低g值微型加速度开关器件关键技术研究

摘要

基于MEMS技术的微型加速度开关器件集信息探测、辨别和控制于一体，可感应外界加速度信号变化或冲击并触发相应电路，具有小体积、低功耗、低成本、高可靠性等特点，广泛应用于武器装备、汽车工业、航空航天、环境监测和智能终端等领域。阈值精度和导通时间是微型加速度开关器件的核心性能参数，论文针对微型加速度开关器件存在的阈值精度低、导通时间短等关键问题开展相关基础理论与关键技术研究，具有重要的科学意义和明确的应用需求。
　　论文基于武器弹药安保系统的应用环境特点和需求，在深入分析微型加速度开关器件研究现状基础上，提出了一种基于触点电极和增强压膜阻尼效应的微型加速度开关器件新结构，建立了基于触点电极的微型加速度开关器件动力学模型；提出了基于空气阻尼效应的冲击响应谱分析方法，分析了微型加速度开关器件的主要性能参数及其影响因素；分析了微型加速度开关器件技术指标，完成了微型加速度开关器件的结构优化设计，形成了相应的优化设计方法；开展了相关关键加工技术研究，研制出了微型加速度开关器件的原理样机；原理样机的阈值加速度为14.2~16.1g，阈值精度为±1g，响应时间和导通时间分别为0.69ms和40μs，抗冲击能力≥1000g，接触电阻为10~15Ω。
　　论文的主要研究工作：
　　①在深入分析微型加速度开关器件研究现状基础上，总结了目前存在的阈值精度低、导通时间段等主要问题，确定了论文的研究目标和研究内容；
　　②针对武器弹药安保系统对小体积、低g值、低成本、高阈值精度和高可靠性的微型加速度开关器件的迫切需求，提出了一种基于触点电极和增强压膜阻尼效应的微型加速度开关器件新结构，建立了相应的理论模型；提出了基于空气阻尼效应的冲击响应谱分析方法，分析了微型加速度开关器件的主要性能参数及其影响因素，形成了相应的结构优化方法；
　　③分析了应用环境特点与需求，确立了微型加速度开关器件的技术指标，基于建立的理论模型，结合冲击响应谱的分析结果，采用数值仿真和有限元仿真相结合的方法，完成了微型加速度开关器件结构的优化设计；
　　④开展了ICP干法刻蚀和阳极键合等关键加工技术研究，优化了相关工艺参数，解决了敏感结构释放时折叠梁的断裂和固定电极发黑等问题，提高了成品率；制定了微型加速度开关器件的加工工艺流程，完成了微型加速度开关器件原理样机的研制；
　　⑤研究了微型加速度开关器件的测试方法，搭建了振动测试平台，完成了各项性能指标的测试与分析。微型加速度开关器件的阈值加速度为14.2~16.1g，阈值精度为±1g，响应时间和导通时间分别为0.69ms和40μs；抗冲击能力达到1000g，接触电阻为10~15Ω；测试结果与仿真结果基本一致。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 微型加速度开关器件简介

1.3 微型加速度开关器件的研究现状

1.4 研究目标和研究内容

1.5 小结

2 微型加速度开关器件的相关理论研究

2.1 加速度开关器件运动平衡方程

2.2 加速度开关器件压膜阻尼特性分析

2.3 基于触点电极和增强压膜阻尼效应的微型加速度开关器件新结构

2.4 基于触点电极的微型加速度开关器件动力学模型

2.5 微型加速度开关器件主要性能参数分析

2.6 小结

3 微型加速度开关器件的结构优化设计

3.1 微型加速度开关器件主要技术指标

3.2 微型加速度开关器件总体优化思路

3.3 微型加速度开关器件的数值仿真优化

3.4 微型加速度开关器件的有限元仿真优化

3.5 小结

4 微型加速度开关器件的关键加工技术研究

4.1 关键加工技术

4.2 微型加速度开关器件的工艺流程及掩膜版图设计

4.3 小结

5 微型加速度开关器件的性能测试与分析

5.1 封装管壳选择

5.2 测试方法研究

5.3 测试平台搭建

5.4 测试结果与分析

5.5 测试结果比较

5.6 小结

6 结论与展望

6.1 论文工作总结

6.2 主要创新点

6.3 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间申报专利情况