基于动电极翻转的MEMS万向惯性开关

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MEMS惯性开关的系统级仿真

ｏｐｅｒａｔｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｏＭＥＭＳｉｎｅｔｉｒａｌｓｗｉｔｃｈｒｎｇａｅｉｎ２２．９０１ｋＨｚａｎｄｈａｓｔｈｅａｂｉｌｉｔｙａｇａｉｎｓｔｌｅｓｓｔｈｎａ１００００ｇｓｉｎｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ．
摘要：提出一种基于静电控制，具有阈值可调功能的微电子机械系统（ＭＥＭＳ）惯性开关。采用ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ软件中的Ａｒｃｈｉｔｅｃｔ模块对ＭＥＭＳ惯性开关进行系统级建模与仿真。分析了多物理耦合场下ＭＥＭＳ惯性开关的动态响应特性，
关键词：系统级分析；惯性开关；瞬态分析；模态分析中图分类号：ＴＭ５６４文献标识码：Ａ文章编号：１００２—１８４１（２０１３）０８—００３３— ０３
Байду номын сангаас
Ｓｙｓｔｅｍ．１ｅｖｅｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＭＥＭＳＩｎｅｒｔｉａｌＳｗｉｔｃｈ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｙｓｔｅｍ－ｌｅｖｅｌｎａａｌｙｓｉｓ；ｉｎｅｒｔｉｌａｓｗｉｔｃｈ；ｔｒｎｓａｉｅｎｔｎａａｌｙｓｉｓ；ｍｏｄｌａａｎａｌｙｓｉｓ
ｂｙｔｈｅＡｒｃｈｉｔｅｃｔｍｏｄｕｌｅｏｆＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅＳｏｆｔｗａｒｅ．ＴｈｅｐａｐｅｒａｎｌｙａｚｅｄｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｆｏＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｓｗｉｔｃｈｉｎｍｕｌｔｉ — ｐｈｙｓｉｃｓＣＯＵ — ｐｉｉｎｇｉｆｅｌｄｓ，ｇｏｔｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｓｈｏｌｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｖｏｌｔａｇｅ．ｈｅＴｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓｉｚｅｏｆｓｗｉｔｃｈｃｏｕｌｄｖａｒｙｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｉｎｉｔｉｌａｖｏｌｔａｇｅ；ｍａｋｅｍｏｄａｌａｎｌｙａｓｉｓａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｅｓｒｏｎｐｓｅｎａａｌｙｓｉｓｆｏｓｗｉｔｃｈｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ— ｌｅｖｅｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，

