MEMS閾值可調開關的仿真與實驗分析*

許馬會， 劉鳳麗， 郭 航

(1.沈陽理工大學 CAD/CAM 技術研究與開發中心，遼寧 沈陽 110159；2.廈門大學 薩本棟微米納米科學技術研究院，福建 廈門 361005)

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MEMS閾值可調開關的仿真與實驗分析*

許馬會1，2， 劉鳳麗1， 郭 航2

(1.沈陽理工大學 CAD/CAM 技術研究與開發中心，遼寧 沈陽 110159；2.廈門大學 薩本棟微米納米科學技術研究院，福建 廈門 361005)

微系統(MEMS)閾值可調開關是一種適用于彈藥類型的通用碰炸開關，靠捕捉碰撞目標時的前沖慣性力而閉合。此開關除了受慣性力和靜電力之外，還受到可動電極和驅動電極之間由于空氣阻力而產生很大的阻尼力的影響。利用Coventor wave軟件中的Saber系統仿真法，對設計的開關結構進行瞬態特性分析，仿真結果表明:開關在不同加速度信號下，閾值加速度與電壓基本上呈反比關系，且隨著閾值加速度的增大，電壓減小。對加工的開關樣件進行實驗檢測，實驗結果表明開關可以實現閾值可調。

微系統； 閾值可調開關； 特性分析; 實驗檢測

0 引 言

微機電系統(MEMS)開關是MEMS技術的一個具體應用，是用微機械加工技術集成在硅片上的開關，它用在射頻到毫米波(0.1～1 000 GHz)的通信上。與傳統半導體器件(雙極型晶體管、金屬氧化物場效應晶體管)相比，MEMS開關具有信號失真小、閉合速度快、功耗小、線性好、尺寸小、壽命長等優點，因此,MEMS開關被廣泛應用在遠程通信系統、無線通信、自動測試設備、快速數據采集等系統中[1]。目前，國內在MEMS開關的研究上已經取得了很大的進步，但是與國外所研究的MEMS開關相比，在性能和可靠性上還有很大的差距，而且對于開關的失效原因以及封裝等問題上還有待提高。

根據應用領域不同，MEMS開關可分為兩大類，一類為加速度計式開關，加速度計式開關是利用加速度計的方向檢測特性，將加速度的變化轉換為電阻、電容等電量的變化，當開關的角度發生改變且大于等于設定的角度時，電路接收到信號后將被連通，就能實現閾值可調性，但是這種開關不能應用在多物理耦合的環境下。另一類為微機械慣性開關，微機械慣性開關融合了傳感器與執行器[2，3]，可用于感知加速度信號，當檢測到超過閾值信號時，被彈簧懸空的質量塊與電極相碰撞，觸發電信號[4，5],因此，微慣性開關多采用典型的彈簧質量—阻尼系統[6]。這類開關具有較強的抗過載能力和可靠性，但是不能實現閾值可調。

針對MEMS微機械慣性開關達不到閾值可調的效果，本文提出了一種閾值可調的開關結構，利用Coventor wave軟件Saber系統法對MEMS閾值可調開關進行特性分析，對比不同閾值加速度與電壓的關系。

1 工作原理

MEMS閾值可調開關的可動電極在慣性力和靜電力的作用下向下運動，與驅動電極形成一個電場，當開關的上接觸電極與下接觸電極相接觸時，整個電路被導通，開關就處于閉合狀態。通過改變不同的輸入信號和初始偏置電壓，從而可以改變可動電極和驅動電極之間的距離，以感應不同的閾值加速度[7，8]。MEMS閾值可調開關的結構圖如圖1所示。

圖1 MEMS閾值可調開關的結構Fig 1 Structure of MEMS adjustable threshold switch

從圖1中可以看出，在可動電極和驅動電極之間有一層介電層，目的是為了防止開關閉合時，開關被電壓擊穿，造成整體短路。

開關除了受慣性力和靜電力之外，還受到可動電極和驅動電極之間由于空氣阻力而產生很大的阻尼力的影響[9],而且這個阻尼力是不可以忽略的，它會對MEMS開關產生較大的阻尼力。使兩個極板之間運動變得相當困難。模型示意圖如圖2所示。

