惯性微流体导电开关的稳健优化设计

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1、西南科技大学硕士研究生学位论文第3页制出了一种微加速度开关，主要应用于汽车安全装置。作者提出利用气膜阻尼效应来延缓开关的有效接触时间，开关接触电阻为600Q，触发时开关接触时间仅为6ms。由于需要开关封装外壳具有高密封性和抗压能力来保证气膜阻尼，因而制约了开关的可加工性。为了增强固体触点电极的接触效果，延长接触时间，上海交通大学微纳科学技术研究所丁桂甫等研制出一种具有反向冲击保护的非硅衬底微惯性开关”⋯，如图1—2所示。通过落锤实验验证：在1009加速度作用下．其响应时间约为O．4ms，质量块电极和弹性梁电极的有效接触时间约为1211m。日动电掇图1—2具有反向冲击保护的微

2、惯性开关Flg1—2TheinertIaI㈣iroswitchagainstreverseimpact针对冲击加速度作用时间短暂(<100ps)的状况．为延长开关接触时间．中科院上海微系统与信息技术研究所贾孟军m等人研制出一种阈值可调整闭锁式冲击加速度开关e利用静电吸台效应实现阈值调整和开关闭锁双重功能。作者推导出了结构参数与加速度阈值的解析关系式，给出了Coventor—ware仿真结果，并通过落锤实验验证了开关具有闭锁功能。除此之外，韩国科学技术研究院(KIST)Jeung等m，设计出一种闽值可调节惯性开关．通过在内电极上加载相应的偏置电压形成与外部惯性力对等的静电力，

3、从而实现加速度阐值调节功能。该种微惯性开关在一定程度上可以满足不同加速度闽值范围的需求，但由于缺乏理论分析和足够的实验数据，并没有明确给出压曲(Buckled)粱结构、内电极偏置电压、加速度阈值之间的约束关系。虽然吸合或突弹跳变效应可以实现加速度闽值的调节．却引入——一亘堕壁堇茎兰塑圭堡塞竺兰焦鲨皇蔓!里了电磁干扰的误操作m，。为了保证连接稳定性和降低开关误操作的风险，引入了双稳态锁定机制，但这势必增加设计复杂度。传统惯性开关的质量块与触点总是作为一个整体．因此开关一旦进入锁定状态，质量块的振动、回弹或加速度的过载都会造成触点的脱落损坏。针对上述弊端北京大学微电子研究院z．

4、Y．Gou等m，设计了一种质量块与触点分离式的多触点惯性开关，如图1．3所示。采用四组分别独立的质量块触点结构，通过两个对称的L型梁结构实现闭锁机制，通过实验测试可耐受45009冲击，最大允许通过电流100mA。图卜3带有闭锁机制的微惯性开关Fig1-3Accel⋯tionarchingswitch正如上文分析t通过惯性开关结构的优化并不能完全解决灵敏度与可靠性等问题，因此．对材料及加工工艺也提出了改进要求。2003年，德国UIm大学的PSchmid等“”采用多晶态金刚石实现了加速度开关的制作。事实证明多晶态金刚石可以明显改善开关的动态特性，例如：与传统的硅材料相比．多晶态

5、金刚石具有较高的热传导系数，能提高电流的过载能力；同时具有较高的硬度以及不易被氧化，可以避免接触磨损和接触钝化，延长开关寿命，尤其是在大电流下，可避免触点的粘连效应。德国Bremen大学””改进了一种工艺方法．可直接将加速度阈值传感器电镀在CMOS信号处理电路上。利用这种改进的电镀技术(AET)成功解决了软金属材料(Au)作为接触电极带来的接触粘连效应。上海交通大学微纳科学技术研究所丁桂甫的等mt采用叠层电镀方法制作了惯性开关的金属封装壳，提供了可靠的封装．保证开关在较大的压力冲击下不受损坏。西南科技大学硕士研究生学位论文第5页除此之外-美国Wisconsin大学Shamu

6、s等¨

7、·提出了一种改良的牺牲层LIGA工艺(modifiedsacrificialLIGAtechnique)用于制作加速度阐值等间隔分布在10～159具有19个单元的加速度闽值阵列。德国Bremen大学微传感器、执行器与系统研究所(IMSAS)J．NoetzaI等m，人将3D—UV微加工工艺(3DUVMicroformtechnology)与牺牲层技术结合实现了高深宽比悬臂粱结构的加速度开关阵列。香港科技大学的Ma等m·指出采用一种低温金属电镀工艺研制惯性微开关。在系统建模与参数优化设计方砸，美国桑地亚国家实验室(SandiaNationalLaboratories)F

8、ield等““，在常开和常闭两种情况下，对“弹簧．阻尼-质量块”式惯性开关建立了随机动态模型，将系统等效为一个典型的非线性冲击碰撞模型，并将负载视为平稳随机过程。西安电子科技大学贾建援等对永磁微加速度开关建立了含有永磁力、惯性力、气膜阻力等动力学模型m，。综上所述，设计中仍以反复加工，试验(trialandei．ror)方法为主，然而在加速度开关基础设计理论、研究方法等方面缺乏行之有效的思路。1．2．2微流体开关为克服固体触点开关的上述缺点，同时也受到宏观尺度下汞开关的启发，美国托4{{大学洛杉矶分校J鼬m簪剐于1