一种基于悬臂型微梁的可调谐多阈值惯性开关的设计、模拟与测试

基于微机电系统（MEMS）技术的惯性传感器已被广泛应用于医疗保健、视频游戏、交通运输、安全和武装系统等民用和军用领域。对于惯性开关，其具有体积小、成本低、未触发状态下零功耗以及可批量生产等优点。

随着物联网（IoT）的兴起，市场对惯性传感器的需求越来越大。在大多数情况下，惯性开关被设计为具有单一阈值，只能提供二进制“开/关”信息。然而，它们无法提供所经历的加速度的定量信息，而这正是某些应用所需要的，例如根据所经历的冲击程度对脑部撞击损伤的严重程度进行分类。因此，人们希望开发一种多阈值惯性开关，其既能提供更多定量数据，同时保留惯性开关极具吸引力的节能优势。

据麦姆斯咨询报道，近日，淮阴工学院、阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）、Silicon Austria Labs、纽约州立大学（State University of New York）的研究人员组成的团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Design, simulation, and testing of a tunable MEMS multi-threshold inertial switch”的论文，提出了一种基于悬臂型微梁的可调谐多阈值惯性开关，旨在对加速度大小进行分类，同时在未触发状态下节省功耗。该论文所提出的MEMS器件结合了加速度计提供定量加速度测量的优点和g阈值开关在加速度低于阈值时处于非活动状态时节省功耗的优点。设计的具有两个阈值的概念验证器件由悬臂式微梁和放置在传感方向不同位置的两个固定电极组成。研究人员使用非线性梁模型对可调阈值能力以及冲击持续时间对阈值加速度的影响进行了分析研究。并利用冲击台系统对制造的原型进行了测试。分析结果与实验结果一致。所设计的MEMS惯性开关有望应用于运输和医疗保健应用中的冲击和冲击载荷的分类。

器件设计与工作原理

该MEMS惯性开关的主要部件包括微悬臂梁、驱动电极、switch 1和switch 2（图1a）。该器件由MEMSCAP代工厂通过SOIMUMPs工艺制造而成。器件的敏感方向垂直于衬底。微梁的长度L = L₁ + L₂、深度为b、厚度为h。Switch 1和switch 2的活动电极和固定电极之间的距离分别为x₁和x₂。当开关受到的加速度达到或高于设计的阈值水平时，活动电极会快速向前移动并接触相应的固定电极。梁的部分长度（L1）构成平行板电极的一侧，其与另一个电极的间隙距离为d。当在两个平行电极上施加偏置电压时，就会产生静电激励，从而实现阈值的调节。

图1 制造的MEMS惯性开关示意图

数值模拟

图2a和2b显示了悬臂梁在不同直流电压和持续时间为t₀ = 0.5 ms的加速度组合作用下的模拟动态响应。图2c显示了偏置电压与第一和第二阈值加速度之间的数值模拟关系。接着，研究人员研究了不同偏置电压下冲击持续时间对阈值加速度的影响，如图2d所示。

图2 微梁在不同冲击加速度和直流负载下的数值模拟

加速度阈值测试

研究人员使用Lansmont的冲击台系统对制造的原型进行测试，利用灵敏度为8 mV/g的ADXL-193标准加速度计来校准器件经历的加速度，如图3a所示。当冲击台从15 cm的起始高度自由下落时，产生的加速度为978 g，持续时间为0.5 ms，如图3b所示。

图3 冲击台实验设置示意图

图4显示了测试的惯性开关在敏感方向上受到不同幅度的加速度脉冲时的测量结果。起始高度逐渐增加，直到在1085 g的加速度脉冲时开始出现黄色信号，这被认为是第一阈值加速度（图4a）。Switch 2在1523 g时刚好开启，如图4c中的绿色信号所示，这表明达到了第二阈值加速度。

图4 微梁在不同冲击加速度下的测试结果

为了研究偏置电压对第一阈值加速度的影响，图5a和5b显示了静电力和加速度力组合作用下的测试结果示例。从图5a中的黄色信号可以看出，当偏置电压增加到5 V时，加速度为1057 g，switch 1刚刚被激活，这表明switch 1在5 V时达到了第一阈值加速度。类似地，第一阈值加速度在10 V时下降至974.48 g（图5b）。

图5 制造的惯性开关在不同冲击加速度和直流负载下的测试阈值水平

图2d显示，数值模拟结果表明阈值加速度随着冲击周期的增加而增加。接下来，研究人员通过实验验证了这个结论。图6a和6b显示了所制造的器件在不同冲击脉冲下的阈值加速度的第一次测试。这些结果与之前图2d中给出的数值模拟一致。

图6 所制造的惯性开关的第一阈值水平加速度的测试结果

综上所述，这项研究成功设计、模拟和测试了多阈值MEMS可调谐惯性开关。设计的器件旨在提供有关所施加加速度水平的更多定量信息，同时保留二进制惯性开关的显著节能优势。通过理论分析确定了开关的动态响应、偏置电压和冲击持续时间对阈值加速度的影响。研究人员使用冲击台系统对制造的惯性开关原型进行了实验测试。实验结果表明，多阈值惯性开关可以提供定量的加速度测量，并在零电压下检测范围为1085至1600 g加速度。测试的阈值加速度随着偏置电压的增加而减小，并且t₀ = 0.3 ms时的阈值加速度小于t₀ = 0.72 ms时的阈值加速度。模拟结果与实验数据十分吻合。未来的工作方向可能是实现更高的分辨率，并进一步增强惯性开关的可调阈值能力。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00662-z

审核编辑：刘清