【《MEMS惯性开关的研究现状概述》1500字】

MEMS惯性开关的研究现状概述微机电系统在上个世纪60年代由微传感器发展而来，最初大量运用于汽车安全气囊，随着MEMS技术的发展，依靠自身“轻、薄、短、小”的优势，对工农业、信息、环境、医疗。空间技术、国防等领域发展产生了巨大的影响。1.1国外发展现状国外的发展起步早发展较快，在美国、日本、德国发展最为突出。美国最早将MEMS技术的研究应用于军事领域，日本的研究多用于医疗等领域。日本东京大学的TadaoMatsunaga研发了一种用于汽车安全气囊的惯性开关，如图1.2。开关有4个质量块与一个电极，但是此开关依然是单阈值的。在响应性能上，响应一致性较差，在正碰的情况下响应时间为20ms,侧碰时响应为4ms。但是，运用于气囊上已经达到了要求。开关的制造精度要求较高，封装时要冲入高压气体，成本较高。图1.2运用于安全气囊的MEMS开关Selvakumar等人研发了一种加速度检测装置，由开关阵列和电路组成。开关阵列通过集成了256个悬臂梁开关，如图1.3(a)所示，单个开关结构如图1.3(b)所示，阈值不同通过梁长与质量的变化实现。电路采用CMOS工艺，通过256个信号通道连接每个加速度开关，功耗仅为300μW。开关可以检测1.5g-1000g的大范围的加速度。但是,这种开关的抗过载能力较差，信号处理电路很复杂，测试使用有很大困难。(a)(b)图1.3阵列式多阈值加速度惯性开关1.2国内研究现状国内相比于国外起步较晚，发展较慢，但是最近几年受到了各部门、相关高校等科研机构的高度重视和支持,深入研究势在必行。我国较早的基本为单轴敏感，由上海交通大学的蔡豪刚、杨卓清等人设计的单阈值MEMS惯性开关，如图1.4。开关的敏感方向只有Z轴，固定电极中间有许多小孔从而增加了电极的柔性，延长了闭合时间。开关的质量块由X方向的S型弹簧固定，当开关在55g加速度载荷下，闭合时间为12μs。图1.4单阈值“单极双位”MEMS惯性开关2014年其团队又设计了多位单阈值三轴敏感的惯性开关，如图1.5。此开关在基底平面内，质量块由外侧四个弹簧固定。由于限位块的存在，质量块只有受到平面内特定方向的加速度时，质量块才能与中心固定电极接触，开关才能闭合，从而防止了反方向的误触发。Z轴方向电极由中心悬挂的蛇形柔性电极支撑，可以避免轴向扰动。图1.5三轴敏感的MEMS惯性开关张平、余平新等人，设计了柔性“极”与柔性“位”的MEMS万向惯性开关。两种开关结构类似，相似之处颇多。开关的“极”均为圆柱型质量块，开关的“位”均位于质量块的外侧。轴向电极的设计基本一致，通过支撑座用支撑梁来连接。张平设计的开关如图1.6(a)所示，开关的电极通过用蛇形弹簧固定使其具有一定的柔性，弹簧增强了电极左右的刚性，使其难以左右晃动。余新平设计的开关如图1.6(b)所示，固定电极为“八”型的悬臂梁简化了电极的结构并使其具有柔性，中心十字限位柱防止载荷过大，电极被破坏。(a) (b)图1.6带柔性电极万向开关聂伟荣、李保发等人，研制了一种双阈值MEMS万向惯性开关，整体结构如图1.7所示，主要包括圆环形柔性“单极”、高低阈值各向敏感的“多位”、止挡柱、锚点等。“位”包括四个，分为轴向的两个“位”，径向的两个“位”。在轴向或者径向受到加速度载荷大于900g时，质量块先与低阈值的“位”接触，在与高阈值的“位”接触。低阈值的“位”采用圆环型的电极，保证了质量块在平面内质量块运动相同的位移与电极接触。高阈值的“位”采用阿基米德螺旋线弹簧与圆环连接。两个“位”都有一定的柔性，提高了闭合时间。在幅值450g的加速度下低阈值开关的闭合时间为70μs,幅值900g的加速度下高阈值开关的闭合时间按为20μs。图1.7双阈值MEMS万向惯性开李名望研制了一种引信小落角MEMS万向惯性开关，结构如图1.8所示，开关采用6个S型支撑簧均匀的分布在质量块四周，弹簧与质量块接触点与质量块中心的连线和弹簧中心线成一定角度。固定电极放位于质量块中间保证了电极与质量块直接的间隙相同，更容易实现质量块在XO