可識別載荷方位區間的MEMS萬向慣性開關

孔 南，席占穩，聶偉榮，曹 云，余平新

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094)

可識別載荷方位區間的MEMS萬向慣性開關

孔 南，席占穩，聶偉榮，曹 云，余平新

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094)

針對現有MEMS萬向慣性開關不具備識別沖擊載荷方位的問題，提出了可識別載荷方位區間的MEMS萬向慣性開關。該開關主要由慣性質量塊，四個獨立的徑向電極和一個軸向電極組成。通過采用特殊形狀的慣性質量塊以及在空間上合理布置四個相互獨立的徑向電極和一個軸向電極，開關可以依靠不同的電極閉合狀態達到識別載荷方位區間的目的。仿真結果表明，所設計的萬向慣性開關能夠有效識別加速度載荷的空間方位且具有良好的抗過載性能。

MEMS；慣性開關；方位識別

0 引言

MEMS慣性開關是采用微加工技術制造的加速度傳感器，它利用慣性敏感元件將加速度信號轉換為開關電極之間的位移信息，然后通過電極接觸觸發相應電信號，從而達到區分加速度載荷大小的功能。由于其體積小、重量輕、能耗低、抗過載能力強、抗電磁干擾能力強、響應時間短、便于與數字電路集成等優點，MEMS慣性開關在工業振動檢測、汽車工業、武器彈藥等領域具有巨大的應用前景[1-5]。

近年來隨著MEMS慣性開關從單軸向敏感到多軸向敏感，從單閾值到多閾值的發展，國內外研究人員設計了多種MEMS慣性開關。Luke J.Currano等人將閾值不同的五個開關集成在一起制造了一個能夠區別X，Y，Z方向加速度的多閾值慣性開關[6]。在我們以前的工作中，也研制了多種帶有柔性電極的萬向慣性開關[7-8]。但是這些均只是針對加速度大小的開關，并不能識別出所受載荷的方位信息。然而物體所受載荷的方位是一個重要的信息，在定向起爆戰斗部等方面可識別載荷方位的開關有著巨大的應用潛力。

一般的戰斗部其殺傷元素的靜態分布基本上是圍繞戰斗部縱軸沿徑向均勻分布的。在軸向，殺傷元素集中在“飛散角”這一或寬或窄的區域內，不管目標位于戰斗部的哪個方位，在戰斗部爆炸瞬間，目標在戰斗部殺傷區內只占很小一部分，戰斗部殺傷元素的大部分并未得到利用[9]。通過在引信中引入可識別載荷方位區間的MEMS萬向慣性開關，彈丸碰擊目標時，開關可以識別出目標相對于彈丸的方位區間，并實施戰斗部的定向起爆，這將大大增加了戰斗部對目標的殺傷能力。本文針對上述問題，提出了可識別載荷方位區間的MEMS萬向慣性開關。

1 結構設計與理論分析

1.1 開關結構

開關整體結構如圖1所示，主要由慣性質量塊、支撐彈簧、軸向電極、徑向電極、限位止擋柱、錨點、襯底等部分構成。開關襯底材料為硅，其他部分均為金屬鎳材料。帶有矩形凸起的環形質量塊由四個蛇形彈簧支撐并通過錨點固定在絕緣襯底上。在質量塊的徑向平面內，四個相互獨立的徑向電極均勻分布在質量塊的周圍，且與質量塊保持一定的徑向間隙。支撐彈簧采用的S型錐彈簧，不僅保證質量塊可以有較大的位移響應，也使得結構具有良好的拉伸壓縮穩定性[10]。徑向電極采用L形懸臂梁的形式，使得開關具有良好的接觸性能，不僅能提高開關在閉合過程的穩定性和可靠性，也延長了開關閉合時間。環形軸向電極設置在質量塊的上方并與質量塊保持一定的軸向間隙。限位止擋柱位于質量塊的中心，用于限制質量塊的過大位移，保護開關在過載加速度作用下不被損壞。

圖1 慣性微開關結構Fig.1 Scheme of the inertia micro-switch device

1.2 方位區間識別原理

當慣性開關受到徑向的加速度作用時，質量塊沿徑向運動與徑向電極的觸點接觸。當有沿軸向(Z軸)方向的加速度作用時，質量塊沿軸向運動與環形軸向電極接觸。當加速度方向與軸向方向成一定角度時，如圖2所示，將慣性力分解到Z軸方向以及XOY平面內，Z軸方向的分量使質量塊沿Z軸運動與軸向電極接觸，XOY平面的分量使質量塊沿徑向運動與徑向電極接觸。