基于MEMS 技术的低g 值微惯性开关的设计与制作

第24卷第5期2011年5月传感技术学报CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORSVol.24　No.5May 2011项目来源:中国工程物理研究院科学技术发展基金项目(2009B0403044)收稿日期:2010-11-12 修改日期:2011-01-26Design and Fabrication of Low⁃g Micro Inertial Switch Based on MEMS Technology *WANG Chao ,CHEN Guangyan *,Wu Jiali(Institute of Electronic Engineering ,China Academy of Engineering Physics ,Mianyang Sichuan 621900,China )Abstract :The micro inertial switch is a kind of inertial device sensitive to the acceleartion and achieving the switchclosure when subjects to the applied accelearation.A low⁃g (1g n ~30g n )micro inertial switch based on the planarrectangular helical spring was developed.The structure of the switch is the classical spring⁃mass⁃damping system.The inertial sensing element containing a sensor mass and two springs was analyzed utilizing the ANSYS finiteelement method.The micro inertial switch was fabricated using the MEMS bulk micromachining process and packaged in wafer level ,including the crucial technology of KOH etching ㊁ICP etching spray coating method ,and so on.The bulk of chip is about 7mm×7mm×1.5mm in size.The threshold value is about 4.28g n ,and the on⁃state resistance is about 9.3Ωby laboratory centrifuge test.It is shown that the closed precision of the micro inertialswitch is about 0.5g n and the repeatability in multiple tests is good.The advantages of the switch are small size ,simple structure and easy fabrication.Key words :planar rectangular helical spring ;micro inertial switch ;low⁃g n switch ;micro⁃electro⁃mechanical⁃system(MEMS )EEACC :7320E ;2575 doi :10.3969/j.issn.1004-1699.2011.05.006基于MEMS 技术的低g 值微惯性开关的设计与制作*王　超,陈光焱*,吴嘉丽(中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900)摘　要:惯性开关是一种感受惯性加速度,执行开关机械动作的精密惯性装置㊂选用典型的弹簧-质量-阻尼”结构,研制了一种基于平面矩形螺旋梁的低g 值(1g n ~30g n )微惯性开关㊂惯性敏感单元由一个方形质量块和支撑它的两根螺旋梁组成,采用ANSYS 有限元软件对其进行了仿真分析㊂采用MEMS 体硅加工工艺和圆片级封装技术,包括KOH 腐蚀㊁ICP 刻蚀和喷涂工艺等关键工艺技术,完成了微惯性开关的制备,划片后芯片尺寸为7mm×7mm×1.5mm ㊂经离心实验测试,微惯性开关的闭合阈值约为4.28g n ,导通电阻约为9.3Ω㊂多次测试结果表明,微惯性开关具有0.5g n 的闭合精度,多次测试重复性较好,具有体积小,结构简单,加工容易实现等特点㊂关键词:平面矩形螺旋梁;微惯性开关;低g 值开关;微机电系统(MEMS )中图分类号:TB115;TB125 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2011)05-0653-05 惯性开关是一种感受惯性加速度,执行开关机械动作的精密惯性装置,低g 值是指惯性开关闭合阈值范围为1g n ~30g n (g n :标准重力加速度,1g n =9.8m /s 2),在汽车安全气囊㊁工业安全控制和航空航天等领域有着广泛的应用[1~2]㊂惯性开关大多采用典型的弹簧-质量-阻尼”结构,要求具有无源㊁小体积㊁机械滤波等特点㊂对低g 值惯性开关而言,应该响应的信号是准静态的㊁频率近乎为零的线性加速度信号,试验中这种信号一般由离心机产生㊂除了这种应该响应的信号外,惯性开关工作环境中还必然存在一些由冲击或振动产生的各种高频干扰信号㊂设计时,低g 值惯性开关的弹簧-质量”结构必须具备较低的固有频率,并辅以适当的阻尼条件[3],从而使其结构本身可实现机械滤波,降低对振动或冲击等干扰信号的响应,避免惯性开关的误动作㊂传统的低g 值惯性开关一般采用精密机械加传　感　技　术　学　报第24卷工,存在零件较多㊁装配复杂㊁体积较大等不足㊂MEMS 技术的发展和微加工水平的提高为研制体积小㊁综合性能更优的微惯性开关提供了技术支撑,因此采用MEMS 技术实现低g 值惯性开关具有重要的研究价值㊂目前报导的大部分微惯性开关的闭合阈值均大于50g n ,主要应用于高g 值加速度的冲击环境条件下[4~7],关于低g 值微惯性开关的文献报道相对较少㊂郭涛[8]等人为解决金属接触可能导致的开关工作失灵,提出了一种低驱动电压的非接触式微加速度开关(闭合阈值为5g n ),进行了力电耦合理论计算和仿真分析验证,但并未给出试验验证㊂Kwanghun Yoo 等人[9]利用金属液体(水银)密度大㊁导电性好等优点,研制了一种微液滴开关,通过改变微通道结构尺寸,可实现各种闭合阈值的设计㊂微液滴开关成功解决了常见机械触点式开关存在的接触电阻大㊁接触不可靠等问题,但体积仍相对较大,同时水银是剧毒材料,对人体和环境都具有较大的伤害㊂陈光焱等人[10]采用UV-LIGA 工艺成功研制了一种基于阿基米德螺旋线的低g 值微惯性开关,闭合阈值约为21.3g n ㊂但是,微电铸工艺制作的螺旋梁存在针孔和积瘤等缺陷㊁以及结构的机械强度和内应力等问题[11],产品的成品率较低㊂本文采用缺陷非常少的单晶硅作为结构材料,结合MEMS 体硅加工工艺的特点,开发了一种基于平面矩形螺旋梁结构的低g 值微惯性开关,并进行了理论设计和分析㊂采用MEMS 体硅加工工艺和圆片级封装技术,完成了微惯性开关的制作,并对试验样品进行了离心试验测试和导通电阻测试㊂图1　基于平面矩形螺旋梁的低g 值微惯性开关结构示意图1摇结构设计基于平面矩形螺旋梁结构的低g 值微惯性开关采用双触点结构,如图1所示,由封盖㊁管芯㊁台阶和基底四部分组成㊂管芯为惯性敏感单元,是整个结构的核心部件,包括悬空的感知惯性加速度的方形质量块,和两根结构完全相同的低刚度平面矩形螺旋梁,三者组成低频的弹簧-质量”结构㊂带有浅槽的封盖用于限制质量块的反向运动,保护弹簧-质量”结构㊂台阶形成质量块和基底的初始间距Z 0㊂平面矩形螺旋梁位于质量块厚度方向上的中心平面内,从而大大降低在非敏感方向上的加速度信号对惯性开关工作的干扰㊂考虑结构的加工工艺性,通过增加平面矩形螺旋梁的弯折圈数即梁的长度,从而有效地降低了梁在OZ 方向上的刚度,实现低频弹簧-质量”结构的设计㊂惯性开关的工作原理为:在OZ 方向上惯性加速度的作用下,可动质量块向固定基底运动,当加速度达到闭合阈值时,质量块底面上的金属层与基底上的两个金属触点同时接触,从而提供开关导通信号㊂在OZ 方向上惯性加速度a (t )的作用下,惯性开关的力学平衡方程可以表示为[4]:z″+2ξΩz′+Ω2z =-a (t )ξ=β2km,　Ω=k m(1)其中z (t )为质量块相对基底的运动位移;ξ为系统阻尼比;Ω=2πf 为弹簧-质量”结构固有角频率;k ㊁m ㊁β分别为系统的有效刚度㊁有效质量和阻尼系数㊂由于低g n 值惯性开关敏感的惯性加速度信号是准静态的㊁频率近乎为零,采用准静态分析方法[13],忽略方程(1)的导数项,惯性开关的闭合阈值可以表示为:a th =-Ω2Z 0=-kmZ 0=-(2πf )2㊃Z 0(2)其中负号取决于参考方向㊂可以看出:①惯性开关弹簧-质量”结构参数(k ,m )由设计输入:惯性开关的机械滤波能力(f )决定;②惯性开关台阶高度参数(Z 0)由设计输入:惯性开关的机械滤波能力(f )和闭合阈值(a th )共同决定;③式中没有阻尼系数项,因此准静态方法近似认为系统是一个零阻尼系统,忽略了阻尼因素对系统响应特性的影响,但这种影响在对系统进行动力学响应分析是不能忽略的;④通过实验测得台阶高度和惯性开关的闭合阈值,可近似求得惯性开关弹簧-质量”结构的固有频率㊂根据式(2),低g 值微惯性开关的台阶高度Z 0与闭合阈值a th 成正比关系,与机械滤波能力f 的平方成反比关系㊂从机械滤波的角度考虑,f 越小越好,但同时将导致Z 0迅速增大,从而给加工工艺引入较大的困难㊂笔者在前期的研究工作中,主要针对闭合阈值为5g n ㊁弹簧-质量”结构固有频率小于100Hz 的低g 值微惯性开关进行了研制㊂456第5期王　超,陈光焱等:基于MEMS技术的低g值微惯性开关的设计与制作　2　仿真分析为研制一种闭合阈值为5g n的低g值微惯性开关,设计质量块尺寸为1800μm×1800μm×300μm,平面矩形螺旋梁宽为100μm,厚度为30μm,梁间空隙宽度为100μm,梁的总节数为11㊂结构材料为体硅,杨氏模量E=130GPa,泊松比v= 0.22,密度ρ=2330kg㊃m-3㊂采用ANSYS有限元软件,对微惯性开关的弹簧-质量”结构进行仿真分析㊂模态分析结果如图2所示,一阶模态的固有频率为94.6Hz,振型为沿Z 轴运动;二阶模态的固有频率微273Hz,振型为绕Y 