圖2 壓模阻尼模型示意圖Fig 2 Schematic diagram of die damping model

平板的尺寸遠大于兩平板間的間距，因此，兩平板間的氣體流動為層流狀態，在溫度不變的情況下，可建立雷諾方程[10]

(1)

假設平板長度L=2B，寬度B=2a，則其邊界條件為

P(±a,y),P(x,±b)

(2)

通過上述的邊界條件,并結合式(1),可計算出氣體壓強的變化量?P,對?P進行積分,可得到兩極板所受到空氣阻尼力為

(3)

由此可以推知阻尼系數為

(4)

(5)

當開關的結構尺寸確定后，結合式(3)、式(4)、式(5)，即可求出兩極板之間所受到的阻尼力。

2 開關瞬態應力分析

對開關進行瞬態應力分析，即分析開關的閾值可調能力。首先對懸臂梁加載偏置電壓后，在靜電力和彈簧抗力的合力作用下懸臂梁達到平衡位置，此時，若感知到外部加速度a(t)，懸臂梁二次變形，當加速度足夠大時，上下極板出現吸合現象，開關閉合。懸臂梁的運動方程如下[11]

(6)

利用Coventorwave軟件中的Saber系統對懸臂梁同時加載電壓和加速度，結果如圖3所示。圖3可見，懸臂梁自由端移動相同的位移，加載閾值加速度越大，使開關閉合的電壓就越小， 當加載驅動電壓為24V時，對應的閾值加速度為2 200 gn,此時開關出現吸合現象,當電壓稍微大于24V，開關就會閉合。

圖3 懸臂梁加載加速度、電壓、位移之間的關系Fig 3 Relationship between cantilever beam loading,acceleration voltage and displacement

圖4為施加周期是800 μs的半正弦加速度信號，下驅動電極自由端的響應曲線。當加速度閾值從1 000gn以500gn的步長遞增到3 000gn時，對應的初始輸入電壓分別為28,27，26，24，22 V。

圖4 半正弦加速度與電壓的耦合作用下懸臂梁自由端位移隨時間變化曲線Fig 4 Curve of displacement of free end of cantilever beam coupling half sine acceleration and voltage change with time

3 實驗檢測

3.1 探針臺實驗

對開關進行探針臺實驗是為了測試所加工的開關是否有信號輸出，為沖擊臺實驗做準備。圖5(a),(b)為開關樣件和封裝好的開關。

圖5 開關樣件和封裝好的開關Fig 5 Switch prototype and packaged switch

封裝好的開關放在探針臺上，將3個探針分別放在開關的3個引腳處，打開電源，如圖6所示。

圖6 探針臺實驗Fig 6 Probe station experiment

從圖6中可以看出，電源電壓為27.01 V，說明開關有信號輸出，進而證明該開關是可用的。

3.2 沖擊試驗

探針臺實驗成功后方可進行沖擊臺試驗，此試驗是為了驗證開關的抗過載能力以及是否能實現閾值可調。在進行沖擊試驗之前需要將通過探針臺試驗測試的開關進行焊接，如圖7所示。

圖7 焊接好的開關Fig 7 Welding switch

由于電磁閥產生噪聲，在單次觸發的條件下，示波器會輸出干擾信號，為了消除干擾信號，將開關和導線全部用金箔套住，并將金箔接地。然后將沖擊臺加速度以500gn為一檔，從1 000gn開始，表1為三個開關樣件在加速度與電壓共同作用的測量結果。

表1 三個開關樣件在加速度與電壓共同作用的測量結果

從表1中的結果可以看出，在理論加速度與實際加速度相同的情況下，1#開關閉合的實際電壓值與理論電壓值基本一致，兩者之間存在0.035 %～0.037 %的誤差，這是由于在加工過程中，實際尺寸與設計尺寸存在一定的誤差引起的，但并不影響實驗結果。2#開關在經過3次沖擊之后，給開關施加1V的電壓，開關就能閉合，造成此現象的原因是反復沖擊導致開關懸臂梁疲勞損壞，使開關失效。3#開關經過2次沖擊之后，增加閾值加速度，電壓值也隨之升高，出現此現象的原因，開關進行多次沖擊實驗，導致開關上極板和懸臂梁疲勞，反應緩慢，發生翹曲效應。 圖8為對1#開關施加不同加速度進行沖擊時，示波器的變化情況。

