鄧 鵬，吳玉斌，郝永平

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

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【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

MEMS萬(wàn)向開關(guān)加工誤差分析

鄧 鵬，吳玉斌，郝永平

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

為了研究加工誤差對(duì)萬(wàn)向開關(guān)響應(yīng)閾值的影響，推導(dǎo)出了慣性開關(guān)響應(yīng)閾值的計(jì)算公式，帶入設(shè)計(jì)參數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果為391 g，對(duì)樣品開關(guān)的實(shí)際響應(yīng)閾值進(jìn)行了沖擊臺(tái)跌落試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果220 g，誤差-43.7%。對(duì)影響響應(yīng)閾值的各項(xiàng)尺寸進(jìn)行測(cè)量，其中S型懸臂梁的線寬B誤差最明顯，測(cè)量值26.4 μm，小于設(shè)計(jì)許可值30 μm，誤差為-12%，由閾值公式，該誤差引起的響應(yīng)閾值誤差高達(dá)-30%。最終得出結(jié)論，由于S型懸臂梁的線寬B尺寸較小，加工時(shí)容易產(chǎn)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(guān)響應(yīng)閾值的主要因素。

MEMS；萬(wàn)向開關(guān)；響應(yīng)閾值；尺寸測(cè)量；加工誤差

慣性開關(guān)也稱g值開關(guān)，能感知外界加速度信號(hào)，當(dāng)加速度達(dá)到設(shè)計(jì)閾值時(shí)，開關(guān)內(nèi)的電極會(huì)機(jī)械地閉合。因此慣性開關(guān)是兼具感知和執(zhí)行功能的慣性器件。MEMS技術(shù)被運(yùn)用于慣性開關(guān)后，使其體積減小，抗過(guò)載能力變強(qiáng)，且無(wú)源式MEMS慣性開關(guān)還具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得MEMS慣性開關(guān)常被運(yùn)用于引信中。體積小能節(jié)省空間，便于在引信中引入更多的模塊，實(shí)現(xiàn)彈藥智能化；抗過(guò)載能力強(qiáng)使其能滿足彈藥勤務(wù)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(zhǔn)確性。

1975年美國(guó)在國(guó)防專利中提出了一種慣性開關(guān)[1]，采用“彈簧-質(zhì)量塊”結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊在外界加速度的作用下產(chǎn)生位移，與固定電極接觸。但是作為傳統(tǒng)機(jī)械，該開關(guān)不可避免存在一些缺點(diǎn)，如靈敏度不高，零件多，裝配復(fù)雜，彈簧性能不穩(wěn)定等。MEMS慣性開關(guān)的出現(xiàn)很好地克服了傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)的缺陷。2002年日本的Tadao Matsunaga等人提出了一種運(yùn)用于汽車安全氣囊的慣性開關(guān)[2]，該開關(guān)密封于高壓氮?dú)庵?，利用氣膜阻尼獲得足夠的接觸時(shí)間。但是由于該開關(guān)對(duì)密封性要求高，限制了其批量生產(chǎn)與運(yùn)用。2002年美國(guó)的Robinson等人提出了一種基于方形電極的萬(wàn)向開關(guān)[3]，該開關(guān)能感知平面內(nèi)任何方向的加速度信號(hào)，但是電極在各方向的間隙不一，使響應(yīng)一致性不好。2001年韓國(guó)高新技術(shù)研究所提出了一種閾值可調(diào)的MEMS慣性開關(guān)[4]，該開關(guān)利用靜電力和慣性力的共同作用使電極閉合，通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)加電壓達(dá)到閾值可調(diào)的目的，缺點(diǎn)是需要持續(xù)供電，抗干擾能力差。國(guó)內(nèi)楊卓青等人提出了一種非硅襯底的MEMS慣性開關(guān)[5]，將固定電極做成薄的彈性梁，將可動(dòng)電極與固定電極的接觸由剛性變?yōu)槿嵝裕浜戏枪枰r底，雖然避免了猛烈回彈對(duì)電極造成的損壞，但是增加接觸時(shí)間的效果不明顯。后來(lái)出現(xiàn)了環(huán)形萬(wàn)向開關(guān)[6]，該開關(guān)固定電極也采用懸臂梁支撐，有效增加了接觸時(shí)間，打破了“可動(dòng)電極-固定電極”的模式。該開關(guān)將電極設(shè)計(jì)為圓形，使得開關(guān)各方向閾值一致，缺點(diǎn)是電極接觸面積小，接觸電阻大。萬(wàn)向開關(guān)的支撐方式有內(nèi)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(nèi)支撐則是懸臂梁從電極內(nèi)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(xiàn)了能滿足各種要求的慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)，但由于國(guó)內(nèi)MEMS工藝尚不成熟，要使開關(guān)投入工程運(yùn)用，就不能忽視加工誤差對(duì)開關(guān)性能的影響，一定要提高其加工精度。MEMS慣性開關(guān)的性能一般由響應(yīng)閾值、響應(yīng)時(shí)間、接觸時(shí)間等技術(shù)參數(shù)決定，其中響應(yīng)閾值對(duì)加工誤差比較敏感。本文針對(duì)一種MEMS萬(wàn)向開關(guān)[6]，分析影響其相應(yīng)閾值的參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行沖擊臺(tái)實(shí)驗(yàn)，尺寸測(cè)量，探究加工誤差和閾值誤差間的關(guān)系。

