带有低刚度电极的低g值无源惯性开关的研制

摘要

MEMS惯性开关具有体积小、成本低、可靠性高以及便于集成化等优点，在航空航天、电子通信、汽车工业以及安全运输等领域有着广阔的应用前景。本文以汽车安全气囊辅助系统中的加速度开关为研究对象，设计了一款单向敏感的低g值微型惯性开关，实现了快速响应、增强接触效果以及抗过载等功能，同时基于UV-LIGA技术完成了惯性开关的制作。最后采用落锤装置和离心机测试了开关的加速度阈值、响应时间和闭合时间等性能参数。 本文建立了开关的基本模型，研究了系统的加速度阈值、响应时间和闭合时间等性能的影响因素。分析了在加速度载荷作用下，质量块与固定电极的相对运动过程，探究了开关结构参数及环境载荷特性对系统性能的影响；揭示了系统闭合时间的主要影响因素为固定电极刚度。 在开关性能研究成果的基础上，结合开关的安全气囊应用环境，确定开关的设计方法。确定了开关在加速度脉宽下最合适的固有频率，进而对开关进行结构和尺寸设计。为实现开关低g值的性能要求，采用四根阿基米德螺旋梁作为支撑弹簧。质量-弹簧系统采用外支撑的形式，使得开关能够稳定地识别冲击信号。设计的固定电极为两段悬臂梁式的弧形结构，相比于一体式的圆环形结构电极具有更低的刚度，从而延长开关的闭合时间。设计在质量块中心位置的止挡柱结构，在过载情况下对弹簧起到了保护作用。最后，采用ANSYS仿真软件对设计完成的开关模型进行动态性能仿真分析。在20g、4ms的半正弦加速度作用下，开关响应时间和闭合时间分别为1.5ms和155μs。在500g过载加速度作用下，仿真得到的开关结构应力小于镍屈服极限，结果表明开关具有抗过载性。 采用叠层光刻、微电铸、溅射以及牺牲层等工艺进行了开关的制作。在制作过程中，引入线宽补偿的方法降低开关的制作误差。制得的开关整体尺寸为3850μm×3850μm×240μm，采用陶瓷片封装壳对制得的开关进行了封装。最后，采用落锤系统和离心机对开关分别进行了动、静态性能测试。测试结果表明开关的加速度阈值在20g~30g之间，对应的响应时间和闭合时间分别为2ms和240μs，且开关闭合无弹跳现象，表明开关具有较好的接触效果。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外MEMS惯性开关研究现状

1.2.1 低g值开关的研究现状

1.2.2 增强接触效果的研究现状

1.3 论文的主要研究内容

2 MEMS惯性开关的基本模型和性能影响因素分析

2.1 MEMS惯性开关的基本模型和工作频率分析

2.2 MEMS惯性开关的主要性能影响因素分析

2.2.1 加速度阈值性能分析

2.2.2 响应时间性能分析

2.2.3 闭合时间性能分析

2.3 本章小结

3 MEMS惯性开关的结构设计和动态性能仿真

3.1 开关的应用环境及设计目标

3.2 开关的固有频率设计

3.3 开关的结构设计

3.3.1 质量-弹簧系统设计

3.3.2 质量块-固定电极间隙设计

3.3.3 轴向电极设计

3.3.4 限位结构设计

3.3.5 开关整体结构及设计尺寸

3.4 开关动态性能仿真分析

3.4.1 响应性能分析

3.4.2 闭合性能分析

3.4.3 适应性能分析

3.4.4 抗过载性能分析

3.5 本章小结

4 MEMS惯性开关的加工制作

4.1 MEMS惯性开关的制作方案确定

4.2 MEMS惯性开关的制作流程

4.2.1 基底预处理

4.2.2 开关第一层结构制作

4.2.3 开关第二至第六层结构制作

4.2.4 开关的去胶释放

4.2.5 开关的封装

4.3 开关制作误差分析

4.4 尺寸测量

4.5 本章小结

5 MEMS惯性开关的性能测试

5.1 惯性开关的动态性能测试

5.1.1 实验装置及测试原理

5.1.2 动态测试结果分析

5.1.3 动态测试误差分析

5.2 惯性开关的静态性能测试

5.2.1 实验装置及测试原理

5.2.2 静态测试结果分析

5.2.3 静态测试误差分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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