轴转动;三阶模态的固有频率为283Hz,振型为绕X 轴转动㊂由于采用双触点设计,惯性开关只会在一阶模态的谐振情况下实现导通,从而在理论上将具有良好的机械滤波性能,避免冲击或振动等干扰信号造成惯性开关的误动作㊂图2　低g值微惯性开关弹簧-质量”结构ANSYS模态分析同时,对微惯性开关的弹簧-质量”结构进行了静态仿真分析,加载条件为在OZ方向上大小为5g n的惯性加速度㊂分析结果表明,质量块的位移为144.7μm㊂最大剪切应变为0.000154,出现在平面矩形螺旋梁的弯折位置㊂表1给出了在微惯性开关非敏感方向上(OXY平面内)的惯性加速度速度对其性能的影响,其中Max U Z和Min U Z分别表示质量块底面在OZ方向上的最大位移和最小位移㊂可以看出,在OX㊁OY方向上的惯性加速度为50g n(加载条件4)时,质量块底面上最大位移和最小位移仅仅相差0.24μm,质量块底面的金属层仍能与基底上的两个金属触点实现同时接触㊂同时相对只有OZ方向的载荷情况(加载条件1)下,质量块的位移变化量约为0.21μm,对惯性开关闭合阈值精度的影响可以忽略㊂因此,基于平面矩形螺旋梁的微惯性开关能够有效地降低非敏感方向上的耦合效应,具有较好的抗干扰性能㊂表1　低g值微惯性开关抗干扰性能分析加载条件a x/g n a y/g n a z/g n Max U Z/μm Min U Z/μm1005144.47144.4525005144.67144.4530505144.70144.44450505144.68144.443　制作工艺基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关采用玻璃(封盖)-硅(管芯㊁台阶)-玻璃(基底)结构,通过阳极键合工艺实现芯片的圆片级封装㊂图3　低g值微惯性开关工艺流程玻璃封盖的工艺流程为:①选取硼硅玻璃基片,双面溅射Cr/Au,并且双面旋途光刻胶,然后单面光刻出图形,如图3(g1.1)所示;②以光刻胶和Cr/Au为双层掩膜,采用HF/HCl混合溶液腐蚀出深度约为50μm的槽,最后去除光刻胶和Cr/Au,将制作完成的玻璃封盖清洗处理后烘干,留待键合,如图3(g1.2)所示㊂556传　感　技　术　学　报第24卷玻璃基底的工艺流程为:①选取硼硅玻璃基片,单面光刻出图形,采用BHF溶液腐蚀浅槽,如图3(g2.1)所示;②溅射Cr/Au,采用超声剥离工艺去除光刻胶,将制作完成的玻璃基底清洗处理后烘干,留待键合,如图3(g2.2)所示㊂采用(100)双抛硅片制作管芯和台阶结构,其工艺流程如下:①热氧化生成厚度约3μm的SiO2氧化层,双面光刻出图形后,以SiO2为掩膜层采用KOH溶液双面腐蚀出深度约为140μm的槽,然后去除SiO2,如图3(s.1)所示;②在基片正面采用喷涂工艺,在深槽里光刻出图形,以光刻胶为掩膜层进行ICP刻蚀,然后去除光刻胶,如图3(s.2)所示;③和制作完成的玻璃封盖进行阳极键合,如图3(s.3)所示;④在基片背面采用喷涂工艺,在深槽里光刻出图形,以光刻胶为掩膜层采取ICP刻蚀方法将剩余的硅结构层刻蚀穿通,得到悬空的弹簧-质量”结构,如图3(s.4)所示;⑤采取夹具工装方式,并以开有小孔的不锈钢板为掩膜,在质量块底面溅射Cr/Au形成金属层,如图3(s.5)所示;采用该工艺流程,最终成功制作出基于平面矩形螺旋梁结构的低g值微惯性开关, 弹簧-质量”结构如图4所示㊂划片后微惯性开关芯片的尺寸为7mm×7mm×1.5mm,如图5所示㊂图4　微惯性开关弹簧-质量”结构的SEM照片图5　微惯性开关圆片级封装照片4摇实验测试基于离心原理,对制作的惯性开关样品进行了离心实验测试以获得闭合阈值,设置离心加速度从0g n经60s增大到10g n,保持5s,然后经60s减小到0g n㊂数据采集系统(采样周期0.02s)同时记录离心加速度和开关电信号( 1”为断开状态, 0”为导通状态),通过两条曲线的比对得到惯性开关的闭合阈值,如图6所示㊂5次测试的结果分别为4.53g n㊁4.34g n㊁4.01g n㊁3.81g n㊁4.73g n,平均值为4.28g n,具有优于±0.5g n的闭合精度㊂实际测试台阶的高度约为143μm,根据式(2),惯性开关弹簧-质量图6　微惯性开关离心实验测试接触弹跳是在机械触点式惯性开关导通瞬间出现的瞬通和瞬断现象㊂由图6可以看出,惯性开关样品在39.98s至40.16s之间出现了接触弹跳现象,对应离心加速度为4.30g n至4.34g n㊂当惯性开关负载较大电流时,接触弹跳易打火烧毁电极触点,造成惯性开关的失效㊂导致接触弹跳现象的影响因素较多,包括系统阻尼特性㊁触点材料㊁质量块质量㊁以及应用环境下的惯性加速度等等㊂合适的系统阻尼设计[4],增大质量块质量,将触点设计为具有缓冲特性的柔性结构[14],使用较软的金属材料做触点,均有助于减少接触弹跳的次数,提高机械触点式惯性开关的接触可靠性㊂图7　微惯性开关导通电阻测试等效电路图接触电阻是衡量低g值微惯性开关导通性能的一项重要指标㊂在离心试验测试过程中采用示波器监测微惯性开关状态,测试等效电路图如图7所示,其中R0为4.7Ω的分压电阻,R1为电路连接电缆的等效电阻,R x为微惯性开关的导通电阻㊂用示波器监测开关闭合导通后A点的电压V x㊂根据串联电路分压原理,R x可以表示为:R x=V x1-V x㊃R0-R1(3)测试结果表明,惯性开关的导通电阻约为9.3Ω㊂656第5期王　超,陈光焱等:基于MEMS技术的低g值微惯性开关的设计与制作　5摇结论通过仿真分析和实验测试,本文成功研制了基于平面矩形螺旋梁结构的低g值微惯性开关㊂采用平面矩形螺旋梁结构,实现了低g值微惯性开关的低频设计,对类似微惯性器件的设计具有参考意义㊂采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装技术,成功制作了微惯性开关,划片后芯片尺寸为7mm×7mm×1.5mm㊂原理样品在离心实验测试中成功闭合,初步满足设计目标,论证了方案的可行性㊂为实现该器件的工程实用化,尚需优化结构设计,完善工艺方案,提高结构尺寸的加工精度,并对器件的的成品率和可靠性开展深入研究㊂致谢:感谢电子工程研究所传感器与执行器中心MEMS工艺组同志在加工工艺方面给予的帮助和支持㊂参考文献:[1]　陈光焱,王超.微惯性开关设计技术综述[J].信息与电子工程,2009,7(5):439-442.[2]Wei Ma,Gang Li,Yitshak Zohar,et al.Fabrication and Packagingof Inertia Micro⁃Switch using Low⁃Temperature Photo⁃Resist Molded Metal⁃Electroplating Technology[J].Sensors and Actutators A,2004,111(1):63-70.[3]贾孟军,李昕欣,宋朝晖,等.开关点电可调节的MEMS冲击加速度锁定开关[J].半导体学报,2007,28(8):131-137. [4]Tadao Matsunaga,Masayoshi Esashi.Acceleration Switch withExtended Holding Time Using Squeeze Film Effect for Side Airbag Systems[J].Sensors and Actuators A,2002,100(1):10-17.[5]Yang Zhuoqing,Ding Guifu,Chen Weiqiang,et al.Design,Simulation and Characterization of an Inertia Micro⁃Switch Fabricated by Non⁃Silicon Surface Micromachining[J].J.Micromech.Microeng,2007,17:1598-1604.[6]ZHAO Jian,JIA Jian⁃yuan,ZHANG Wen⁃bo,et al.NonlinearDynamic Characteristics Analysis and Design of a MEMS Inertial Sensing Device[J].Nanotechnology and Precision Engineering, 2006,4(4):70-75.[7]陈光焱,杨黎明.一种高g值微冲击开关的研制[J],爆炸与冲击,2007,27(2):190-192.[8]郭涛,李丽华,劳永建.一种非接触式微加速度开关的研究[J].传感技术学报,2008,21(4):664-666.[9]Kwanghyun Yoo,Usung Park,Joonwon Kim.Development andCharacterization of a Novel Configurable MEMS Inertial Switch Using a Microscale Liquid⁃Metal Droplet in a Microstructured Channel[J],Sensors and Actuators A,2009,Available online.[10]Chen Guang⁃yan,Wu Jia⁃li,Zhao Long,et al.Low⁃g Micro InertialSwitch Based on Archimedes’Spiral[J].Opt.Precision Eng., 2009,17(6):1257-1261.[11]刘海军,杜立群,秦江,等.无背板生长工艺微电铸均匀性的实验研究[J].传感技术学报,2006,19(5):1481-1484. [12]刘波,吴一辉,张平.基于微模塑复制技术的平面线圈研制[J].传感器技术学报,2006,19(5):1963-1967.[13]Cho Y⁃H,Go J S,Kwak B M,et al.Snapping Microswitches withAdjustable Acceleration Threhold[J].Sensors and Actuators A, 1996,54(1-3):579-583.[14]陈光焱,郑英彬,赵龙,等.四个余弦形悬臂梁支撑的惯性力致动双稳态开关[J].传感器技术学报,2006,19(5):2248-2251.王　超(1985-)男,四川省苍溪县人,研究实习员,2008年于北京大学物理学院获得学士学位,现主要从事MEMS惯性器件的设计和加工技术研究,wchao.lzms@;陈光焱(1975-),男,四川泸县人,硕士,副研究员,1988年于重庆大学获得学士学位,2002年于重庆大学获得硕士学位,主要从事惯性传感器㊁微机电系统(MEMS)等方面的研究,cgyiee@;吴嘉丽(1957-),女,安徽太和人,高级工程师,1980年毕业于华南理工大学,主要从事微电子㊁MEMS工艺技术研究,wujl1231@㊂756。