1 萬(wàn)向開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理

萬(wàn)向開關(guān)主要由內(nèi)、外電極，錨區(qū)及限位塊組成，如圖1所示。采用準(zhǔn)LIGA工藝(利用紫外光刻設(shè)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(jié)構(gòu))加工，材料為鎳。內(nèi)電極為圓環(huán)形，由固定在錨區(qū)A的四根S型懸臂梁從內(nèi)部支撐并懸空；外電極同樣為圓環(huán)形，由固定在錨區(qū)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(guò)大造成懸臂梁失效。內(nèi)電極質(zhì)量較外電極大的多，是“彈簧-質(zhì)量塊”系統(tǒng)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(dòng)。當(dāng)載荷足夠大時(shí)，內(nèi)、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(shí)間。錨區(qū)A、B都連接有向外部的引線。

2 影響閾值的參數(shù)分析

萬(wàn)向開關(guān)是典型的“彈簧-質(zhì)量塊”系統(tǒng)，開關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制方程為[7]：

(1)

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

圖1 萬(wàn)向開關(guān)結(jié)構(gòu)

通過(guò)材料力學(xué)能量法中的卡氏第二定理[8]，先取一節(jié)懸臂梁計(jì)算其剛度，再推廣到n節(jié)懸臂梁。從而節(jié)數(shù)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(jié)懸臂梁寬度，R為彎曲處中位半徑，n為節(jié)數(shù)。

圖2 S型懸臂梁簡(jiǎn)化圖

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

彈簧系統(tǒng)的剛度為：

K=2Kx+2Ky

(4)

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

(5)

將設(shè)計(jì)參數(shù)值(如表1)帶入上述式(2)、(3)、(4)中，得K內(nèi)=0.235 4N/m，K外=2.67N/m，已知m內(nèi)=2×10-3g，m外=3.35×10-4g再由式(5)計(jì)算出響應(yīng)閾值a0=3 832m/s2=391g。利用LS-DYNA軟件對(duì)開關(guān)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，開關(guān)的響應(yīng)閾值為420g，計(jì)算值與動(dòng)力學(xué)仿真值相比，其相對(duì)誤差為7%。雖然式(5)對(duì)實(shí)際情況做了一定的簡(jiǎn)化，但是并未出現(xiàn)較大的相對(duì)誤差。

表1 內(nèi)電極支撐梁設(shè)計(jì)參數(shù)值

3 萬(wàn)向開關(guān)沖擊臺(tái)實(shí)驗(yàn)

本次萬(wàn)向開關(guān)的加工樣品由大連理工大學(xué)提供，封裝后的開關(guān)樣品如圖3所示，開關(guān)安裝在電路板上，內(nèi)、外電極通過(guò)引線與外接插頭連接，便于將開關(guān)接入實(shí)驗(yàn)電路，如圖4。將電路板接入實(shí)驗(yàn)電路后通過(guò)夾具固定在沖擊臺(tái)上，由電路板檢測(cè)開關(guān)是否閉合。調(diào)整沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(cè)并顯示在與之相連的計(jì)算機(jī)屏幕上。能使開關(guān)閉合的最小加速度即是開關(guān)的閾值，對(duì)開關(guān)X-Y平面內(nèi)各個(gè)方向閾值進(jìn)行檢測(cè)并取平均值，得到開關(guān)在X-Y平面內(nèi)的閾值為220 g，與設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(2)、(3)、(4)、(5)計(jì)算得到的響應(yīng)閾值391 g相比，誤差為-43.7%。

