MEMS萬向開關加工誤差分析

鄧 鵬，吳玉斌，郝永平

(沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159)

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【機械制造與檢測技術】

MEMS萬向開關加工誤差分析

鄧 鵬，吳玉斌，郝永平

(沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159)

為了研究加工誤差對萬向開關響應閾值的影響，推導出了慣性開關響應閾值的計算公式，帶入設計參數值計算得到的結果為391 g，對樣品開關的實際響應閾值進行了沖擊臺跌落試驗，實驗結果220 g，誤差-43.7%。對影響響應閾值的各項尺寸進行測量，其中S型懸臂梁的線寬B誤差最明顯，測量值26.4 μm，小于設計許可值30 μm，誤差為-12%，由閾值公式，該誤差引起的響應閾值誤差高達-30%。最終得出結論，由于S型懸臂梁的線寬B尺寸較小，加工時容易產生較大誤差，懸臂梁的剛度與線寬B的立方成正比，因此線寬B是影響開關響應閾值的主要因素。

MEMS；萬向開關；響應閾值；尺寸測量；加工誤差

慣性開關也稱g值開關，能感知外界加速度信號，當加速度達到設計閾值時，開關內的電極會機械地閉合。因此慣性開關是兼具感知和執行功能的慣性器件。MEMS技術被運用于慣性開關后，使其體積減小，抗過載能力變強，且無源式MEMS慣性開關還具有抗干擾能力強的優點，這些優點使得MEMS慣性開關常被運用于引信中。體積小能節省空間，便于在引信中引入更多的模塊，實現彈藥智能化；抗過載能力強使其能滿足彈藥勤務處理的要求；良好的抗干擾能力有助于提高彈藥的安全性和準確性。

1975年美國在國防專利中提出了一種慣性開關[1]，采用“彈簧-質量塊”結構，質量塊在外界加速度的作用下產生位移，與固定電極接觸。但是作為傳統機械，該開關不可避免存在一些缺點，如靈敏度不高，零件多，裝配復雜，彈簧性能不穩定等。MEMS慣性開關的出現很好地克服了傳統機械開關的缺陷。2002年日本的Tadao Matsunaga等人提出了一種運用于汽車安全氣囊的慣性開關[2]，該開關密封于高壓氮氣中，利用氣膜阻尼獲得足夠的接觸時間。但是由于該開關對密封性要求高，限制了其批量生產與運用。2002年美國的Robinson等人提出了一種基于方形電極的萬向開關[3]，該開關能感知平面內任何方向的加速度信號，但是電極在各方向的間隙不一，使響應一致性不好。2001年韓國高新技術研究所提出了一種閾值可調的MEMS慣性開關[4]，該開關利用靜電力和慣性力的共同作用使電極閉合，通過調節預加電壓達到閾值可調的目的，缺點是需要持續供電，抗干擾能力差。國內楊卓青等人提出了一種非硅襯底的MEMS慣性開關[5]，將固定電極做成薄的彈性梁，將可動電極與固定電極的接觸由剛性變為柔性，配合非硅襯底，雖然避免了猛烈回彈對電極造成的損壞，但是增加接觸時間的效果不明顯。后來出現了環形萬向開關[6]，該開關固定電極也采用懸臂梁支撐，有效增加了接觸時間，打破了“可動電極-固定電極”的模式。該開關將電極設計為圓形，使得開關各方向閾值一致，缺點是電極接觸面積小，接觸電阻大。萬向開關的支撐方式有內支撐和外支撐之分[5-7]，外支撐是由若干根懸臂梁從電極外部將其撐起，電極懸于中間，內支撐則是懸臂梁從電極內部空隙處將其撐起，兩種支撐方式可靈活選用。雖然目前出現了能滿足各種要求的慣性開關結構，但由于國內MEMS工藝尚不成熟，要使開關投入工程運用，就不能忽視加工誤差對開關性能的影響，一定要提高其加工精度。MEMS慣性開關的性能一般由響應閾值、響應時間、接觸時間等技術參數決定，其中響應閾值對加工誤差比較敏感。本文針對一種MEMS萬向開關[6]，分析影響其相應閾值的參數，并對其進行沖擊臺實驗，尺寸測量，探究加工誤差和閾值誤差間的關系。

1 萬向開關結構及工作原理

萬向開關主要由內、外電極，錨區及限位塊組成，如圖1所示。采用準LIGA工藝(利用紫外光刻設備和掩膜在光敏材料上光刻形成模子，再電鑄金屬形成金屬結構)加工，材料為鎳。內電極為圓環形，由固定在錨區A的四根S型懸臂梁從內部支撐并懸空；外電極同樣為圓環形，由固定在錨區B的四根S型懸臂梁從外部支撐并懸空；限位塊位于外電極四周，主要起防止電極位移過大造成懸臂梁失效。內電極質量較外電極大的多，是“彈簧-質量塊”系統中的核心部分，能有效感知X-Y平面的加速度載荷，并向著載荷方向移動。當載荷足夠大時，內、外電極接觸，由于外電極也由懸臂梁支撐，所以是柔性接觸，保證了足夠的接觸時間。錨區A、B都連接有向外部的引線。