圖2 加速度方位示意圖Fig.2 Acceleration orientation schematic

載荷的空間方位是由平面角θ(載荷在XOY平面的分量與X軸夾角)和空間角δ(載荷與XOY平面的夾角)共同決定的。因此載荷的空間方位識別可視為對θ，δ兩個角度的識別。

開關對平面角θ的識別是依靠開關在工作過程中四個徑向電極的閉合狀態不同來實現的。如圖3(a)所示，在沖擊載荷作用下質量塊只與四個徑向電極中的一個電極接觸(例如電極1)并形成閉合通路時，可判斷平面角θ處于Ⅰ和Ⅷ區即(315°～45°)內。當質量塊分別與徑向電極2、3、4單獨接觸時，情況與之類似。同理，如圖3(b)所示，在沖擊載荷作用下質量塊與四個徑向電極中相鄰的兩個電極(例如徑向電極1和2)同時接觸，并形成兩個閉合通路時，可判斷平面角θ處于Ⅰ和Ⅱ區即(0°～90°) 內，當質量塊分別與徑向電極2和3、3和4、4和1同時接觸時，情況與之類似。

圖3 電極閉合狀態示意圖Fig.3 Contact state of the electrodes schematic.

為了檢測電極的閉合狀態，本文采用電阻網絡的形式設計一種電極閉合狀態檢測電路，如圖4(a)所示。其中開關K1，K2，K3，K4分別代表圖3中徑向電極1，2，3，4的閉合。開關K5代表軸向電極的閉合。VI為電路的輸入，VO1和VO2分別為開關的徑向和軸向輸出，具體電路與結構連接如圖4(b)所示。因為電極閉合狀態的不同會引起電阻網絡接通電阻發生變化，從而引起輸出電壓VO1和VO2的改變。因此通過VO1和VO2的輸出情況來檢測徑向電極和軸向電極的閉合狀態以及閉合順序是可行的。因為開關的結構設計使得質量塊在運動時至多與兩個徑向電極同時接觸，所以徑向電極可能有下述的8種狀態。具體的徑向電極閉合狀態與輸出電壓VO1以及載荷平面角θ方位對應關系如表1所示。

圖4 電極閉合狀態檢測電路Fig.4 The circuit of detecting state of electrodes

表1 徑向電極的閉合狀態與電路輸出、載荷平面角θ方位的對應關系

Tab.1 The corresponding relationship of the electrode state ，circuit output and orientation intervals ofθ

閉合狀態閉合電極輸出電壓VO1平面角θ所處方位區間狀態112/3VIⅠ和Ⅷ(315°～45°)狀態221/2VIⅡ和Ⅲ(45°～135°)狀態331/3VIⅣ和Ⅴ(135°～225°)狀態441/4VIⅥ和Ⅶ(225°～315°)狀態51和23/4VIⅠ和Ⅱ(0°～90°)狀態62和33/5VIⅢ和Ⅳ(90°～180°)狀態73和45/11VIⅤ和Ⅵ(180°～270°)狀態84和17/10VIⅦ和Ⅷ(270°～0°)

圖5 開關結構模型Fig.5 The model of switch structure

表2 軸、徑向電極的閉合順序與電路輸出情況以及空間角δ所處區間的對應關系

Tab.2 The corresponding relationship of the axial and radial electrodes closing sequence， the circuit output and the orientation intervals of δ

可能狀態軸、徑向電極閉合順序電壓輸出情況δ角方位區間狀態1徑向閉合、軸向未閉合VO1有輸出VO2無輸出①區即(0°～δ1)狀態2徑向先于軸向閉合VO1先于VO2輸出①區即(0°～δ1)狀態3軸向閉合、徑向未閉合VO2有輸出VO1無輸出③區即(δ2～90°)狀態4軸向先于徑向閉合VO2先于VO1輸出③區即(δ2～90°)狀態5軸、徑向同時閉合VO1與VO2同步輸出②區即(δ2～δ1)

表2中，δ1=tan-1(d1/rmin)=60.95°，δ2=tan-1(d1/rmax)=48.37°，表1中8種徑向電極閉合狀態都可視作“徑向閉合”。“軸向閉合”只有一種狀態，此時VO2的輸出電壓為VI，空間角δ分區見圖7。