圖3 萬(wàn)向開關(guān)樣品

圖4 實(shí)驗(yàn)電路板

4 尺寸測(cè)量

由式(5)可知，響應(yīng)閾值由為內(nèi)外電極間隙d、m內(nèi)、m外、K內(nèi)和K外決定，因?yàn)閮?nèi)電極質(zhì)量遠(yuǎn)大于外電極，由式(4)可以看出K內(nèi)對(duì)響應(yīng)閾值的影響遠(yuǎn)大于K外，從式(2)和(3)可以看出，B，L和R對(duì)剛度的影響很顯著，是非線性的，內(nèi)電極的B，L和R是尺寸測(cè)量的重點(diǎn)。

圖5 某懸臂梁的線寬B測(cè)量

測(cè)量結(jié)果如表2所示，

表2 內(nèi)電極支撐梁線寬B尺寸測(cè)量

圖6 某懸臂梁的折疊間隙寬度D測(cè)量

表3 內(nèi)電極支撐梁彎曲處的中位半徑R尺寸測(cè)量

圖7 某懸臂梁的半節(jié)寬度L測(cè)量

內(nèi)電極支撐梁半節(jié)寬度L尺寸測(cè)量結(jié)果如表3所示，

表4 內(nèi)電極支撐梁半節(jié)寬度L尺寸測(cè)量

將懸臂梁線寬B、彎曲處中位半徑R、半節(jié)懸臂梁寬度L的測(cè)量值和T、d、m內(nèi)及m外的設(shè)計(jì)參數(shù)值代入到式(2)、(3)、(4)、(5)中，得到響應(yīng)閾值a0=266 g，與全部設(shè)計(jì)參數(shù)值代入計(jì)算得到的響應(yīng)閾值391 g相比，B值、R值、L值對(duì)響應(yīng)閾值造成的相對(duì)誤差達(dá)到-32%。

從表2、表3、表4所顯示的B、R、L的測(cè)量結(jié)果看，三個(gè)參數(shù)中B的加工相對(duì)誤差比其他兩個(gè)參數(shù)R和L加工相對(duì)誤差明顯要大得多，這是由于線寬B本身絕對(duì)尺寸小和準(zhǔn)LIGA工藝(利用同步電磁輻射X光進(jìn)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(dāng)僅有B的測(cè)量尺寸代入，其余參數(shù)為設(shè)計(jì)參數(shù)值時(shí)，得a0=274 g，則B單獨(dú)造成的閾值相對(duì)誤差為-30%，占總相對(duì)誤差-43.7%的68.6%，因此內(nèi)電極線寬B是造成閾值相對(duì)誤差的主要因素。

而實(shí)際閾值220 g與全部設(shè)計(jì)參數(shù)值代入式(2)、(3)、(4)、(5)計(jì)算得到的響應(yīng)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(jié)懸臂梁寬度L造成的誤差，剩下的誤差是由厚度T、內(nèi)外電極間隙d、內(nèi)、外電極質(zhì)量m內(nèi)及m外相關(guān)參數(shù)的加工誤差以及理論計(jì)算與實(shí)際情況的差別造成的。

5 結(jié)論

1) 本文針對(duì)一種具有柔性電極的MEMS慣性萬(wàn)向開關(guān)，通過(guò)懸臂梁的剛度公式，得出了慣性開關(guān)的響應(yīng)閾值公式。

2) 對(duì)慣性開關(guān)的響應(yīng)閾值和加工尺寸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，懸臂梁線寬B平均誤差為-12%，中位半徑R和半節(jié)寬度L的平均誤差僅為-1.5%，線寬B容易出現(xiàn)較大誤差。

3) 通過(guò)閾值公式對(duì)各項(xiàng)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行分析，得出內(nèi)電極懸臂梁線寬B的加工誤差是影響開關(guān)閾值誤差的主要因素，占總誤差的68.6%。且從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，準(zhǔn)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(shí)可以對(duì)B、R、L的尺寸分別進(jìn)行+12%、+1.5%、+1.5%的補(bǔ)償，使開關(guān)成品的響應(yīng)閾值更加接近預(yù)期的數(shù)值。

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(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

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(shè)計(jì)與仿真研究。

10.11809/scbgxb2016.10.023

鄧鵬，吳玉斌，郝永平.MEMS萬(wàn)向開關(guān)加工誤差分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，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