如何利用MEMS陀螺仪惯性感按钮手势识别加速度测重力技术实现应用变革

如何利用MEMS陀螺仪惯性感按钮手势识别加速度测重力技术实现应用变革虽然MEMS(微电子机械系统)技术被用于安全气囊和汽车压力传感器领域已有二十年左右，但却是任天堂Wii和苹果iPhone的热销使人们更广泛地了解惯性传感器的用途，这些产品使用了基于运动感测技术的用户界面。

尽管如此，在一定程度上业界的观念仍停留在惯性传感器主要是用于终端产品检测加速度和减速度的应用。

从纯粹的科学角度来看，这种说法完全正确，但这样的观点却忽略了许多MEMS加速计和陀螺仪的扩展应用，包括在医疗设备、工业设备、消费电子产品和汽车电子等领域。

五种运动感测模式中，每一种模式都将极大地超越当前大批量MEMS的应用。

这五种模式分别是：加速(包括平移运动，如位置和方向的改变)，。

震动，冲击，倾斜，旋转。

例如，一个带运动检测的加速计在设备没有受到外界移动或震动时将其界定为非激活状态，并指示设备进入最低功耗模式，从而实现功率管理。

复杂的控制机构和物理按钮被手势识别接口替代，而它是通过手指点击来控制。

在其它使用案例中，终端产品的操作变得更精确，例如，对用户手中的指南针进行倾斜角度补偿。

本文介绍了一些应用案例，分享先进的商业化MEMS加速计和陀螺仪通过5种类型的运动感测来改变众多不同范围的终端产品的方法。

运动感测和MEMS介绍加速、震动、冲击、倾斜和旋转——除了旋转外，其它四种运动实事上都是加速度在不同时间段的表现。

然而，我们人类是无法靠直觉来做出运动状态的判断，例如震动是加速还是减速。

分别地考虑每一种模式可以帮助我们想出更多可能的应用。

加速度(包括平移运动)是测量在单位时间内的速度变化。

速度以米/秒(m/s)来表示，并且同时包括位移速率和运动方向。

因此，加速度就以米/秒2(m/s2)来表示。

加速度有时候会是负值——如司机踩刹车时车速变慢，这时也被称作减速度。

现在来考虑加速度在不同时间段的表现。

震动可被认为是迅速且周期性发生的加速和减速运动。

MEMS惯性传感器简介演示

04
MEMS惯性传感器的应用领域
消费电子领域
1 2
移动设备
MEMS惯性传感器在智能手机、平板电脑等移动设备中发挥重要作用，用于屏幕旋转、游戏控制以及虚拟现实等功能的实现。
可穿戴设备
惯性传感器在可穿戴设备如智能手表、手环中，用于计步、姿态识别、定位等功能的实现。
3
智能家居
在智能家居领域，MEMS惯性传感器可用于智能遥控器的姿态控制、电视等家电设备的自动定向等。
新型材料在MEMS传感器中的应用
碳纳米管
碳纳米管具有优异的力学、电学和热学性能，可以作为MEMS传感器的敏感材料，提高传感器的灵敏度、响应速度和稳定性。
二维材料
如石墨烯等二维材料具有超高的载流子迁移率和机械强度，可用于制造高性能、柔性的 MEMS传感器。
复合材料
采用金属、陶瓷与聚合物等复合材料制造MEMS传感器，可以综合各材料的优点，实现传感器的高性能、低成本和批量化生产。
通过本次PPT演示，我们将深入探讨MEMS惯性传感器的技术挑战、市场前景及发展趋势，希望能够对这一领域有一个更为全面、深入的了解，并为相关企业和研究机构提供有价值的参考。
THANKS
感谢观看
AI算法在传感器中的应用
01
02
03
自适应校准
利用AI算法对传感器进行自适应校准，实时修正误差，提高传感器的测量精度和线性度。
故障诊断与预测
结合传感器数据和AI算法，实现传感器的故障诊断与预测，提前发现潜在问题，提高系统的可靠性。
智能传感器网络
运用AI算法优化传感器网络的布局和数据传输，降低能耗，提高网络整体性能。
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惯性传感器定义

