基于微型慣性電學(xué)開關(guān)的加速度閾值檢測系統(tǒng)*

沈 慧，楊卓青，丁桂甫，趙小林

（上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院微米納米加工技術(shù)國家級重點實驗室，上海 200240）

0 引言

隨著微電子與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，基于微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical systems，MEMS）的微型慣性電學(xué)（也稱加速度閾值）開關(guān)逐步被廣泛應(yīng)用于汽車、玩具及眾多工業(yè)領(lǐng)域，已逐步成為人們研究的熱點［1］。此類電學(xué)開關(guān)的工作過程可以認為包含2個基本階段，第一階段就是感受外界加速度（這時微開關(guān)的功能是作為傳感器），第二階段是在超過其閾值的外界加速度作用下實現(xiàn)對電路的瞬間通斷（這時微開關(guān)的功能是作為執(zhí)行器），可以說微型慣性電學(xué)開關(guān)是一種集傳感器與執(zhí)行器功能為一體的MEMS器件［2］。

在貨物運輸過程中，尤其是一些特殊物品（如易爆軍需品、特殊化學(xué)藥品等）的輸運裝卸途中，常常要嚴格監(jiān)控其是否受到過不允許的振動水平，也就是說要清楚地了解所運物品是否曾經(jīng)受到了超越其承受極限的沖擊。目前，此類監(jiān)測系統(tǒng)通常都是基于微機械加速度計而設(shè)計的，不但系統(tǒng)復(fù)雜，響應(yīng)速度慢（約為5 ms），而且系統(tǒng)容易受到外界電磁干擾，可靠性差［3，4］。為此，本文研制了一種基于微機械慣性電學(xué)開關(guān)，設(shè)計了可方便、精確地監(jiān)測外界振動沖擊是否超過其閾值的系統(tǒng)模塊，并對其進行了相應(yīng)的電路仿真和實驗測試。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計背景與要求

本文所設(shè)計的檢測系統(tǒng)是基于實驗室前期所研制的一種微小型慣性電學(xué)開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，由微彈簧懸空的質(zhì)量塊作為可動電極，固定電極位于襯底上，距離可動電極有一定距離，當沿其敏感方向的外界加速度超過開關(guān)閾值時，可動電極與固定電極碰撞并接通外電路，隨后，運動質(zhì)量塊又被彈簧迅速拉回，瞬間輸出一個頂部有抖動的脈沖電壓信號。整個慣性開關(guān)器件通過微電鑄疊層工藝和犧牲層技術(shù)制作，封裝后的單個器件尺寸約為3.2mm×2.1 mm×1.4 mm，實驗測得器件接通時輸出的脈沖信號寬度通常在5～20 μs范圍內(nèi)（開關(guān)敏感方向承載的加速度越大，輸出脈沖信號的寬度越小），響應(yīng)時間約為 100 μs［5］。

圖1 微型慣性電學(xué)開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Diagram of the inertia micro-switch

1.2 設(shè)計方案

系統(tǒng)設(shè)計主要由信號發(fā)生、信號處理和LED顯示3個模塊組成，工作流程如圖2所示。微型慣性電學(xué)開關(guān)在外界加速度作用下輸出信號，然后由施密特觸發(fā)器進行脈沖整形，再經(jīng)D觸發(fā)器進行脈沖波形變換，最后輸入LED顯示部分，此外，D觸發(fā)器的復(fù)位端設(shè)置了輸出復(fù)位電路。當系統(tǒng)承載的加速度超過閾值時，微型慣性電學(xué)開關(guān)瞬間通斷，輸出一個脈沖信號，經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后，D觸發(fā)器將其變換為高電平信號，點亮LED;反之，微型慣性電學(xué)開關(guān)一直處于斷開狀態(tài)，輸出低電平信號，經(jīng)過施密特觸發(fā)器和D觸發(fā)器后仍輸出低電平，LED不亮。每次測試結(jié)束，按下輸出復(fù)位電路中的復(fù)位開關(guān)，熄滅LED，便于下次測試。

