔性結(jié)構(gòu)力的關(guān)系得到：

m·a≥Fjump-max

(1)

式中：a為是加速度閾值；m為是質(zhì)量塊的質(zhì)量；Fjump-max為懸臂梁的最大柔性力。

假設(shè)質(zhì)量塊只有水平方向上的移動(dòng)，結(jié)構(gòu)參數(shù)和加速度閾值之間的詳細(xì)關(guān)系式可表示為：

S·h·ρ·a≥Fjump-max

(2)

式中：S，h和ρ分別表示質(zhì)量塊的面積，厚度和密度。

在式(2)中，h，ρ，a是給定的設(shè)計(jì)參數(shù)，S和Fjump-max是需要調(diào)整的參數(shù)。特別地，F(xiàn)jump-max是由梁的長(zhǎng)度參數(shù)l，寬度參數(shù)w，和初始角度參數(shù)θ共同決定，根據(jù)這些參數(shù)可以計(jì)算出柔性梁跳轉(zhuǎn)力跳轉(zhuǎn)位移之間的關(guān)系[16]。計(jì)算曲線如圖3所示，在θ，w被進(jìn)一步確定的前提下，可以根據(jù)曲線圖獲得Fjump-max與l的關(guān)系。最后，質(zhì)量塊面積S和梁長(zhǎng)l的最佳尺寸匹配可以通過線性搜索的方法得到。

圖3　加速度荷載與位移的關(guān)系

當(dāng)設(shè)計(jì)加速度閾值為35.0g時(shí)，微加速度開關(guān)的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，將非線性雙穩(wěn)態(tài)彈性梁的數(shù)值帶入ANSYS中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。其中，圖4(a)展示了柔性梁的形變效果和質(zhì)量塊的移動(dòng)情況，圖4(b)為質(zhì)量塊位移與彈性力之間的關(guān)系曲線。在位移-彈性力曲線中，其受力最高點(diǎn)的峰值是8.29 mN．將這個(gè)數(shù)值帶入式(2)中，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的加速度值為35.0g，這與之間的理論計(jì)算結(jié)果非常吻合。

表1　微加速度開關(guān)的計(jì)算參數(shù)表

(a)雙穩(wěn)態(tài)梁變形過程

(b)雙穩(wěn)態(tài)梁的位移-彈性

2　微加速度開關(guān)的制作工藝

由于懸臂梁的長(zhǎng)寬比較大，并且是懸空結(jié)構(gòu)，因此采用多層電鑄技術(shù)來(lái)加工微加速度開關(guān)。其中，SU-8膠被用作模具層，正膠被用來(lái)當(dāng)做懸空犧牲層。鎳由于其良好的機(jī)械特性，不會(huì)在強(qiáng)烈的沖擊中被折斷，因此被用來(lái)當(dāng)做電鑄的主體金屬。質(zhì)量塊和梁的電鑄厚度由電鑄時(shí)間精確控制。

微加速度開關(guān)的主要加工步驟如圖5所示。

(1)硅片的清洗和氧化，見圖5(a)；

(e)

(f)

圖5微加速度開關(guān)的加工步驟

(2)第一層作為犧牲層的正膠被旋涂在硅片表面，見圖5(b)；

(3)濺射Cu作為電鑄的種子層，見圖5(c)；

(4)作為模具層的 SU-8膠被旋涂在種子層上，并光刻出圖形，見圖5(d)；

(5)電鑄生長(zhǎng)25 μm厚的質(zhì)量塊，懸臂梁和觸點(diǎn)，見圖5(e)；

(6)使用SU-8膠去膠液去除SU-8膠，見圖5(f)；

(7)去除種子層和犧牲層，在氮?dú)夥諊袘铱蔗尫沤Y(jié)構(gòu)，見圖5(g)。

加工好的微加速度開關(guān)如圖6所示，其中圖6(a)所展示的是微加速度開關(guān)的初始狀態(tài)，插圖內(nèi)容是懸臂梁在顯微鏡下的照片；圖6(b)是微加速度開關(guān)在加速度作用下，閉合后的照片，從照片可以看出開關(guān)在閉合后具有良好的穩(wěn)態(tài)保持特性。

(a)微加速度開關(guān)制作完成后的照片

(b)微加速度開關(guān)閉合后的照片

3　試驗(yàn)結(jié)果

為了能在開關(guān)閉合后輸出響應(yīng)信號(hào)，在微加速度開關(guān)上連接了一個(gè)電池和蜂鳴器。當(dāng)外部施加的加速度達(dá)到閉合閾值時(shí)，開關(guān)閉合，蜂鳴器發(fā)出迅響，外部加速度的施加由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)來(lái)提供。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示，其旋轉(zhuǎn)臂是由伺服電機(jī)帶動(dòng)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電機(jī)控制器進(jìn)行精確控制。平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)12.3 cm，其最大轉(zhuǎn)速為2 000 rad/min，可以提供0～550g的測(cè)試加速度。平臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度與所提供加速度的關(guān)系如式(3)所示：

(3)

式中：G為由旋轉(zhuǎn)提供的加速度值；R為是旋轉(zhuǎn)平臺(tái)有效力臂；ω為是旋轉(zhuǎn)角速度。

圖7　微加速度開關(guān)的測(cè)試系統(tǒng)

在實(shí)際測(cè)試時(shí)，微加速度開關(guān)距離旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心距離為12.0 cm，當(dāng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速調(diào)整到485 rad/min時(shí)，開關(guān)閉合，蜂鳴器發(fā)出迅響。在此平臺(tái)上連續(xù)進(jìn)行7次測(cè)試，連續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明微加速度開關(guān)具有可重復(fù)的精確響應(yīng)閾值，其閾值為(32.6±0.2)g，并且在開關(guān)閉合后，具有良好的保持功能。

圖8　閾值響應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果

4　結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種包含雙穩(wěn)態(tài)柔性機(jī)制的低g值加速度開關(guān)，并且使用ANSYS軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果和計(jì)算數(shù)值非常吻合。確定參數(shù)后，采用了MEMS中的多層微電鑄技術(shù)進(jìn)行加工，制作了微型化的加速度開關(guān)。經(jīng)過多次試驗(yàn)表明，器件的觸發(fā)的加速度閾值是(32.6±0.2)g，可移動(dòng)質(zhì)量塊的行程距離是530 μm，并且開關(guān)在閉合后具有保持功能。此加速度開關(guān)成功地縮減了雙穩(wěn)態(tài)加速度開關(guān)的幾何尺寸，并且進(jìn)一步改善了其穩(wěn)定性。

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