一種基于懸臂型微梁的可調諧多閾值慣性開關的設計、模擬與測試

基于微機電系統（MEMS）技術的慣性傳感器已被廣泛應用于醫療保健、視頻游戲、交通運輸、安全和武裝系統等民用和軍用領域。對于慣性開關，其具有體積小、成本低、未觸發狀態下零功耗以及可批量生產等優點。

隨著物聯網（IoT）的興起，市場對慣性傳感器的需求越來越大。在大多數情況下，慣性開關被設計為具有單一閾值，只能提供二進制“開/關”信息。然而，它們無法提供所經歷的加速度的定量信息，而這正是某些應用所需要的，例如根據所經歷的沖擊程度對腦部撞擊損傷的嚴重程度進行分類。因此，人們希望開發一種多閾值慣性開關，其既能提供更多定量數據，同時保留慣性開關極具吸引力的節能優勢。

據麥姆斯咨詢報道，近日，淮陰工學院、阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）、Silicon Austria Labs、紐約州立大學（State University of New York）的研究人員組成的團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發表了題為“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諧多閾值慣性開關，旨在對加速度大小進行分類，同時在未觸發狀態下節省功耗。該論文所提出的MEMS器件結合了加速度計提供定量加速度測量的優點和g閾值開關在加速度低于閾值時處于非活動狀態時節省功耗的優點。設計的具有兩個閾值的概念驗證器件由懸臂式微梁和放置在傳感方向不同位置的兩個固定電極組成。研究人員使用非線性梁模型對可調閾值能力以及沖擊持續時間對閾值加速度的影響進行了分析研究。并利用沖擊臺系統對制造的原型進行了測試。分析結果與實驗結果一致。所設計的MEMS慣性開關有望應用于運輸和醫療保健應用中的沖擊和沖擊載荷的分類。

器件設計與工作原理

該MEMS慣性開關的主要部件包括微懸臂梁、驅動電極、switch 1和switch 2（圖1a）。該器件由MEMSCAP代工廠通過SOIMUMPs工藝制造而成。器件的敏感方向垂直于襯底。微梁的長度L?=?L? + L?、深度為b、厚度為h。Switch 1和switch 2的活動電極和固定電極之間的距離分別為x?和x?。當開關受到的加速度達到或高于設計的閾值水平時，活動電極會快速向前移動并接觸相應的固定電極。梁的部分長度（L1）構成平行板電極的一側，其與另一個電極的間隙距離為d。當在兩個平行電極上施加偏置電壓時，就會產生靜電激勵，從而實現閾值的調節。

圖1 制造的MEMS慣性開關示意圖

數值模擬

圖2a和2b顯示了懸臂梁在不同直流電壓和持續時間為t??=?0.5 ms的加速度組合作用下的模擬動態響應。圖2c顯示了偏置電壓與第一和第二閾值加速度之間的數值模擬關系。接著，研究人員研究了不同偏置電壓下沖擊持續時間對閾值加速度的影響，如圖2d所示。

圖2 微梁在不同沖擊加速度和直流負載下的數值模擬

加速度閾值測試

研究人員使用Lansmont的沖擊臺系統對制造的原型進行測試，利用靈敏度為8 mV/g的ADXL-193標準加速度計來校準器件經歷的加速度，如圖3a所示。當沖擊臺從15 cm的起始高度自由下落時，產生的加速度為978 g，持續時間為0.5 ms，如圖3b所示。

圖3 沖擊臺實驗設置示意圖

圖4顯示了測試的慣性開關在敏感方向上受到不同幅度的加速度脈沖時的測量結果。起始高度逐漸增加，直到在1085 g的加速度脈沖時開始出現黃色信號，這被認為是第一閾值加速度（圖4a）。Switch 2在1523 g時剛好開啟，如圖4c中的綠色信號所示，這表明達到了第二閾值加速度。

圖4 微梁在不同沖擊加速度下的測試結果

為了研究偏置電壓對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試結果示例。從圖5a中的黃色信號可以看出，當偏置電壓增加到5?V時，加速度為1057 g，switch 1剛剛被激活，這表明switch 1在5?V時達到了第一閾值加速度。類似地，第一閾值加速度在10 V時下降至974.48 g（圖5b）。

圖5 制造的慣性開關在不同沖擊加速度和直流負載下的測試閾值水平

圖2d顯示，數值模擬結果表明閾值加速度隨著沖擊周期的增加而增加。接下來，研究人員通過實驗驗證了這個結論。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試。這些結果與之前圖2d中給出的數值模擬一致。

圖6 所制造的慣性開關的第一閾值水平加速度的測試結果

綜上所述，這項研究成功設計、模擬和測試了多閾值MEMS可調諧慣性開關。設計的器件旨在提供有關所施加加速度水平的更多定量信息，同時保留二進制慣性開關的顯著節能優勢。通過理論分析確定了開關的動態響應、偏置電壓和沖擊持續時間對閾值加速度的影響。研究人員使用沖擊臺系統對制造的慣性開關原型進行了實驗測試。實驗結果表明，多閾值慣性開關可以提供定量的加速度測量，并在零電壓下檢測范圍為1085至1600 g加速度。測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時的閾值加速度小于t??=?0.72?ms時的閾值加速度。模擬結果與實驗數據十分吻合。未來的工作方向可能是實現更高的分辨率，并進一步增強慣性開關的可調閾值能力。

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

審核編輯：劉清