因此通過載荷平面角θ的8個區位識別和在空間角的δ的3個區位識別，我們可以實現加速度載荷在整個半球面空間內的方位區間識別。

圖6 δ1和δ2的空間示意圖Fig.6 The schematic diagram of δ1 and δ2 in the space

圖7 空間角δ區位劃分Fig.7 Geographical division of the δ

2 仿真分析

開關結構采用電鑄鎳材料，其彈性模量為180 GPa，泊松比為0.312，密度為8 910 kg/m3，屈服應力為160 GPa[11-13]。開關主要結構參數如表3所示，采用ANSYS Workbench建立開關的有限元模型如圖8所示，并對其進行仿真分析。

圖8 微開關有限元模型Fig.8 Microswitch finite element model

2.1 模態分析

彈簧質量系統前四階模態如圖9所示。第一，第二階振型分別為質量塊沿X方向與Y方向的平動，模態頻率分別為1 492 Hz，1 492.2 Hz。第三階振型為垂直質量塊平面的上下振動，模態頻率為1 747.5 Hz。開關的第四階振型為繞Z軸的旋轉運動，模態頻率為3 265 Hz，遠離前三階工作模態，可避免在工作過程中質量塊發生翻轉和扭轉。

圖9 彈簧質量系統的前四階模態頻率Fig.9 The first four natural frequencies of the spring-mass system

2.2 開關閾值分析

由于彈丸撞擊目標過程相當復雜，目標介質，彈丸的入射角度和入射速度對前沖力的大小都有很大影響。對于土壤、混泥土、鋼板、木材、水等不同目標介質，一般都釆用半經驗公式來求得前沖力具體大小。有仿真表明[14]，當彈丸的初速度分別為600 m/s，750 m/s和900 m/s時，侵徹混凝土介質時的加速度脈寬分別為600 μs，450 μs和350 μs左右；侵徹鋼板層時的加速度脈寬分別為1 200 μs，900 μs和700 μs左右，因此本文暫選用脈寬為1 ms半正弦沖擊信號對開關進行仿真。通過在X軸施加脈寬為1 ms，幅值可變的半正弦波信號，利用ANSYS Workbench軟件仿真慣性開關在X軸方向的閾值。設定質量塊與徑向電極之間的初始間隙為50 μm， 當幅值為290g時，質量塊的最大位移為50 μm，慣性開關恰好接通，因此可知開關在X軸方向的閾值加速度ath為290g，如圖10所示。

為了進一步驗證開關在不同方向上的閉合閾值，分別在平面角θ為0°，15°，30°，45°，空間角δ為0°，15°，30°， 45°，60°，75°，90°方向上施加脈寬為1 ms，幅值變化的半正弦加速度信號，求得開關在三維空間的閾值分布如表4-表6所示。

圖10 不同加速度下質量塊的位移時間曲線Fig.10 Displacement-time curve of the mass under different acceleration

θ/(°)0153045ath/g290300335410閉合電極1111&2

表5 X45OZ平面內開關的閾值

表6 X0OZ平面內開關的閾值

表中，“1”，“1&2”，“軸”分別為“徑向電極1”、“徑向電極1和2”、“軸向電極”。

由表4-表6可以看出開關在徑向平面內閾值加速度大小的為290～410g之間，沿軸向方向閾值在763g。在整個半球面內閾值的最大值796g出現在θ=45°，δ=60°處，閾值的最小值290g出現在θ=0°，δ=0°(沿X軸方向)。

2.3 方位識別仿真驗證

開關在空間角δ=0°，載荷平面角θ為0°，22.5°，30°，40°，45°的方向上分別施加脈寬1 ms幅值470g的半正弦加速度載荷仿真開關徑向電極的接觸狀態，如表7所示。

表7 不同方向施加470 g-1 ms載荷時開關徑向電極閉合狀態

由表7可以看出在XOY平面內不同方向施加470g-1 ms載荷，在載荷平面角較小時(0°，22.5°，30°，38°)，只有徑向電極1閉合，在載荷平面角較大時(40°，45°)，徑向電極1和2均閉合。為了準確得到在470g-1 ms載荷下開關的單一電極閉合區和雙電極閉合區，在30°～40°之間改變θ做進一步仿真，得到單一電極閉合區和雙電極閉合區的臨界角度為39°，如圖11(c)所示，此時質量塊與電極1接觸，電極2剛好達到臨界接觸。因此470g-1 ms加速度載荷下開關的單一電極閉合區為(0°，39°)，雙電極閉合區為(39°，45°)，也就是說在470g-1 ms加速度載荷下，只有電極1閉合時，加速度方向位于(0°，39°)，電極1和2均閉合時，加速度方向位于(39°，45°)。