MEMS惯性开关接触增强方法和抗过载机制研究

MEMS惯性开关接触增强方法和抗过载机制研究MEMS惯性开关可以同时实现传感和执行的功能,其工作原理是:当它感应到超过阈值的加速度时,可动电极(通常是悬空质量块)向固定电极运动并和它接触,来实现外接电路的闭合和断开功能。

在绝大多数情况下MEMS惯性开关可以代替由加速度计和控制执行单元组成的复杂检测系统,并且它可以弥补使用传统加速度计过程中易受电磁干扰引起的误触发、信号处理电路复杂等不足。

MEMS惯性开关作为一种集传感和执行功能于一体的无源器件,具有尺寸小、质量轻、响应速度快、大规模制造成本低等许多种优点。

因而,在国防引信系统、汽车安全气囊以及振动检测中有着广泛的应用,近年来已受到国内外MEMS领域众多学者的关注。

特别地,随着物联网(IoT)技术的发展,MEMS惯性开关具有零功耗优点而被广泛应用在那些功耗控制严格、二次充电困难或者更换供能设备困难的无人区的偏远监控系统中。

接触时间是衡量MEMS惯性开关的性能好坏的关键指标之一,传统的MEMS惯性开关的固定电极和可动电极往往都是刚性结构,两电极间刚性碰撞易损坏器件,并且电极之间反弹严重,接触时间短(通常小于10μs)这将会增加惯性开关工作系统的信号处理的困难,严重制约了系统的集成化发展。

针对上述不足,本文基于表面微加工技术提出了具有增强接触效果的垂直驱动和水平驱动MEMS惯性开关两种设计方案。

方案一,采用多孔十字交叉型梁作为垂直驱动惯性开关的固定电极,十字交叉型梁受到敏感质量块的碰撞后能够发生弹性形变,从而延长了两电极的接触时间;为了进一步增强惯性开关的接触效果,采用“口”字型多孔十字交叉梁充当固定电极来降低固定电极的刚度。

