基于非硅衬底的微机电系统惯性开关的研制

以非硅表面微加工技术为基础,在玻璃衬底上设计和制造一种简单可靠并有反向冲击保护的单向一次触发微机电系统(Micro electro-mechanical system,MEMS)惯性电学开关.该设计采用连体蛇形弹簧将可动电极(质量块)悬空固定,用挡块作为反向冲击保护,其敏感方向为平行于衬底面的水平方向,整个器件使用成本较低而又方便的叠层电镀镍工艺制作.通过对弹簧一质量块系统运动过程的理论分析和有限元仿真,研究器件阈值加速度与其质量块厚度的关系,并用落锤试验对封装器件的阈值加速度以及峰值为100g(g=9.8 m/s2)半正弦冲击下的响应进行了测试,得到该微开关的阈值加速度分布在58g～72g,基本符合预期设计的60g阈值加速度要求,响应时间约为10-4s量级,与有限元仿真结果吻合较好.     

基于阿基米德螺旋线的低g值微惯性开关

低g值惯性开关是一种对线加速度敏感并在施加的加速度作用下完成闭合的惯性装置。由于微小尺寸的限制,低g值(1-30 g)惯性开关只能设计为微质量块和低刚度支撑梁的结构。为了获得低刚度,设计了基于阿基米德螺旋线的平面螺旋梁结构。微开关由一个带触点的基座、一个惯性敏感单元以及框架和封盖组成。惯性敏感单元则由一个居中的质量块和支撑它的螺旋梁组成。在加速度作用下可动的质量块发生位移,与其下的触点接触,实现开关的闭合。惯性敏感单元采用有限元软件ANSYS进行分析,采用UV-LIGA工艺制作。进行了离心试验以获得低g值惯性开关的闭合门限。经3次测试,闭合门限值分别为21.22,21.39和21.20g,平均值为21.27g。测试结果表明,低g值惯性开关具有0.5g的闭合精度,多次测试重复性较好。     

用于MEMS惯性开关的微弹簧有限元动力学分析

设计水平和垂直方向两种驱动形式MEMS( micro-electro-mechanical system)惯性开关,应用ANSYS10.0有限元软件对其中的镍质微弹簧结构进行实体建模和动力学模拟分析,得到其在动载荷下的应力分布情况和端部位移响应曲线,并比较静动载荷下结构参数对微弹簧水平和垂直方向上弹性常数( klevel和kvertic)的影响规律.文中的有限元动力学分析方法为较准确地评定类似MEMS微弹簧弹性常数提供一条有效途径,具有工程实际应用价值,特别是为动载荷下工作的惯性类微器件中弹簧的进一步优化与加工提供重要依据.     

磁流变液技术在惯性开关中的应用研究

将磁流变液技术应用到惯性开关的设计研发中,利用磁流变液粘度和剪切屈服强度的可控性,将磁流变液的工作区域限定在一个特定长方体区域内。磁流变液惯性开关是一个活塞结构,活塞动子为开关的动电极,活塞壳为开关定子电极。开关动子电极在做闭合运动时需要克服磁流变液的粘性力,因此开关动子电极必须具有一定大小的能量才能与定子电极接触,该临界能量值即为开关阈值。该阈值的大小与磁流变液粘度大小有关,因此可以通过改变外部磁场来改变磁流变液的粘度,进而改变磁流变液惯性开关的阈值。阐述了开关的新型结构与机理,并用实验对开关机理进行了论证。实验证明,开关理论模型与实验数据相符。     

用于低gn值微惯性开关的低刚度平面微弹簧设计与制作

针对低gn值微惯性开关对微弹簧系统刚度的要求(0.1～1 N/m数量级),设计了一种基于平面矩形螺旋梁结构的平面微弹簧.假设材料均匀、连续且具各向同性,根据材料力学的卡氏定理和线弹性理论,推导得到了微弹簧的弹性系数计算公式,并根据ANSYS有限元仿真分析结果对其进行了修正.基于多层高深宽比硅台阶刻蚀方法,采用MEMS体...     

抗高过载微流体惯性开关

基于微连通器结构,提出了一种使用盐水(Na Cl溶液)作为工作流体且具有高的抗过载能力的微流体惯性开关。分析了液滴的分离机理,设计了开关的流道结构。然后,对开关进行了理论分析,建立了开关模型。最后,利用流体动力学仿真和样机实验相结合的方法,对开关结构和功能进行了验证。验证结果显示:在幅值为30 000 g阶跃型加速度作用下,开关的工作流体仍未发生分离,加速度的幅值与开关响应时间相关。另外,开关样机能够使盐水液面形成高度差,样机的静态加速度阈值为134.6 g~152.3 g,非常接近其理论计算的加速度阈值142.7 g。得到的结果表明,采用的微连通器结构能够极大地增强微流体惯性开关的抗液体分离能力,能够对加速度幅值进行区分,并实现闭锁功能,同时显示了高的抗过载能力。     

齿形结构的长脉冲敏感型微加速度开关

针对智能武器电源管理系统对开关闭锁和断开的要求,提出了一种长脉冲敏感型微加速度开关。该开关带有齿形结构的悬空质量块和齿形导杆,通过质量块和导杆在运动过程中相互碰撞实现能量耗散,从而具有在高幅值窄脉冲加速度作用下保持断开,在低幅值长脉冲加速度作用下可靠闭锁的功能。介绍了开关结构和工作原理,对开关进行了理论分析和有限元分析,并对开关模型进行了简化。采用UV-LIGA技术制作了开关样机,利用样机试验和有限元分析相结合的方法验证了开关的功能。有限元仿真结果表明,该开关在3 000 g/3ms半正弦加速度作用下可靠闭锁。旋转台离心试验显示,开关的静态闭锁阈值为2 385.3 g~2 475.6 g。落锤冲击试验和有限元仿真结果均表明,开关在15 000 g/0.3ms半正弦加速度作用下没有闭锁。得到的结果表明该开关满足设计要求,能够应用于对加速度脉宽有区分要求的场合。     

多学科设计优化方法及其在微型飞行器设计中的应用

微型飞行器是复杂的微机电系统,研究涉及微机械设计,微结构力学,微动力学,微流体力学,微气体动力学,微热学,微摩擦学,电子控制等多个学科,阐述了多学科设计优化方法的基本思想,综合考虑了微型飞行器设计在推力,重量,控制,通讯导航等方面的限制要求,探讨了该方法在微型飞行器设计中的应用,并给出了初步应用范例。     

微惯性测量单元的误差整机标定和补偿

提出了微惯性测量单元(MIMU)在高动态、高过载复杂应用条件下的误差整机标定和补偿方法.首先,建立了高动态,高过载复杂应用条件下MIMU的误差模型,该模型包括了结构误差,传感器安装误差和MEMS惯性传感器在复杂条件对精度影响较大的误差项,指零位温度漂移、互耦误差、刻度因子非线性和微陀螺加速度效应误差;根据模型提出了整机...     

《微机电系统（MEMS）》专题文章导读

回顾近30年的科学发展史可以看出，发展最快、微小型化最成功的是电子器件。相比之下，非电子器件小型化的速度要慢得多。早在1959年物理学家Richard Feynman就提出了“There’s plenty of room at the bottom．”的观点，1982年Petersen K．E．在IEEE会议上发表了“Silicon as Mechanical Material”一文，