基于微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的慣性傳感器已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、視頻游戲、交通運輸、安全和武裝系統(tǒng)等民用和軍用領(lǐng)域。對于慣性開關(guān)，其具有體積小、成本低、未觸發(fā)狀態(tài)下零功耗以及可批量生產(chǎn)等優(yōu)點。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的興起，市場對慣性傳感器的需求越來越大。在大多數(shù)情況下，慣性開關(guān)被設(shè)計為具有單一閾值，只能提供二進制“開/關(guān)”信息。然而，它們無法提供所經(jīng)歷的加速度的定量信息，而這正是某些應(yīng)用所需要的，例如根據(jù)所經(jīng)歷的沖擊程度對腦部撞擊損傷的嚴重程度進行分類。因此，人們希望開發(fā)一種多閾值慣性開關(guān)，其既能提供更多定量數(shù)據(jù)，同時保留慣性開關(guān)極具吸引力的節(jié)能優(yōu)勢。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，淮陰工學(xué)院、阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）、Silicon Austria Labs、紐約州立大學(xué)（State University of New York）的研究人員組成的團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Design, simulation, and testing of a tunable MEMS multi-threshold inertial switch”的論文，提出了一種基于懸臂型微梁的可調(diào)諧多閾值慣性開關(guān)，旨在對加速度大小進行分類，同時在未觸發(fā)狀態(tài)下節(jié)省功耗。該論文所提出的MEMS器件結(jié)合了加速度計提供定量加速度測量的優(yōu)點和g閾值開關(guān)在加速度低于閾值時處于非活動狀態(tài)時節(jié)省功耗的優(yōu)點。設(shè)計的具有兩個閾值的概念驗證器件由懸臂式微梁和放置在傳感方向不同位置的兩個固定電極組成。研究人員使用非線性梁模型對可調(diào)閾值能力以及沖擊持續(xù)時間對閾值加速度的影響進行了分析研究。并利用沖擊臺系統(tǒng)對制造的原型進行了測試。分析結(jié)果與實驗結(jié)果一致。所設(shè)計的MEMS慣性開關(guān)有望應(yīng)用于運輸和醫(yī)療保健應(yīng)用中的沖擊和沖擊載荷的分類。

器件設(shè)計與工作原理

該MEMS慣性開關(guān)的主要部件包括微懸臂梁、驅(qū)動電極、switch 1和switch 2（圖1a）。該器件由MEMSCAP代工廠通過SOIMUMPs工藝制造而成。器件的敏感方向垂直于襯底。微梁的長度L?=?L? + L?、深度為b、厚度為h。Switch 1和switch 2的活動電極和固定電極之間的距離分別為x?和x?。當(dāng)開關(guān)受到的加速度達到或高于設(shè)計的閾值水平時，活動電極會快速向前移動并接觸相應(yīng)的固定電極。梁的部分長度（L1）構(gòu)成平行板電極的一側(cè)，其與另一個電極的間隙距離為d。當(dāng)在兩個平行電極上施加偏置電壓時，就會產(chǎn)生靜電激勵，從而實現(xiàn)閾值的調(diào)節(jié)。

圖1 制造的MEMS慣性開關(guān)示意圖

數(shù)值模擬

圖2a和2b顯示了懸臂梁在不同直流電壓和持續(xù)時間為t??=?0.5 ms的加速度組合作用下的模擬動態(tài)響應(yīng)。圖2c顯示了偏置電壓與第一和第二閾值加速度之間的數(shù)值模擬關(guān)系。接著，研究人員研究了不同偏置電壓下沖擊持續(xù)時間對閾值加速度的影響，如圖2d所示。

圖2 微梁在不同沖擊加速度和直流負載下的數(shù)值模擬

加速度閾值測試

研究人員使用Lansmont的沖擊臺系統(tǒng)對制造的原型進行測試，利用靈敏度為8 mV/g的ADXL-193標(biāo)準(zhǔn)加速度計來校準(zhǔn)器件經(jīng)歷的加速度，如圖3a所示。當(dāng)沖擊臺從15 cm的起始高度自由下落時，產(chǎn)生的加速度為978 g，持續(xù)時間為0.5 ms，如圖3b所示。

圖3 沖擊臺實驗設(shè)置示意圖

圖4顯示了測試的慣性開關(guān)在敏感方向上受到不同幅度的加速度脈沖時的測量結(jié)果。起始高度逐漸增加，直到在1085 g的加速度脈沖時開始出現(xiàn)黃色信號，這被認為是第一閾值加速度（圖4a）。Switch 2在1523 g時剛好開啟，如圖4c中的綠色信號所示，這表明達到了第二閾值加速度。

圖4 微梁在不同沖擊加速度下的測試結(jié)果

為了研究偏置電壓對第一閾值加速度的影響，圖5a和5b顯示了靜電力和加速度力組合作用下的測試結(jié)果示例。從圖5a中的黃色信號可以看出，當(dāng)偏置電壓增加到5?V時，加速度為1057 g，switch 1剛剛被激活，這表明switch 1在5?V時達到了第一閾值加速度。類似地，第一閾值加速度在10 V時下降至974.48 g（圖5b）。

圖5 制造的慣性開關(guān)在不同沖擊加速度和直流負載下的測試閾值水平

圖2d顯示，數(shù)值模擬結(jié)果表明閾值加速度隨著沖擊周期的增加而增加。接下來，研究人員通過實驗驗證了這個結(jié)論。圖6a和6b顯示了所制造的器件在不同沖擊脈沖下的閾值加速度的第一次測試。這些結(jié)果與之前圖2d中給出的數(shù)值模擬一致。

圖6 所制造的慣性開關(guān)的第一閾值水平加速度的測試結(jié)果

綜上所述，這項研究成功設(shè)計、模擬和測試了多閾值MEMS可調(diào)諧慣性開關(guān)。設(shè)計的器件旨在提供有關(guān)所施加加速度水平的更多定量信息，同時保留二進制慣性開關(guān)的顯著節(jié)能優(yōu)勢。通過理論分析確定了開關(guān)的動態(tài)響應(yīng)、偏置電壓和沖擊持續(xù)時間對閾值加速度的影響。研究人員使用沖擊臺系統(tǒng)對制造的慣性開關(guān)原型進行了實驗測試。實驗結(jié)果表明，多閾值慣性開關(guān)可以提供定量的加速度測量，并在零電壓下檢測范圍為1085至1600 g加速度。測試的閾值加速度隨著偏置電壓的增加而減小，并且t??=?0.3?ms時的閾值加速度小于t??=?0.72?ms時的閾值加速度。模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)十分吻合。未來的工作方向可能是實現(xiàn)更高的分辨率，并進一步增強慣性開關(guān)的可調(diào)閾值能力。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00662-z

審核編輯：劉清