利用ANSYS软件对设计的惯性开关进行了仿真和结构优化,研究了固定电极的形状、十字交叉梁的宽度、长度以及厚度对固定电极刚度和惯性开关接触时间的影响。

仿真结果表明,为了确保器件微型化,最方便延长接触时间的办法是减小固定电极的厚度,并且采用“口”字型多孔十字交叉梁充当固定电极的MEMS惯性开关接触效果更好。

mems惯性开关接触增强方法和抗过载机制研究

STUDY ON THE CONTACT ENHANCEMENT METHOD AND SHOCK-RESISTIBILITY MECHANISM OF A MEMSINERTIA SWITCHABSTRACTThe MEMS inertia microswitch can realize both the sensing and the actuating functions. The working principle of the inertia microswitch is that the movable electrode (usually the suspend proof mass moves toward the stationary electrode and contact it when the switch is accelerated up to the threshold level, it can realize the switch on/off of the external circuit. In most cases, MEMS inertia microswitch can replace the complex detection system which is composed of accelerometer, control unit and actuation unit. And it can make up for the shortcomings of the traditional accelerometer, such as the spurious trigger caused by electromagnetic interference, the complex signal processing circuit and so on. MEMS inertia switch is regarded as a passive device with the sensing and the actuating functions, which has many advantages such as small size, light weight, fast response speed and low manufacturing cost. Therefore, the MEMS inertia switch is widely used in detonator systems, safe airbag of the vehicle and vibration monitoring of products and storage. In recent years, it has been paid much attention by more and more researchers from MEMS field. Especially, with the development of the internet of things (IoT) technology, MEMS inertia switches are widely used for detecting the vibration shock and then sending corresponding overload signal in remote areas or difficultly recharging areas where the power supply is limited. Because it has the advantages of zero power consumption. Contact time is one of the key indicators whether the MEMS inertia switch can effectively realize switch-on/off of the external circuit. However, the stationary electrode and movable electrode are rigid structures in the conventional MEMS inertia switches, and the rigid collision between the two electrodes is easy todamage the device. Moreover, the serious bouncing behavior between their two electrodes happens and it will result in an extremely short contact time (often less than 10μs). Therefore, it will increase the difficulty of the signal processing when these switches are integrated on the circuit.Two design of the contact-enhanced vertically-drive and horizontally-driven MEMS inertia switch based on surface micromachining technology have been proposed in the paper considering disadvantages above-mentioned. Scheme I, one cross beam with holes have been used as the stationary electrode in the vertically-driven switch, the cross beam can elastically deform after the sensitive proof mass collides with it, which can prolong the contact time between the two electrodes. In order to further enhance the contact effect, the "mouth" type cross beam with holes is used as the stationary electrode, which can further reduce the stiffness of the stationary electrode. Numerical simulation and structural optimization of the designed inertia switch have been completed by ANSYS software. The effect of the shape, width, length and thickness of the stationary electrode on the stiffness and contact time was studied. The simulated results show that it is a convenient method to enhance the contact duration by reducing the thickness of the fixed electrode in order to realize miniaturization of the device. Furthermore, the contact effect of the MEMS inertia switch was better when the "mouth" type cross beam with holes is used as the fixed electrode. Scheme II, the vertically-driven MEMS inertia switch with the synchronous follow-up compliant electrodes is designed. The stationary electrode and movable electrode both are optimized, which makes the contact mechanism of the two electrodes turn into flexible contact to extend the contact time. The contact dynamic process of synchronous follow-up compliant electrodes is analyzed by using the basic physical model of inertia switch. Meanwhile, the dynamic contact process of the model is simulated by using ANSYS software. The simulation results show that the flexible designed stationary electrode can elastically deform in the contact process, and firstly the two electrodes both move in the sensitive direction. In particular, the movable and fixed electrodes can both rebound in the sensitive reverse direction, so the two electrodes can maintain a long contact to realize the longer contact time of the inertia switch.The dynamic response process of the inertia switch with L-shaped elastic cantilever beam as a movable electrode is simulated by ANSYS. It shows that the optimized designstructure not only can extend the contact time as expected, but also the optimized design structure can avoid the deformation stress concentration under the high-g acceleration. At the same time, the maximum stress is correspondingly reduced, the L- shaped cantilever beam is not easy to fracture, and the reliability of the device is improved.In addition, the parameters of the inertia switch are designed and simulated reasonably in order to improve the shock-resistibility of the inertia microswitch. The simulated results show that the shock-resistibility of the inertia switch decreases with the increase of the mass weight, the gap between the proof mass and reverse constraint blocks, but increases with the whole system stiffness. Finally, the limited structure layer can improve the shock-resistibility of the inertia switch and prevent spurious trigger occurring.In this paper, the single technology (such as the baking glue, electroplating, lithography, release and so on) was deeply studied. Different kinds of MEMS inertia switch with high aspect ratio structure were successfully fabricated by multi-layers electroplating technology based on non-silicon surface micromachining after integrating related compatible technologies and determining appropriate parameters. The volume of the fabricated device is 1.2×1.2×0.12mm3, the miniaturization goal and the advantages of MEMS surface micromachining are fully realized.The dynamic response properties (including threshold acceleration, contact time, contact resistance, and shock-resistibility, etc.) of the fabricated inertia microswitch under half-sine shock acceleration with ~1ms pulse width was tested by a drop hammer system. The test results show that the contact time of the inertia switch with the multi-holes crossbeam as the fixed electrode decreases with the increase of the width and thickness of the beam, but increases with the length of the beam. The test contact time of horizontally-driven the inertia switch with the optimized movable electrode under the acceleration 288g is 150µs, and the threshold acceleration and the test contact time increase with the acceleration pulse width. In order to further extend the contact time, the two electrodes both are optimized.The contact time of the inertia switch with synchronous follow-up electrodes is approximately 390µs, which is longer than the one of the switch with only one flexible electrode. The test reverse threshold acceleration decreases with the gap between the proof mass and reverse constraint blocks. The testresults are generally consistent with the simulation ones. The deviation between the testing and simulating is mainly because the half-sine wave shock acceleration applied to the micro-switch in the test is not ideal as in the simulation. In addition, the electroplated Ni as the device structure generally has a smaller Young’s modulus than the block Ni used in the simulation.Keywords:inertia switch, contact-enhanced, shock-resistibility, synchronous follow-up electrodes, non-silicon surface micromachining technology目录摘要 (I)ABSTRACT .................................................................................................................................... I II 目录. (i)第一章绪论.................................................................................................................................... - 1 -1.1MEMS惯性开关的研究背景..................................................................................... - 1 -1.1.1微机电系统（MEMS）概述.................................................................................... - 1 -1.1.2 MEMS的发展阶段.................................................................................................... - 1 -1.1.3 MEMS技术的应用.................................................................................................... - 3 -1.1.4 MEM惯性传感器简介 .............................................................................................. - 3 -1.2 MEMS惯性开关和其性能参数........................................................................................... - 4 -1.2.1 MEMS惯性开关简介................................................................................................ - 4 -1.2.2 MEMS惯性开关的性能参数.................................................................................... - 5 -1.3 MEMS相关制造技术........................................................................................................... - 6 -1.4 MEMS惯性开关的发展史................................................................................................... - 7 -1.4.1国外研究现状............................................................................................................. - 7 -1.4.2国内研究现状........................................................................................................... - 16 -1.5本文的研究意义以及主要内容......................................................................................... - 29 -参考文献.............................................................................................................................. - 33 -第二章接触增强和高抗过载MEMS惯性开关结构设计 ............................................................ - 41 -2.1 MEMS惯性开关的基本物理模型 ..................................................................................... - 42 -2.2 MEMS惯性开关的性能参数分析 ..................................................................................... - 45 -2.2.1 阈值加速度讨论...................................................................................................... - 46 -2.2.2 响应时间分析.......................................................................................................... - 48 -2.2.4 接触时间讨论.......................................................................................................... - 50 -2.3 MEMS惯性开关的柔性接触机制分析 ............................................................................. - 53 -2.4垂直驱动接触增强的MEMS惯性开关设计与优化 ........................................................ - 58 -2.4.1 十字交叉梁柔性固定电极刚度的计算.................................................................. - 60 -2.4.2 MEMS惯性开关仿真计算...................................................................................... - 63 -2.5水平驱动MEMS惯性开关设计与优化 ............................................................................ - 68 -2.5.1 两电极间距和过载加速度对响应时间的影响...................................................... - 70 -2.5.2 限位紧密约束结构的功能...................................................................................... - 73 -2.5.3 可动电极L型悬臂梁的应力分布.......................................................................... - 74 -2.5.4 加速度载荷脉宽对响应时间和接触时间的影响.................................................. - 76 -目录2.6水平驱动具有同步跟随电极的MEMS惯性开关 ............................................................ - 79 -2.6.1 同步跟随电极对接触时间的影响.......................................................................... - 80 -2.6.2 限位紧密约束结构对接触弹跳行为的影响.......................................................... - 82 -2.7 惯性开关在敏感反方向高ｇ加速下抗过载能力研究..................................................... - 84 -2.7.1 物理模型和理论分析.............................................................................................. - 85 -2.7.2 惯性开关抗过载仿真分析...................................................................................... - 88 -2.8 本章小结............................................................................................................................. - 91 -参考文献.............................................................................................................................. - 94 -第三章接触增强和高抗过载MEMS惯性开关制作工艺研究 .................................................... - 99 -3.1 MEMS惯性开关的工艺路线设计 ..................................................................................... - 99 -3.2 惯性开关的工艺制造难点............................................................................................... - 100 -3.3 主要工艺研究................................................................................................................... - 104 -3.3.1 玻璃基板的清洗.................................................................................................... - 104 -3.3.2 溅射工艺................................................................................................................ - 105 -3.3.3 光刻工艺................................................................................................................ - 106 -3.3.4 电镀工艺................................................................................................................ - 108 -3.3.5 释放工艺................................................................................................................ - 109 -3.4 工艺流程.......................................................................................................................... - 111 -3.5 本章小结........................................................................................................................... - 117 -参考文献............................................................................................................................ - 119 -第四章MEMS惯性开关的接触增强和抗过载性能测试 ........................................................... - 120 -4.1 接触增强和高抗过载MEMS惯性开关特性测试 ......................................................... - 120 -4.1.1 实验设备和测试原理............................................................................................ - 120 -4.1.2 MEMS惯性开关的阈值加速度和接触时间测试 ................................................ - 122 -4.1.3 惯性开关的抗过载性能测试................................................................................ - 130 -4.1.4惯性开关的接触电阻测试..................................................................................... - 135 -4.2 本章小结........................................................................................................................... - 136 -参考文献............................................................................................................................ - 138 -第五章总结与展望........................................................................................................................ - 139 -致谢 ............................................................................................................................................. - 144 -攻读博士学位期间发表的学术论文.............................................................................................. - 146 -第一章绪论1.1 MEMS惯性开关的研究背景1.1.1微机电系统（MEMS）概述MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的缩写，在欧洲，MEMS被称为“微系统”；在美国或其他地方，人们将其称为微机电系统(Micro Electro Mechanical System)；在日本称之为微机械。