圖2 系統(tǒng)的工作流程圖Fig 2 Work flow chart of the system

1.2.1 信號發(fā)生

信號發(fā)生部分由電源、采樣電阻器和微型慣性電學(xué)開關(guān)有機組成，通過采樣電阻器采集開關(guān)的輸出信號，并將其輸入脈沖波形整形部分。當開關(guān)敏感方向承載的加速度超過閾值時，輸出一個頂部有波動的脈沖信號;反之，微開關(guān)一直處于斷開的狀態(tài)，輸出信號為低電平。

由于微型慣性電學(xué)開關(guān)觸發(fā)靈敏度較高，接觸效果良好，響應(yīng)時間短，體積很小［6］，因此，保證系統(tǒng)工作可靠，縮短整體響應(yīng)時間，且便于系統(tǒng)集成。

1.2.2 脈沖波形整形

信號發(fā)生部分輸出的脈沖波形頂部有波動，如果直接輸入脈沖波形變換部分，系統(tǒng)容易出錯，無法準確判斷承載的加速度是否超過閾值，因此，先由脈沖波形整形部分進行處理。該部分主要部件為施密特觸發(fā)器，信號通過之后，脈沖信號變換為頂部平滑、上升沿下降沿陡峭的理想矩形脈沖信號輸出，低電平信號保持低電平輸出。施密特觸發(fā)器是脈沖波形整形中常用的一種電路，可將三角波、正弦波等變成邊沿變化很陡的矩形波，也可將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除，而對于幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號還可以選擇幅度大于預(yù)設(shè)值的脈沖信號進行輸出［7］。

圖3所示為本設(shè)計使用的由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。

圖3 由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器Fig 3 Schmitt trigger consisted of Timer 555

信號發(fā)生部分輸出信號的脈寬在5～20 μs范圍內(nèi)，該范圍的信號施密特觸發(fā)器均能處理，即系統(tǒng)能采集微型慣性電學(xué)開關(guān)所有的可能輸出信號。經(jīng)過施密特觸發(fā)器變換波形后的信號可以作為標準數(shù)字信號輸入D觸發(fā)器，降低了D觸發(fā)器的出錯概率。

1.2.3 脈沖波形變換與輸出復(fù)位

脈沖波形變換主要由D觸發(fā)器構(gòu)成，施密特觸發(fā)器輸出的信號經(jīng)D觸發(fā)器處理后，低電平信號保持低電平信號，脈沖信號變換為高電平信號。輸出復(fù)位電路由電阻器、電容器和開關(guān)有機組成，連至D觸發(fā)器的復(fù)位端，可以將D觸發(fā)器的輸出清零。

D觸發(fā)器的符號如圖4所示，該觸發(fā)器由6個與非門組成，其中SD是置位端，RD是復(fù)位端，CP是時鐘信號輸入端，D是數(shù)據(jù)輸入端。SD和RD均為低電平有效，當SD=0且RD=1時，不論輸入端D為何種狀態(tài)，都會使Q=1，SD=0，即觸發(fā)器置1;當SD=1且RD=0時，觸發(fā)器的狀態(tài)為0。設(shè)SD和RD均已加入了高電平，不影響電路的工作，則D觸發(fā)器工作過程為:當CP=0時，觸發(fā)器的狀態(tài)不變;當CP由0變1時，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn);當CP=1時，輸入信號被封鎖。總之，D觸發(fā)器是在CP上升沿前接收輸入信號，上升沿時觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，上升沿后輸入即被封鎖。