圖8 施加不同加速度進行沖擊時結果Fig 8 Result of different acceleration is applied

圖8(a)為對開關施加500gn加速度，電源電壓為28.03 V時，示波器的變化情況，從圖中可以看出，示波器上只有一條水平的直線，這說明在上述條件下開關沒有達到閉合狀態。圖8(b)為對1#開關施加1 000gn加速度，電源電壓為28.03 V時，示波器的變化情況，從圖中可以看出，示波器有一個由基態到階躍的跳躍狀態，且信號保持不變，這說明在上述情況下，開關處于閉合狀態。圖8(c)為對1#開關施加1 500gn加速度，電源電壓為27.01 V時，示波器的變化情況，從圖中可以看出，示波器有一個由基態到階躍的跳躍狀態，且信號保持不變，這說明在上述情況下，開關也能達到閉合狀態。

通過表1 和圖8中實驗結果可以看出，能使開關達到閉合狀態的閾值加速度和電壓值與之前進行閾值仿真結果的相符，說明該開關可以實現閾值可調，進而驗證了所設計的開關結構的可行性。

4 結 論

根據所研究開關的結構與特點，提出一種靜電驅動MEMS閾值可調開關，此開關除了受慣性力和靜電力之外，還受到可動電極和驅動電極之間由于空氣阻力而產生很大的阻尼力的影響。利用Coventor wave軟件對開關進行瞬態應力分析，對開關施加一定周期的半正弦信號，仿真結果表明:懸臂梁自由端移動相同的位移時，加載閾值加速度越大，使開關閉合的電壓就越小。對加工的開關樣品進行探針臺實驗和沖擊實驗，實驗結果表明開關可以實現閾值可調，進而證明所設計的開關結構是可行的。

[1] 李旭輝.MEMS發展應用現狀[J].傳感器與微系統，2006,25(5):7-9.

[2] 陸敬予，張飛虎， 張 勇.微機電系統的現狀與展望[J].傳感器與微系統,2008,27(2):1-4.

[3] 程建建.微機械慣性閉鎖開關設計[D].南京:南京理工大學，2014.

[4] 曲利新.MEMS開關技術的研究與進展[J].現代電子技術，2008(1):147-149，264.

[5] Muldavin J B，R Ebeiz G M． High-isolation CPW MEMS shunt switches[J].IEEE Trans on Microwave Theory Tech,2000，48(6):55-65.

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[7] 劉雙杰，郝永平.閾值可調的微機電慣性開關[J].中國慣性學報,2014，22(4):543-546.

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[9] Gabriel M Rebeiz.RF MEMS理論·設計·技術[M].南京:東南大學出版社，2005:74.

[10] 韓 旭.閾值可調開關的設計與分析[D].沈陽:沈陽理工大學，2013.

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郭 航，通訊作者， E—mail:hangguo@xmu.edu.cn。

Simulation and experimental analysis of MEMS threshold adjustable switch*

XU Ma-hui1，2, LIU Feng-li1， GUO Hang2

(1.Technology Center of CAD/CAM,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China；2.Pen-Tung Sah Institute of Micro-Nano Science and Technology，Xiamen University,Xiamen 361005,China)

MEMS threshold adjustable switch is a kind of general touch switch which is suitable for type of ammunition,it is closed by forward inertia force when the target is caught.In addition to inertia force and electrostatic force,the switch is also influenced by air resistance between movable electrode and driving electrode.By using saber system simulation method of Coventor wave software,analyze on transient characteristics of designed switch structure,and simulation results show that under different acceleration signals,threshold acceleration is inversely proportional to the voltage and the voltage decreases with increase of threshold acceleration.The samples are tested experimentally with switch-on processing and the test results show that the developed switch can realize the required adjustable threshold switching .

MEMS; threshold adjustable switch; characteristic analysis; experimental detection

2016—08—02

福建省高校產學合作項目(2015H6021)；廈門市科技項目(3502Z1430030)；國家“863”計劃資助項目(2015AA042701)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0028—04

TM 564.6

A

1000—9787(2016)10—0028—04

許馬會(1986-)，女，山東菏澤人，博士研究生，主要從事MEMS微小器件探測技術方面的研究工作。