基于质量块翻转的MEMS万向惯性开关

基于质量块翻转的MEMS万向惯性开关李晓杰;牛兰杰;翟蓉;殷群;田中旺【摘要】For the problem of traditional switch with widely-spread threshold and poor omnidirectional performance, the MEMS omnidirectional inertial switch based on the slant of mass was designed. With the slant of the mass, the switch composed of a thick mass suspended by MEMS springs as a movable electrode and the cover plate as a fixed electrode had large impact-angle. Dynamic response characteristics analysis showed that the switch with good overloading capacity could be triggered at the impact-angle over 120° and the spreading of threshold and sensitivity was less than 15% and 22% respectively.%针对传统引信惯性开关阈值散布大、万向性能差等缺点,设计了一种基于质量块翻转的MEMS万向惯性开关.开关选取弹簧悬挂质量块作为动电极,开关盖板作为固定电极,利用质量块的翻转,实现了大着角碰撞触发.动态响应特性分析表明:采用该结构惯性开关可以实现大于120°的触发闭合,阈值散布小于15％,灵敏度散布约22％,并具有抗高过载能力,为后续工作奠定了理论基础.【期刊名称】《探测与控制学报》【年(卷),期】2012(034)006【总页数】5页(P26-30)【关键词】引信;微机电系统;惯性开关【作者】李晓杰;牛兰杰;翟蓉;殷群;田中旺【作者单位】机电动态控制重点实验室,陕西西安710065;机电动态控制重点实验室,陕西西安710065;机电动态控制重点实验室,陕西西安710065;西安机电信息技术研究所,陕西西安710065;机电动态控制重点实验室,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TJ430.30 引言引信惯性开关利用载体碰击目标时的反作用力或前冲惯性力而闭合，接通引信发火控制电路，是机电引信实现触发起爆或落地自毁功能的重要部件，武器弹药中有广泛的需求。

一种新型三维多方向敏感的非硅微机械惯性开关

图３为典型系统的增益响应图，激励频率远小于
２固有频率时，系统增益接近直流增益，大小为１／；激 ω ０
励频率为 ω 系统增益为直流响应的Ｑ倍；激励频０时，
２／率远大于固有频率时，系统增益为１ ω 。系统受到加
速度载荷冲击时，质量块受激励运动，与距离上方ｘ的０固定电极接触，外接电路导通。该分析对器件在水平径向运动及垂直敏感运动均适用。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｎｏｎｓｉｌｉｃｏｎｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｏｖｅｌｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｍｉｃｒｏｉｎｅｒｔｉａｌｓｗｉｔｃｈｗｉｔｈｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｙｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｅｄ．Ｕｓｉｎｇｔｙｐｉｃａｌｍａｓｓｓｐｒｉｎｇｄａｍｐｅｒｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｍａｓｓ）ｗｉｔｈｂｅａｍｓｐｒｉｎｇ，ｆｌｅｘｉｂｌｅｆｉｘｅｄｐｌａｎａｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｓｗｉｔｃｈｍａｉｎｌｙｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｍｏｂｉｌｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ．Ｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｗａｓｍａｄｅｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅ；ａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｗａｓｍａｄｅｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｍｉｃｒｏｓｗｉｔｃｈｅｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｄｒｏｐｗｅｉｇｈｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓｂｅｔｗｅｅｎ５０ｇａｎｄ６０ｇ，ｗｈｉｃｈｂａｓｉｃａｌｌｙｆｕｌｆｉｌｌｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｂｅｉｎｇｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｖａｌｕｅｏｆ６０ｇ；ａｎｄｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｔｏ１ｍｓｈａｌｆｓｉｎｅｓｈｏｃｋｉｓａｂｏｖｅ４０ｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｅｒｔｉａｌｓｗｉｔｃｈ；ＭＥＭＳ；ｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｓｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ微电子工业中冲击是较严重的失效机制，监视系统加速度可对冲击进行有效的信息反馈，便于及时控制防护。标准加速度计在无冲击情况下存在寄生功耗，因而在小尺寸与长寿命需求系统中受到限制。基ＭＥＭＳ）技术制作的惯性开关具有体积于微机电系统（小、重量轻、可靠性高、成本低、可反复使用、避免电磁误触发等优点，广泛应用于汽车安全气囊、特种运输、可靠性跌落试验及碰撞记录中

基于柔性止动的MEMS惯性开关冲击可靠性强化

基于柔性止动的MEMS惯性开关冲击可靠性强化步超;聂伟荣;徐安达;周织建【摘要】为了提高MEMS惯性开关的冲击可靠性,提出了一种柔性止动结构.首先,利用连续接触力理论建立了止动碰撞模型,通过Simulink对模型进行仿真,研究开关在不同止动形式下的响应特性.接着,从空间占用和应力集中的角度对悬臂梁和平面微弹簧两种止动形式进行讨论,设计止动结构.最后,利用UV-LIGA工艺制作开关样机,通过落锤冲击系统对样机进行测试.碰撞接触力对于冲击可靠性至关重要,Simulink仿真结果表明柔性止动结构能够极大的延长碰撞接触时间,从而降低接触力.同时,采用柔性止动还改善了碰撞后的弹跳现象,提高闭锁稳定性.冲击试验表明,开关累积失效分布函数符合韦布尔分布,标度参数(参考加速度)a=29 600、形状参数β=8.2.相比无柔性止动的MEMS开关,提出的柔性止动明显改善了开关的抗冲击性能.对柔性止动的建模、仿真与试验为MEMS惯性开关的抗冲击设计提供了有益参考.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2017(025)001【总页数】10页(P123-132)【关键词】微机电系统;冲击可靠性;柔性止动;接触力【作者】步超;聂伟荣;徐安达;周织建【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京210096;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210096;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210096;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TH703微机电系统(Micro Electro-Mechanical System， MEMS)具有尺寸小、易集成和可大批量生产等优点，近年来得到迅速发展。