圖4 D觸發(fā)器的符號Fig 4 Symbol of D trigger

本設(shè)計將施密特觸發(fā)器整形后的理想脈沖信號接入D觸發(fā)器的時鐘端CP，復(fù)位端RD、置位端SD、數(shù)據(jù)端D均接高電平。當時鐘端CP輸入一個矩形脈沖時，無論此后CP端是否有脈沖信號輸入，輸出端Q將始終輸出高電平，當時鐘端CP輸入低電平時，輸出端Q始終輸出低電平，可見，系統(tǒng)可以保存檢測結(jié)果。若系統(tǒng)要再次檢測加速度閾值，必需先由D觸發(fā)器復(fù)位端RD外接的復(fù)位電路清除之前檢測的結(jié)果，按下復(fù)位開關(guān)將復(fù)位端RD從高電平拉至低電平，此時D觸發(fā)器輸出端Q輸出低電平，系統(tǒng)恢復(fù)檢測前的初始狀態(tài)。

本設(shè)計充分利用了D觸發(fā)器的工作原理，將輸入信號作為時鐘信號接至D觸發(fā)器的CP端，否則，CP端需要設(shè)計一個振蕩電路來產(chǎn)生時鐘信號，會增加系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，同時，將數(shù)據(jù)輸入端D始終置為高電平，讓D觸發(fā)器工作在一個有時鐘觸發(fā)即能保持輸出高電平的工作狀態(tài)，使系統(tǒng)可以保存檢測結(jié)果。此外，D觸發(fā)器容錯率高，為后續(xù)電路準確工作提供保障。

1.2.4 LED 顯示

LED顯示部分由電阻器、三極管和LED有機組成，D觸發(fā)器Q端的輸出信號輸入LED顯示部分，當Q端為高電平時，LED點亮;否則，LED不亮。LED具有壽命長、光效高、無輻射與低功耗等優(yōu)點，因此，非常適合用于發(fā)光標志器件，利用其單向?qū)щ娦裕ㄟ^高低電平控制發(fā)光。

2 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)中電源VCC均為5 V直流電源，D觸發(fā)器選用74LS74芯片，用Multisim仿真軟件對系統(tǒng)的信號處理和LED顯示部分進行仿真，電路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真電路圖Fig 5 Simulation circuit of the system

VIN端輸入半個周期的正弦波信號，當開關(guān)S處于斷開狀態(tài)時，LED發(fā)光，用示波器查看74LS74芯片5腳的輸出信號為高電平信號。此時按下開關(guān)S，LED熄滅，74LS74芯片5腳的輸出信號是電壓值為低電平信號。

3 實驗測試

為了測試系統(tǒng)對不同加速度值的檢測效果，分別制備了加速度閾值為100gn和500gn的系統(tǒng)樣品（加速度閾值為100gn的微型慣性電學(xué)開關(guān)的精度為±2gn，加速度閾值為500gn的開關(guān)的精度為±5gn），表1與表2分別列出了測試結(jié)果。

表1 落錘實驗測試結(jié)果Tab 1 Test result

上述得到的測試結(jié)果在LED的工作狀態(tài)上與仿真結(jié)果吻合，D觸發(fā)器的輸出端Q的輸出電平略有差異，這是因為選用的D觸發(fā)器芯片74LS74實際工作時輸出的高低電平是在一個較小范圍內(nèi)變化的。落錘實驗結(jié)果表明:所制備的不同閾值的加速度閾值檢測系統(tǒng)，均可準確檢測在其精度范圍內(nèi)的加速度。

4 結(jié)論

1）成功研制了一種基于微型慣性電學(xué)開關(guān)的加速度閾值檢測系統(tǒng)，應(yīng)用微型慣性電學(xué)開關(guān)作為傳感與執(zhí)行器件，可有效提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，平均響應(yīng)時間小于20 μs。此外，基于微機械加工技術(shù)的慣性電學(xué)開關(guān)構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)，不但外接處理電路簡單，而且系統(tǒng)工作更為準確、可靠。

2）分別對具有閾值為100gn和500gn的系統(tǒng)PCB電路模塊進行了落錘沖擊實驗，結(jié)果表明:在其精度范圍內(nèi)，若系統(tǒng)承載的加速度超過閾值，則LED發(fā)光;反之，LED不發(fā)光，與系統(tǒng)電路仿真結(jié)果吻合。

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