同理可以得到開關在410g-1 ms，430g-1 ms，550g-1 ms，600g-1 ms加速度載荷作用下的單一電極閉合區和雙電極閉合區的臨界角分別為45°，42°，38°，38°，如圖11(a)，11(b)，11(d)，11(e)所示。在圖11(d)和(e)中的質量塊位移曲線有明顯的突變轉折是因為此時加速度載荷過大，限位止擋柱已經起到限位止擋的作用。由于限位止擋柱的作用，開關在過載加速度下(大于550g-1 ms)單一電極閉合區和雙電極閉合區的臨界角將保持不變。由圖11中五幅圖可以看出在加速度幅值小于550g時隨著加速度載荷幅值的增大，單一電極閉合區和雙電極閉合區的臨界角不斷減小，當加速度幅值大于550g時臨界角將保持為38°不再變化。因此單一電極閉合區和雙電極閉合區的臨界角始終落在[38°，45°]中，驗證了平面角θ的區位識別方案是可行的，即不管加速度幅值如何變化，當開關電極1和2均閉合時可判斷此時開關所受加速度載荷平面角θ在[0°，90°]區間內，當開關只有電極1閉合時可判斷此時開關所受加速度載荷平面角θ在[315°，45°]區間內。

開關在平面角θ=0°，空間角δ為0°，30°，45°， 60°，65°，70°，75°，90°的方向上分別施加脈寬1 ms幅值為1.2倍各方向閾值的半正弦加速度，仿真開關軸、徑向電極的響應時間如表8所示。

表8 不同δ下軸、徑向電極響應情況

由表8可以看出當δ為0°，30°時開關只有徑向電極閉合；當δ為45°，60°時開關徑向先于軸向電極閉合；當δ為65°，70°時開關軸向先于徑向電極閉合；當δ為75°，90°時開關只有軸向電極閉合，仿真結果與表2中所描述一致，因此驗證了通過軸、徑向電極閉合的閉合狀態及先后順序來識別載荷空間角δ的方案是可行的。

2.4 開關抗過載性能分析

彈丸在意外跌落和發射時的后坐載荷都能夠達到上萬g，為保證MEMS萬向開關的正常工作，開關在這些高過載條件下，不能發生斷裂或塑性變形，即開關受到的最大應力不能超過材料屈服極限。當加速度為20 000g時質量塊與限位止擋柱接觸，由于止擋柱的作用質量塊的運動位移只能為80 μm。如圖12所示，開關結構在20 000g的加速度作用下，質量塊運動到最大位移處，支撐彈簧和徑向電極上的應力分布云圖。此時支撐彈簧和徑向電極的最大應力為626 MPa，小于電鑄鎳材料的屈服極限1 600 MPa，且最大應力出現在徑向電極根部，故開關能夠抵抗20 000g的高過載。

圖12 在20 000 g加速度載荷下的開關結構的應力云圖Fig.12 Stress cloud of the switch structure under 20 000 g acceleration load

3 結論

本文提出了可識別載荷方位區間的引信用MEMS慣性開關。該開關采用帶有矩形凸起的環形質量塊作為可動電極，在徑向平面內布置了四個均勻分布的L形懸臂梁作為徑向電極、軸向方向布置了一個環形軸向電極。開關可以依靠工作過程中電極閉合狀態的不同達到識別載荷方位區間的目的。仿真結果表明，開關可以有效識別沖擊載荷的空間方位且可以承受20 000g高過載沖擊。

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MEMS Omni-directional Inertial Switch with Load Azimuth Interval Identify

KONG Nan, XI Zhanwen, NIE Weirong, CAO Yun,YU Pingxin

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to solve the problem of lack of ability to identify the azimuth interval of impact load, a MEMS inertial switch was designed to distinguish interval azimuth of load. The switch was mainly composed of inertial mass, four radial electrodes and an axial electrode. With four separate radial electrodes and an axial electrode arranged around the inertial mass, the switch could distinguish azimuth interval of impact load by detecting contact state of electrodes. The simulation results indicated that the switch could effectively identify the azimuth interval of impact load in the space and had a good anti-overload performance.

MEMS; inertial switch; azimuth interval recognition

2016-12-08

國家自然科學基金項目資助(51475245)

孔南(1990—)，男，河南南陽人，碩士研究生，研究方向：微機電系統設計。E-mail:njustkongn@sina.com。

TJ430

A

1008-1194(2017)02-0013-06