微惯性开关是一种集传感器和执行器功能于一体的MEMS器件，当加速度满足设计阈值时，开关电极接触形成电气通路。

微惯性开关可实现加速度敏感和响应驱动一体化，在工业、汽车、航天航空以及军事等领域具有广阔的应用前景[1-8]。

平面万向双阈值 MEMS 惯性开关

平面万向双阈值 MEMS 惯性开关李保发;聂伟荣;席占稳【摘要】针对现有惯性开关阈值单一导致应用范围受限的问题,设计了平面万向双阈值 MEMS 惯性开关。

该开关由弹簧质量块和两组弹性电极构成,采用周边弹簧支撑中心环形质量块的形式,低阈值弹性电极布置在环形质量块外部,高阈值弹性电极布置在环形质量块内部,两级阈值分别为450 g 和900 g 。

仿真分析表明,方向差异引起的低阈值散布范围为-12%~-5%,高阈值散布范围为-23%~-12%；在幅值450 g 、脉宽1 ms 载荷下敏感平面内最短接触时间70μs,在幅值900 g 、脉宽1 ms 载荷下敏感平面内最短接触时间15μs。

%In the view of limited application of the single threshold inertia switch,a double threshold inertia switch composed by spring-mass system and two group flexible electrodes was designed.The center annular mass suspended by four S-shape springs was used as movable electrode and the flexible electrode serve as fixed electrode.The flexible electrodes of the lower threshold were disposed outside the annular mass while the high threshold electrodes inside the annular mass.Simulation results showed that dispersion of the low threshold in different directions was -12%~-5% and the high threshold was-23%~- 12%;minimum contact time in the sensitive plane was 70 us under 450 g-1 ms pulse load and the minimum contact time was 1 5 us under 900 g-1 ms pulse load.【期刊名称】《探测与控制学报》【年(卷),期】2016(038)001【总页数】6页(P66-70,75)【关键词】惯性开关;MEMS;双阈值;平面万向性【作者】李保发;聂伟荣;席占稳【作者单位】南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094【正文语种】中文【中图分类】TJ430MEMS惯性开关是采用微加工技术制造的加速度传感，它利用惯性敏感元件将加速度载荷转换为电极间隙的变化，然后通过电极间接触状态触发相应电信号实现区分加速度信号的功能。

可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关

可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关孔南;席占稳;聂伟荣;曹云;余平新【摘要】针对现有MEMS万向惯性开关不具备识别冲击载荷方位的问题,提出了可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关.该开关主要由惯性质量块,四个独立的径向电极和一个轴向电极组成.通过采用特殊形状的惯性质量块以及在空间上合理布置四个相互独立的径向电极和一个轴向电极,开关可以依靠不同的电极闭合状态达到识别载荷方位区间的目的.仿真结果表明,所设计的万向惯性开关能够有效识别加速度载荷的空间方位且具有良好的抗过载性能.%In order to solve the problem of lack of ability to identify the azimuth interval of impact load,a MEMS inertial switch was designed to distinguish interval azimuth of load.The switch was mainly composed of inertial mass,four radial electrodes and an axial electrode.With four separate radial electrodes and an axial elec-trode arranged around the inertial mass,the switch could distinguish azimuth interval of impact load by detecting contact state of electrodes.The simulation results indicated that the switch could effectively identify the azimuth interval of impact load in the space and had a good anti-overload performance.【期刊名称】《探测与控制学报》【年(卷),期】2017(039)002【总页数】7页(P13-18,23)【关键词】MEMS;惯性开关;方位识别【作者】孔南;席占稳;聂伟荣;曹云;余平新【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ430MEMS惯性开关是采用微加工技术制造的加速度传感器，它利用惯性敏感元件将加速度信号转换为开关电极之间的位移信息，然后通过电极接触触发相应电信号，从而达到区分加速度载荷大小的功能。

引信用MEMS万向惯性开关的结构设计与优化的开题报告

引信用MEMS万向惯性开关的结构设计与优化的开题报告一、研究背景MEMS（微电子机械系统）万向惯性开关是MEMS惯性传感器的重要组成部分，其具有体积小、重量轻、功耗低等特点，可以应用于惯性导航、运动控制、航空航天等领域。

目前，国内外研究人员已提出多种MEMS万向惯性开关的设计方案和制作技术，但在实际应用中，仍然存在许多问题需要解决，如稳定性、精度、可靠性等问题。

因此，本研究旨在设计和优化MEMS万向惯性开关的结构，提高其性能指标和应用价值。

二、研究内容和目标本研究的主要内容和目标如下：1. 综述MEMS万向惯性开关的研究现状和发展趋势；2. 设计MEMS万向惯性开关的结构，包括导电杆、电极、悬臂梁、质量块等部分；3. 建立MEMS万向惯性开关的数学模型，分析其运动特性和力学性能；4. 优化MEMS万向惯性开关的结构，通过仿真和实验验证其性能指标的改进；5. 研究MEMS万向惯性开关的应用，探索其在惯性导航、运动控制等领域中的应用。

三、研究方法和技术路线本研究采用如下方法和技术路线：1. 文献调研：对MEMS万向惯性开关相关文献进行系统总结和分析，了解其发展历程和研究进展。

2. 设计结构：基于文献综述和已有的设计方案，提出新的MEMS万向惯性开关的结构设计，包括导电杆、电极、悬臂梁、质量块等部分。

3. 数学建模：建立MEMS万向惯性开关的数学模型，分析其运动特性和力学性能，如灵敏度、带宽、最大偏移角度等。

4. 优化结构：通过仿真和实验，对设计方案进行优化改进，提高其性能指标和可靠性。

5. 应用探索：探索MEMS万向惯性开关在惯性导航、运动控制等领域中的应用，评估其应用效果和经济效益。

四、研究意义和创新点本研究的意义和创新点如下：1. 开发新的MEMS万向惯性开关设计方案，提高其性能指标和应用价值；2. 建立MEMS万向惯性开关的数学模型，分析其运动特性和力学性能；3. 通过仿真和实验优化设计方案，提高其可靠性和应用效果；4. 探索MEMS万向惯性开关的应用，拓展其应用领域和市场前景。