摘要：微机电系统(MEMS)惯性开关在引信领域有广阔的应用前景,但可用于引信工作环境的低g值型MEMS惯性开关较少。对此,为低发射过载的弹药引信提出一种低闭合阈值的MEMS惯性开关设计方案,满足引信识别低g值冲击信号的功能需求,实现稳定接通引信电源的功能,同时具备抵抗引信工作环境中高过载的能力,提高引信可靠性。依据触发信号特征和引信工作环境提出设计要求,对惯性开关的振荡模型进行理论分析,阐明惯性开关结构尺寸对开关性能的影响规律,给出开关整体设计方案,并应用ANSYS有限元软件对设计结果进行仿真验证。仿真结果表明,所设计的惯性开关能够监测幅值为20g、脉宽为1 ms的冲击信号,开关响应时间小于1 ms,电极接触时间长于30μs,抗过载性能达到12 000g,满足性能指标要求。

摘要：微机电系统(MEMS)惯性开关是集传感与执行为一体的无源电子器件,具有体积小、重量轻、易集成、加工一致性好、免装配等优势,在汽车工业、航空航天、武器装备等领域具有广阔的应用前景。低g值MEMS惯性开关的应用场景主要为飞行器加/减速过程特定功能的触发,在设计时应保证弹簧刚度低,质量块体积大,在结构设计与加工工艺中存在一定难度。本文介绍了低g值MEMS惯性开关的基本物理模型和工作原理,对国内外研究现状进行了阐述,总结了现阶段迫切需要解决的关键问题,并提出相应解决思路,为后续研究提供有益参考。

摘要：针对既有硅基低g值MEMS惯性开关的加工工艺复杂、加工周期长以及成品率低的问题,提出改进的结构设计和工艺方案。设计以圆形质量块+圆形螺旋梁为基础的敏感结构,以避免原结构因应力集中导致的螺旋梁断裂现象;提出玻璃-SOI-玻璃三层直接键合工艺技术,改变金属电极间绝缘设计方法,调整开关行程的加工方式,从而减少大量加工工序,降低了工艺难度。形成了一种可靠、简单的低g值开关的统一化加工方案。流片结果表明,新研制的MEMS开关的加工周期缩短为原来的1/3,加工成品率提高为原来的4倍。测试结果表明,开关阈值为5.6g,符合设计要求的5.5g±1g。

摘要：针对传统惯性开关阈值散布大、万向性差等缺点,设计了一种环形无源万向微机电惯性开关。环形的可动质量框作为可动电极,由内部的四根折叠悬臂梁支撑,和外部的环状固定电极有一定间隙,构成xy平面内的万向开关。对设计开关进行有限元动态接触仿真,结果表明开关在1000g加速度作用下的响应时间和接触时间分别约为0.142 ms和5 s,表现出较高的触发灵敏度和良好的接触效果。研究悬臂梁线宽与开关阈值加速度的关系,结果表示悬臂梁线宽的微小变化会引起阈值加速度的较大变化。利用冲击台试验对封装后的开关进行阈值试验,试验结果表明实际阈值分布在900g^1300g范围内,80%的开关阈值比设计值大。用微电镜对悬臂梁线宽进行静态测量,悬臂梁线宽加工误差大多分布于0^+2 m,加工误差直接导致开关的阈值加速度增加,设计阶段应充分考虑加工误差对阈值加速度的影响。

摘要：利用V形梁结构的双稳态跳转特性,设计了一种具有显著阈值特性的双稳态惯性开关,并建立了阻尼力、惯性力、弹性力及触点碰撞力等多力耦合作用下的开关动力学模型。开关结构主要由触点、弹性元件及其支撑的惯性质量块构成。动态仿真及实验结果表明开关具有良好的阈值特性。采用离心测试装置测得开关闭合阈值为9.6g,与设计值10g的偏差仅为4%,断开阈值为-3.1g,开关响应时间低于5ms,闭合后在零惯性力作用下仍能使开关保持闭合状态,验证了V形梁结构惯性开关设计理论的有效性和可行性,因而在航空、航天及汽车电子安全领域具有广阔的应用前景。

