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硅微机械加速度开关技术研究

贾孟军  
【摘要】: 加速度开关是对惯性加速度敏感并在加速度超过某一阈值时,提供开关闭合动作的器件。利用MEMS技术研制的阈值加速度开关具有低功耗、低成本、过载能力高等优点,在惯性控制系统中有着广泛而重要的应用。 针对冲击加速度测量要求,本文提出了一种基于惯性-静电耦合原理设计的阈值可调的冲击加速度开关。其开关阈值通过电压方式进行控制调节。这种工作方式还可以减小工艺容差对开关性能的影响。这种开关还具有自锁功能,在冲击加速度消失后仍能保持开关闭合状态。 本文设计了一种硅悬臂梁型MEMS冲击加速度开关,其中低体电阻的悬臂梁用作开关的可动电极和敏感质量块。利用解析方法分析了开关的阶跃加速度输入响应和测量带宽限制以及开关响应时间。开关设计阈值范围1000~5000g,理论加速度容差小于10g,响应时间小于80us。 在制造过程中采用体微机械技术制作这种开关阵列。研究了衬底转移技术中的SOI—玻璃键合的关键工艺,建立了SOI-玻璃键合原理的等效模型并提出一种提高SOI键合成功率的辅助键合的工艺设计。 通过落槌冲击实验,测试了开关阈值可调功能和自锁功能。测试数据与模拟设计结果基本一致,实现了开关阈值可调功能。 此外,本文还设计并制造了一种低量程、简单工艺的加速度开关。


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