基于微型惯性电学开关的加速度阈值检测系统

2012年第31卷第2期 传感器与微系统(115 基于微型惯性电学开关的加速度阈值检测系统 沈慧，杨卓青，丁桂甫，赵小林 (上海交通大学微纳科学技术研究院微米纳米加工技术国家级重点实验室，上海200240) 摘要：传统的加速度阈值检测系统是基于微机械加速度计设计的，整体设计复杂，响应速度低，且易受 外界电磁干扰。鉴于此，给出了一种基于微型惯性电学开关的加速度阈值检测系统的新式设计，通过微型 惯性电学开关来感知和判断加速度是否超过阈值，然后对其输出信号进行处理，最后由，同时设置了复位功能以便重复检测。对研制的系统进行了理论分析和电路仿真，并用落锤装置对制备 的系统样品进行测试，结果表明：对于不同的加速度阈值，系统均能实现准确检测的功能。 关键词：加速度阈值检测；微型惯性电学开关；信号处理；图分类号：献标识码：A 文章编号：1000 787(2012)02n n l l J ui00240，is on he is he is to n of a of by iS he of is is is a in O it he by by he ED 引 言 随着微电子与信息技术的不断发展，基于微机电系统 (微型惯性电学 (也称加速度阈值)开关逐步被广泛应用于汽车、玩具及众 多工业领域，已逐步成为人们研究的热点“J。此类电学开 关的工作过程可以认为包含2个基本阶段，第一阶段就是 感受外界加速度(这时微开关的功能是作为传感器)，第二 阶段是在超过其阂值的外界加速度作用下实现对电路的瞬 间通断(这时微开关的功能是作为执行器)，可以说微型惯 性电学开关是一种集传感器与执行器功能为一体的件 J。 在货物运输过程中，尤其是一些特殊物品(如易爆军 需品、特殊化学药品等)的输运装卸途中，常常要严格监控 其是否受到过不允许的振动水平，也就是说要清楚地了解 所运物品是否曾经受到了超越其承受极限的冲击。目前， 此类监测系统通常都是基于微机械加速度计而设计的，不 但系统复杂，响应速度慢(约为5 而且系统容易受到 外界电磁干扰，可靠性差 。为此，本文研制了一种基于 微机械惯性电学开关，设计了可方便、精确地监测外界振动 冲击是否超过其阈值的系统模块，并对其进行了相应的电 路仿真和实验测试。 1 系统设计 11设计背景与要求 本文所设计的检测系统是基于实验室前期所研制的一 种微小型惯性电学开关，其结构如图1所示，其中，由微弹 簧悬空的质量块作为可动电极，固定电极位于衬底上，距离 收稿日期：2011金项目：教育部预研重点项目(625010106)；国家级重点实验室基金资助项目(9140116 传感器与微系统 第31卷 可动电极有一定距离，当沿其敏感方向的外界加速度超过 开关阈值时，可动电极与固定电极碰撞并接通外电路，随 后，运动质量块又被弹簧迅速拉回，瞬间输出一个顶部有抖 动的脉冲电压信号。整个惯性开关器件通过微电铸叠层工 艺和牺牲层技术制作，封装后的单个器件尺寸约为32 214验测得器件接通时输出的脉冲信号宽 度通常在520 关敏感方向承载的加速度越 大，输出脉冲信号的宽度越小)，响应时间约为100 s 。 图1微型惯性电学开关结构示意图 of 2设计方案 系统设计主要由信号发生、信号处理和块组成，工作流程如图2所示。微型惯性电学开关在外 界加速度作用下输出信号，然后由施密特触发器进行脉冲 整形，再经后输入部分，此外， 系统承载的加速度超过阈值时，微型惯性电学开关瞬间通 断，输出一个脉冲信号，经过施密特触发器整形后，将其变换为高电平信号，点亮之，微型惯性电学 开关一直处于断开状态，输出低电平信号，经过施密特触发 器和次测试结束， 按下输出复位电路中的复位开关，熄灭于下次测 试。 信号处理 广一一一一一一一一一一_1 图2系统的3 of 21信号发生 信号发生部分由电源、采样电阻器和微型惯性电学开 关有机组成，通过采样电阻器采集开关的输出信号，并将其 输入脉冲波形整形部分。当开关敏感方向承载的加速度超 过阈值时，输出一个顶部有波动的脉冲信号；反之，微开关 一直处于断开的状态，输出信号为低电平。 由于微型惯性电学开关触发灵敏度较高，接触效果良 好，响应时间短，体积很小 J，因此，保证系统工作可靠，缩 短整体响应时间，且便于系统集成。 122脉冲波形整形 信号发生部分输出的脉冲波形顶部有波动，如果直接 输入脉冲波形变换部分，系统容易出错，无法准确判断承载 的加速度是否超过阈值，因此，先由脉冲波形整形部分进行 处理。该部分主要部件为施密特触发器，信号通过之后，脉 冲信号变换为顶部平滑、上升沿下降沿陡峭的理想矩形脉 冲信号输出，低电平信号保持低电平输出。施密特触发器 是脉冲波形整形中常用的一种电路，可将三角波、正弦波等 变成边沿变化很陡的矩形波，也可将叠加在矩形脉冲高、低 电平上的噪声有效地清除，而对于幅度不同、不规则的脉冲 信号还可以选择幅度大于预设值的脉冲信号进行输出 J。 图3所示为本设计使用的由555定时器构成的施密特 触发器。 