2 影響閾值的參數分析

萬向開關是典型的“彈簧-質量塊”系統，開關的運動控制方程為[7]：

(1)

式中，c為阻尼系數，m為質量塊質量，k為彈簧剛度，a(t)為加速度，由于開關中阻尼為滑膜阻尼，可忽略不計。內電極質量遠大于內電極，因此內電極的質量、支撐內電極的懸臂梁剛度和內、外電極的間隙是決定開關閾值的主要因素。懸臂梁的某些參數對其剛度的影響是非線性的，是研究的重點。

圖1 萬向開關結構

通過材料力學能量法中的卡氏第二定理[8]，先取一節懸臂梁計算其剛度，再推廣到n節懸臂梁。從而節數為n的S形懸臂梁在X、Y方向上(如圖2)的剛度為[9]：

Kx=EB3T/8nLB2+72πR3+

(2)

Ky=EB3T/n(16L3+96R2L+24πRL2+12πR3)

(3)

式中，E為材料的彈性模量，T為厚度，B為線寬，L為半節懸臂梁寬度，R為彎曲處中位半徑，n為節數。

圖2 S型懸臂梁簡化圖

如圖1所示，四根S形懸臂梁組成一個彈簧系統，兩個彈簧分別支撐著內、外電極。四根懸臂梁“十”字形的排列方式使得彈簧系統在X-Y平面內剛度保持一致。

彈簧系統的剛度為：

K=2Kx+2Ky

(4)

在外載荷的作用下，開關閉合，內、外電極位移之差正好等于間隙d。則響應閾值為：

(5)

將設計參數值(如表1)帶入上述式(2)、(3)、(4)中，得K內=0.235 4N/m，K外=2.67N/m，已知m內=2×10-3g，m外=3.35×10-4g再由式(5)計算出響應閾值a0=3 832m/s2=391g。利用LS-DYNA軟件對開關模型進行動力學仿真，開關的響應閾值為420g，計算值與動力學仿真值相比，其相對誤差為7%。雖然式(5)對實際情況做了一定的簡化，但是并未出現較大的相對誤差。

表1 內電極支撐梁設計參數值

3 萬向開關沖擊臺實驗

本次萬向開關的加工樣品由大連理工大學提供，封裝后的開關樣品如圖3所示，開關安裝在電路板上，內、外電極通過引線與外接插頭連接，便于將開關接入實驗電路，如圖4。將電路板接入實驗電路后通過夾具固定在沖擊臺上，由電路板檢測開關是否閉合。調整沖擊實驗臺的高度，即可得到不同的沖擊加速度，該加速度由傳感器檢測并顯示在與之相連的計算機屏幕上。能使開關閉合的最小加速度即是開關的閾值，對開關X-Y平面內各個方向閾值進行檢測并取平均值，得到開關在X-Y平面內的閾值為220 g，與設計參數代入式(2)、(3)、(4)、(5)計算得到的響應閾值391 g相比，誤差為-43.7%。

圖3 萬向開關樣品

圖4 實驗電路板

4 尺寸測量

由式(5)可知，響應閾值由為內外電極間隙d、m內、m外、K內和K外決定，因為內電極質量遠大于外電極，由式(4)可以看出K內對響應閾值的影響遠大于K外，從式(2)和(3)可以看出，B，L和R對剛度的影響很顯著，是非線性的，內電極的B，L和R是尺寸測量的重點。

圖5 某懸臂梁的線寬B測量

測量結果如表2所示，

表2 內電極支撐梁線寬B尺寸測量

圖6 某懸臂梁的折疊間隙寬度D測量

表3 內電極支撐梁彎曲處的中位半徑R尺寸測量

圖7 某懸臂梁的半節寬度L測量

內電極支撐梁半節寬度L尺寸測量結果如表3所示，

表4 內電極支撐梁半節寬度L尺寸測量

將懸臂梁線寬B、彎曲處中位半徑R、半節懸臂梁寬度L的測量值和T、d、m內及m外的設計參數值代入到式(2)、(3)、(4)、(5)中，得到響應閾值a0=266 g，與全部設計參數值代入計算得到的響應閾值391 g相比，B值、R值、L值對響應閾值造成的相對誤差達到-32%。