摘要：以非硅表面微加工技术为基础,在玻璃衬底上设计和制造一种简单可靠并有反向冲击保护的单向一次触发微机电系统(Microelectro-mechanical system,MEMS)惯性电学开关。该设计采用连体蛇形弹簧将可动电极(质量块)悬空固定,用挡块作为反向冲击保护,其敏感方向为平行于衬底面的水平方向,整个器件使用成本较低而又方便的叠层电镀镍工艺制作。通过对弹簧-质量块系统运动过程的理论分析和有限元仿真,研究器件阈值加速度与其质量块厚度的关系,并用落锤试验对封装器件的阈值加速度以及峰值为100g(g=9.8m/s2)半正弦冲击下的响应进行了测试,得到该微开关的阈值加速度分布在58g～72g,基本符合预期设计的60g阈值加速度要求,响应时间约为10–4s量级,与有限元仿真结果吻合较好。

摘要：设计水平和垂直方向两种驱动形式MEMS(micro-electro-mechanical system)惯性开关,应用ANSYS10.0有限元软件对其中的镍质微弹簧结构进行实体建模和动力学模拟分析,得到其在动载荷下的应力分布情况和端部位移响应曲线,并比较静动载荷下结构参数对微弹簧水平和垂直方向上弹性常数(klevel和kvertic)的影响规律。文中的有限元动力学分析方法为较准确地评定类似MEMS微弹簧弹性常数提供一条有效途径,具有工程实际应用价值,特别是为动载荷下工作的惯性类微器件中弹簧的进一步优化与加工提供重要依据。

摘要：低g值惯性开关是一种对线加速度敏感并在施加的加速度作用下完成闭合的惯性装置。由于微小尺寸的限制,低g值(1-30g)惯性开关只能设计为微质量块和低刚度支撑梁的结构。为了获得低刚度,设计了基于阿基米德螺旋线的平面螺旋梁结构。微开关由一个带触点的基座、一个惯性敏感单元以及框架和封盖组成。惯性敏感单元则由一个居中的质量块和支撑它的螺旋梁组成。在加速度作用下可动的质量块发生位移,与其下的触点接触,实现开关的闭合。惯性敏感单元采用有限元软件ANSYS进行分析,采用UV-LIGA工艺制作。进行了离心试验以获得低g值惯性开关的闭合门限。经3次测试,闭合门限值分别为21.22 ,21 .39和21.20g,平均值为21.27g。测试结果表明,低g值惯性开关具有0.5g的闭合精度,多次测试重复性较好。

摘要：针对惯性开关通用性的要求，设计了一种具有阈值可调功能的微机电惯性开关。利用CoventorWare软件中的Architect模块对该悬臂梁结构开关进行系统级仿真。仿真结果表明，开关在半正弦加速度信号作用下，加速度阈值和电压基本呈线性关系，通过调整偏置电压的方式，可测量不同阈值加速度；以500g为一档，调节加速度阈值范围为1000~4000g，开关最长响应时间为63.44μs，接触时间无穷大，表现出良好的工作性能。考虑MEMS薄膜沉积工艺在加工4μm厚的悬臂梁时存在±0.1μm加工误差，应用蒙特卡洛法分析悬臂梁厚度在3.9~4.1μm之间变化时，对开关吸合电压和闭合时间的影响，结果表明，±0.1μm的加工误差对开关吸合电压和闭合时间影响在设计允许范围内。

摘要：基于非硅表面微加工技术,设计并制造一种新型三维多方向敏感的微惯性开关。选用弹簧-质量块-阻尼的典型碰撞结构,主要由可动电极悬臂梁弹簧—质量块系统、水平固定电极、垂直复合柔性固定电极三部分组成。利用ANSYS有限元软件对器件进行模态和动力学碰撞仿真分析,并对该微机械惯性开关进行落锤冲击试验,结果表明,在水平和竖直方向的阈值均为50～60g,接触时间可稳定在40μs以上。