V 图3 由555定时器构成的施密特触发器 55 信号发生部分输出信号的脉宽在520 范围的信号施密特触发器均能处理，即系统能采集微型惯 性电学开关所有的可能输出信号。经过施密特触发器变换 波形后的信号可以作为标准数字信号输入低 了123脉冲波形变换与输出复位 脉冲波形变换主要由密特触发器输 出的信号经电平信号保持低电平信号， 脉冲信号变换为高电平信号。输出复位电路由电阻器、电 容器和开关有机组成，连至以将D 触发器的输出清零。 触发器由6个与非门 组成，其中， 且时，不论输入端会使Q=1， ，即触发器置1；当且时，触发器的状态 为0。设影响电路的工作， 则时，触发器的状态不变； 当发器翻转；当CP=入信号被封 锁。总之，升 沿时触发翻转，上升沿后输入即被封锁。 第2期 沈慧，等：基于微型惯性电学开关的加速度阈值检测系统 117 图4 t设计将施密特触发器整形后的理想脉冲信号接人D 触发器的时钟端位端位端据端电平。当时钟端论此后是否有脉冲信号输入，输出端时 钟端出端见， 系统可以保存检测结果。若系统要再次检测加速度阈值， 必需先由的结果，按下复位开关将复位端，此时统恢复检测前 的初始状态。 本设计充分利用了输入信号 作为时钟信号接至则，个振荡电路来产生时钟信号，会增加系统设计的复杂性， 同时，将数据输入端一个有时钟触发即能保持输出高电平的工作状态，使系 统可以保存检测结果。此外，后续电 路准确工作提供保障。 124 极管和 触发器时，则，效 高、无辐射与低功耗等优点，因此，非常适合用于发光标志 器件，利用其单向导电性，通过高低电平控制发光。 2系统仿真 系统中电源直流电源，4路如图5所示。 J： 5系统仿真电路图 of 开关状态时，示波器查看74信号为高电平信号。此时按下开关S，4片5脚的输出信号是电压值为低电平信号。 3实验测试 为了测试系统对不同加速度值的检测效果，分别制备 了加速度阈值为100 g 和500 g 的系统样品(加速度阈值 为100 g 的微型惯性电学开关的精度为2 g ，加速度阈值 为500g 的开关的精度为5g )，表1与表2分别列出了 测试结果。 表1落锤实验测试结果 述得到的测试结果在吻合，是因 为选用的是在一个较小范围内变化的。落锤实验结果表明：所制 备的不同阈值的加速度阈值检测系统，均可准确检测在其 精度范围内的加速度。 4结论 1)成功研制了一种基于微型惯性电学开关的加速度阈 值检测系统，应用微型惯性电学开关作为传感与执行器件， 可有效提高系统的响应速度，平均响应时间小于20 s。此 外，基于微机械加工技术的惯性电学开关构成的监测系统， 不但外接处理电路简单，而且系统工作更为准确、可靠。 2)分别对具有阂值为100g 和500g 的系统块进行了落锤冲击实验，结果表明：在其精度范围内，若 系统承载的加速度超过阈值，则之，与系统电路仿真结果吻合。 参考文献： 1 闻新，张伟，黄勤珍微型惯性测量装置的技术分析与发 展建议J中国航天，2003，25(6)：232 Ma w，et g of 2004，111(1)：63(下转第120页) 感器与微系统 第3定模糊控制器的输人变量和输出变量，根据分析分别输 入E，P，K和计完成 49条模糊控制规则的输入。 其中，建立的后得出常规 14 12 1 0 0盘 0 6 04 O2 图6仿真模型 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 图7常规 ID ID 仿真结果可以看出：模糊自整定态响应好，并且同步精 度较高。 7实验结果与分析 蒸汽加热罐温度控制系统的温度实验变化曲线如图8。 从图8所示可知，采用加热罐温度进行采集，由p 糊控制运算，控制精度可达02，并且温度变化稳定。 魁 赠 65 55 45 35 25 0 120 210 300 390 480 570 660 750 840 时间s 图8实验温度变化曲线 结论 采用微控制器中的蒸汽加热罐的温度进行控制，温度控制精度为 O2。度高、 智能化等特点，由此构成的温度控制系统可靠性高、成本 低，而且系统结构简单，适用范围广，对于提高猕猴桃果脯 的生产质量具有较好的应用价值。 参考文献： 1 马守磊，田呈瑞，王辉低糖猕猴桃果脯生产艺及其质量控 制J农产品加工，2008(1O)：112 陈素丽，司 文J微计算机应用，2007，28(12)：13063 on in of c2009 009：3094刘喜峰，许春香，徐晋科，等基于模糊制系统设计J传感器与微系统，2009，28(6)：835张宝珍，樊军庆基于模糊理论的巴氏灭菌机温度控制系 统J仪表技术与传感器，2010(3)：283 作者简介： 张开生(1963一)，男，山西永济人，教授，主要从事嵌入式系统 与应用的研究。 t ； ； j j j (上接第117页) 7et 勇，杨涛，岳高铭基于J传感器与微系统，2007，26(6)：75周华，徐华，朱均用J传感器技术，2003，22(3)：36et of an by 007，17(8