從表2、表3、表4所顯示的B、R、L的測量結果看，三個參數中B的加工相對誤差比其他兩個參數R和L加工相對誤差明顯要大得多，這是由于線寬B本身絕對尺寸小和準LIGA工藝(利用同步電磁輻射X光進行光刻腐蝕、電鑄成形的微制造工藝)的加工特性所造成的。當僅有B的測量尺寸代入，其余參數為設計參數值時，得a0=274 g，則B單獨造成的閾值相對誤差為-30%，占總相對誤差-43.7%的68.6%，因此內電極線寬B是造成閾值相對誤差的主要因素。

而實際閾值220 g與全部設計參數值代入式(2)、(3)、(4)、(5)計算得到的響應閾值391 g相比的誤差為-43.7%，除去線寬B、彎曲處中位半徑R、半節懸臂梁寬度L造成的誤差，剩下的誤差是由厚度T、內外電極間隙d、內、外電極質量m內及m外相關參數的加工誤差以及理論計算與實際情況的差別造成的。

5 結論

1) 本文針對一種具有柔性電極的MEMS慣性萬向開關，通過懸臂梁的剛度公式，得出了慣性開關的響應閾值公式。

2) 對慣性開關的響應閾值和加工尺寸進行了實驗測量，懸臂梁線寬B平均誤差為-12%，中位半徑R和半節寬度L的平均誤差僅為-1.5%，線寬B容易出現較大誤差。

3) 通過閾值公式對各項測量參數進行分析，得出內電極懸臂梁線寬B的加工誤差是影響開關閾值誤差的主要因素，占總誤差的68.6%。且從測量結果來看，準LIGA工藝目前的加工誤差散布還是比較小的，因而今后在提交加工圖紙時可以對B、R、L的尺寸分別進行+12%、+1.5%、+1.5%的補償，使開關成品的響應閾值更加接近預期的數值。

[1]JENKINSBM,CHATHAMNJ.Inertialimpactswitchwithnormallycentered,conductiveoscillatingcontact[P].US:3899649,Aug.12,1975.

[2]TADAOMATSUNAGA,MASAYOSHIESASHI.Accelerationswitchwithextendedholdingtimeusingsqueezefilmeffectforsideairbagsystems[J].SensorsandActuators,2002,A100:10-17.

[3]ROBINSONCH.Microelectromechanicalsystems(MEMS)-typehigh-capacityinertial-switch-chingdevice[P].US:6314887B1,Nov.13.2001.

[4]HUANGJM,LIEWKM,WONGCH.Mechanicaldesignandoptimizationofcapactivemicrom-achinedswitch[J].SensorsandActuators,2001,A93:273-285.

[5] 楊卓青，丁桂甫，蔡豪剛，等.基于非硅表面微加工的MEMS慣性開關設計與動力學仿真[J].功能材料與器件學報,2008，14(3)：629-633.

[6] 劉雙杰，郝永平.環形無源萬向微機電慣性開關[J].中國慣性技術報,2013,21(2)：240-244.

[7] 席占穩，張平，聶偉榮.圓形質量塊/柔性電極MEMS萬向觸發開關[J].探測與控制學報,2013，35(2)：10-14.

[8] 劉雙杰，郝永平.S型折疊式懸臂梁剛度計算[J].光學精密工程,2013,21(2)：388-393.

[9] 楊伯源.材料力學[M].北京：機械工業出版社，2002.

(責任編輯 唐定國)

Analysis of Fabracation Error on MEMS Om-Nidirectional Trigger

DENG Peng, WU Yu-bin, HAO Yong-ping

(School of Equipment Engineerring, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

In order to study the infulence of fabracation error on MEMS omnidirectional trigger’s response threshold, we deduced the calculation formula of inertia switch response threshold. We introduced the design parameter values, and calculated and got the result 391 g. We measured the actual response threshold of the trigger samples through impact table drop test. The experimental result was 220 g, and the result calculated through the design values was 391 g, and the error between them was -43.7%. The fabracation error of the S-shape beam’s line width is the most obvious, and the measured value is 26.4 μm and the design value is 30 μm, and the error between them is -12%, and this error can cause -30% errors in response threshold. The conclusion is that because of the line width B’s obvious error is caused by small size and theremarkable influence of line widthBon S-scale bean’s angular rigidity, the line widthBis the main influence factor of omnidirectional trigger’s response threshold.

MEMS；omnidirectional trigger；response threshold；size measurement; fabracation error

2016-04-15；

2016-05-20

鄧鵬(1992—)，男，碩士研究生，主要從事MEMS器件設計與仿真研究。

10.11809/scbgxb2016.10.023

鄧鵬，吳玉斌，郝永平.MEMS萬向開關加工誤差分析[J].兵器裝備工程學報，2016(10):110-113.

format:DENG Peng, WU Yu-bin, HAO Yong-ping.Analysis of Fabracation Error on MEMS Om-Nidirectional Trigger[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):110-113.

TJ430

A

2096-2304(2016)10-0110-04