基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的慣性傳感器已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、視頻游戲、交通運(yùn)輸、安全和武裝系統(tǒng)等民用和軍用領(lǐng)域。對(duì)于慣性開(kāi)關(guān)，其具有體積小、成本低、未觸發(fā)狀態(tài)下零功耗以及可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的興起，市場(chǎng)對(duì)慣性傳感器的需求越來(lái)越大。在大多數(shù)情況下，慣性開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為具有單一閾值，只能提供二進(jìn)制“開(kāi)/關(guān)”信息。然而，它們無(wú)法提供所經(jīng)歷的加速度的定量信息，而這正是某些應(yīng)用所需要的，例如根據(jù)所經(jīng)歷的沖擊程度對(duì)腦部撞擊損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行分類。因此，人們希望開(kāi)發(fā)一種多閾值慣性開(kāi)關(guān)，其既能提供更多定量數(shù)據(jù)，同時(shí)保留慣性開(kāi)關(guān)極具吸引力的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，淮陰工學(xué)院、阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）、Silicon Austria Labs、紐約州立大學(xué)（State University of New York）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Design, simulation, and testing of a tunable MEMS multi-threshold inertial switch”的論文，提出了一種基于懸臂型微梁的可調(diào)諧多閾值慣性開(kāi)關(guān)，旨在對(duì)加速度大小進(jìn)行分類，同時(shí)在未觸發(fā)狀態(tài)下節(jié)省功耗。該論文所提出的MEMS器件結(jié)合了加速度計(jì)提供定量加速度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)和g閾值開(kāi)關(guān)在加速度低于閾值時(shí)處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)節(jié)省功耗的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的具有兩個(gè)閾值的概念驗(yàn)證器件由懸臂式微梁和放置在傳感方向不同位置的兩個(gè)固定電極組成。研究人員使用非線性梁模型對(duì)可調(diào)閾值能力以及沖擊持續(xù)時(shí)間對(duì)閾值加速度的影響進(jìn)行了分析研究。并利用沖擊臺(tái)系統(tǒng)對(duì)制造的原型進(jìn)行了測(cè)試。分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。所設(shè)計(jì)的MEMS慣性開(kāi)關(guān)有望應(yīng)用于運(yùn)輸和醫(yī)療保健應(yīng)用中的沖擊和沖擊載荷的分類。

器件設(shè)計(jì)與工作原理

該MEMS慣性開(kāi)關(guān)的主要部件包括微懸臂梁、驅(qū)動(dòng)電極、switch 1和switch 2（圖1a）。該器件由MEMSCAP代工廠通過(guò)SOIMUMPs工藝制造而成。器件的敏感方向垂直于襯底。微梁的長(zhǎng)度L?=?L? + L?、深度為b、厚度為h。Switch 1和switch 2的活動(dòng)電極和固定電極之間的距離分別為x?和x?。當(dāng)開(kāi)關(guān)受到的加速度達(dá)到或高于設(shè)計(jì)的閾值水平時(shí)，活動(dòng)電極會(huì)快速向前移動(dòng)并接觸相應(yīng)的固定電極。梁的部分長(zhǎng)度（L1）構(gòu)成平行板電極的一側(cè)，其與另一個(gè)電極的間隙距離為d。當(dāng)在兩個(gè)平行電極上施加偏置電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生靜電激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)閾值的調(diào)節(jié)。

圖1 制造的MEMS慣性開(kāi)關(guān)示意圖

數(shù)值模擬

圖2a和2b顯示了懸臂梁在不同直流電壓和持續(xù)時(shí)間為t??=?0.5 ms的加速度組合作用下的模擬動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖2c顯示了偏置電壓與第一和第二閾值加速度之間的數(shù)值模擬關(guān)系。接著，研究人員研究了不同偏置電壓下沖擊持續(xù)時(shí)間對(duì)閾值加速度的影響，如圖2d所示。

圖2 微梁在不同沖擊加速度和直流負(fù)載下的數(shù)值模擬

加速度閾值測(cè)試

研究人員使用Lansmont的沖擊臺(tái)系統(tǒng)對(duì)制造的原型進(jìn)行測(cè)試，利用靈敏度為8 mV/g的ADXL-193標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)來(lái)校準(zhǔn)器件經(jīng)歷的加速度，如圖3a所示。當(dāng)沖擊臺(tái)從15 cm的起始高度自由下落時(shí)，產(chǎn)生的加速度為978 g，持續(xù)時(shí)間為0.5 ms，如圖3b所示。

圖3 沖擊臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖

圖4顯示了測(cè)試的慣性開(kāi)關(guān)在敏感方向上受到不同幅度的加速度脈沖時(shí)的測(cè)量結(jié)果。起始高度逐漸增加，直到在1085 g的加速度脈沖時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)黃色信號(hào)，這被認(rèn)為是第一閾值加速度（圖4a）。Switch 2在1523 g時(shí)剛好開(kāi)啟，如圖4c中的綠色信號(hào)所示，這表明達(dá)到了第二閾值加速度。

圖4 微梁在不同沖擊加速度下的測(cè)試結(jié)果

為了研究偏置電壓對(duì)第一閾值加速度的影響，圖5a和5b顯示了靜電力和加速度力組合作用下的測(cè)試結(jié)果示例。從圖5a中的黃色信號(hào)可以看出，當(dāng)偏置電壓增加到5?V時(shí)，加速度為1057 g，switch 1剛剛被激活，這表明switch 1在5?V時(shí)達(dá)到了第一閾值加速度。類似地，第一閾值加速度在10 V時(shí)下降至974.48 g（圖5b）。

圖5 制造的慣性開(kāi)關(guān)在不同沖擊加速度和直流負(fù)載下的測(cè)試閾值水平

圖2d顯示，數(shù)值模擬結(jié)果表明閾值加速度隨著沖擊周期的增加而增加。接下來(lái)，研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。圖6a和6b顯示了所制造的器件在不同沖擊脈沖下的閾值加速度的第一次測(cè)試。這些結(jié)果與之前圖2d中給出的數(shù)值模擬一致。

圖6 所制造的慣性開(kāi)關(guān)的第一閾值水平加速度的測(cè)試結(jié)果

綜上所述，這項(xiàng)研究成功設(shè)計(jì)、模擬和測(cè)試了多閾值MEMS可調(diào)諧慣性開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)的器件旨在提供有關(guān)所施加加速度水平的更多定量信息，同時(shí)保留二進(jìn)制慣性開(kāi)關(guān)的顯著節(jié)能優(yōu)勢(shì)。通過(guò)理論分析確定了開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、偏置電壓和沖擊持續(xù)時(shí)間對(duì)閾值加速度的影響。研究人員使用沖擊臺(tái)系統(tǒng)對(duì)制造的慣性開(kāi)關(guān)原型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多閾值慣性開(kāi)關(guān)可以提供定量的加速度測(cè)量，并在零電壓下檢測(cè)范圍為1085至1600 g加速度。測(cè)試的閾值加速度隨著偏置電壓的增加而減小，并且t??=?0.3?ms時(shí)的閾值加速度小于t??=?0.72?ms時(shí)的閾值加速度。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分吻合。未來(lái)的工作方向可能是實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，并進(jìn)一步增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)的可調(diào)閾值能力。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00662-z

審核編輯：劉清