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国内外MEMS万向开关研究现状

时间:2017-05-03 17:08来源:毕业论文
目前,小型化、万向性好的碰撞开关的研制国内还不多[9],万向开关的研究还处于起步阶段。但是从二十世纪九十年代开始,由于MEMS在工艺上获得较大发展。惯性开关作为一种特殊的加

目前,小型化、万向性好的碰撞开关的研制国内还不多[9],万向开关的研究还处于起步阶段。但是从二十世纪九十年代开始,由于MEMS在工艺上获得较大发展。惯性开关作为一种特殊的加速度传感器,开始被广泛地应用于玩具、附件、汽车、军事等重要领域以及物品的振动监测等。8090
图1.1为一种微机电系统惯性电学开关的整体结构及外接电路[10],它主要由三部分组成:①质量块,作为可动电极;②多孔弹性梁,作为固定电极;③连体蛇形弹簧,用来将质量块电极悬空。其工作原理为弹性梁电极与质量块电极有一定的距离,保持电路在通常状态下为断开,当器件在其敏感方向受到外界足够大的加速度作用时,可动的质量块电极快速撞向固定的弹性梁电极,随后又被弹簧迅速拉回,从而实现对外接电路的瞬间通断功能。
 图1.1 微型惯性电学开关设计示意图
此惯性微开关在100g加速度作用下的响应时问和接触时间分别约为0.40ms和12μs。但是该开关质量块的敏感方向只有一个,只能实现受单方向冲击加速度时电路的通断,当受到其他方向的冲击加速度时,无法实现电路的通断。
图1.2为一种新型无源MEMS万向碰撞开关[11]。它是由回型悬臂梁、质量块、碰撞台阶、碰撞底面组成。其工作原理为质量块被四个对称的悬臂梁支撑悬空,和四周碰撞台阶以及底面保持一定的间隙。碰撞台阶和底面通过引线组成一个电极,整个质量块和悬臂梁组成另一个电极。当整个结构受到XY平面任意方向冲击时,质量块与碰撞台阶接触,电路导通;当沿着Z轴负向冲击时质量块与底面接触,电路导通。
 图1.2 新型无源MEMS万向碰撞开关结构设计图
该开关的纵向阈值约为1000g,径向360°阈值约为500g,接触时间约为10μs,并具有抗5000g冲击的能力,实现了初步的万向功能,但是该开关未能实现空间的万向性。
国外MEMS万向开关的研究取得了一定的成就,拥有一些专利。采用MEMS技术制造的惯性开关具有体积小、成本低以及批量生产的优点,其常见的制造工艺有以下两种:一是采用单晶硅作为结构材料,一般通过深度反应离子刻蚀工艺在绝缘体上硅基片上制造一定厚度的微结构。如M.R.Whitley等人制造了带有闭锁装置并且可重置的微惯性开关,另一种则采用电镀金属作为结构材料,在强度和导电性方面具有一定的优势,如S.Michaelis,M.Wycisk等人和马薇等人在预先制作好的含有电子信号处理电路的硅基底上电镀微开关结构。这样做的优点是可以兼容于集成电路的制造和封装工艺中。1993年,美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化,并大批量应用于汽车防撞气囊,标志着MEMS技术商品化的开端。
图1.3是国外MEMS万向惯性开关专利US7159442B1的结构图[12]。它是由16对三角卡锁、卡销组成的。其工作原理为中间的固定锚点22、环形悬臂支撑梁26以及质量块24组成一个电极,固定块28-1~28-16以及底面组成另外一个电极。在XY平面内,不论开关受到任何方向的冲击加速度时,质量块24带动开关的一个悬臂梁冲击碰撞固定块,电路导通,当开关受到Z方向的冲击加速度时,质量块与底面碰撞接触,电路导通。
 图1.3 MEMS万向惯性开关专利US7159442B1的结构图
图1.4是国外MEMS万向惯性开关专利6765160B1的结构图[13]。它是由方框型质量块、支撑弹簧、方框型固定块组成的。其工作原理为当开关受到X方向冲击加速度时,质量块16沿X方向运动并与方框型固定块14接触,和输出电极15电路导通。Y方向原理相同。当开关在Z方向受到冲击加速度时,质量块16沿Z方向运动,并与上下盖板接触,电路导通。 国内外MEMS万向开关研究现状:http://www.lwfree.com/yanjiu/lunwen_6300.html
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