低g值微惯性开关单向敏感性设计与分析

　   惯性开关是一种感受惯性加速度，执行开关机械动作的精密惯性装置，大多采用典型的“弹簧-质量-阻尼”结构。根据闭合阈值范围的不同，惯性开关可以分为低 g 值惯性开关和高 g 值惯性开关两类[1]。低 g值惯性开关是一种闭合阈值在 1~30g(g：标准重力加速度，1g=9.8 m/s2)范围内的惯性开关，在汽车安全气囊、工业安全控制和航空航天等领域有着广泛的应用[2-3]。低 g 值惯性开关所需检测的信号是在其敏感方向上的惯性加速度，这种信号在实验室里主要基于离心原理产生。在惯性开关的工作环境中，在其非敏感方向上还存在一些加速度信号，称为横向加速度。由于结构的耦合效应横向加速度将造成惯性开关的工作不可靠，因此要求惯性开关具有较好的单向敏感性，即只响应在其敏感方向上的加速度信号。钢珠-悬臂梁开关[4]

　　采用“分离”连接方式传递作用力，减小了横向加速度对工作可靠性的影响。但该结构原理采用精密机械加工，存在零件较多、装配复杂、体积较大等不足，难以适应复杂环境的应用需求。MEMS 技术的发展和微加工水平的提高为研制体积小、综合性能更优的微惯性开关提供了技术支撑，采用 MEMS 技术实现具有良好环境适应能力的低 g 值微惯性开关具有重要的研究价值。Kwanghun Yoo 等人[5-6]利用金属液体(水银)密度大、导电性好等优点，研制了一种微液滴开关，通过改变微通道结构尺寸，可实现各种闭合阈值的设计。微液滴开关没有传统意义上的“弹簧-质量”结构，在一定程度上弱化了横向加速度的耦合效应。但水银是剧毒材料，对人体和环境都可能造成较大的伤害。本文采用单晶硅作为结构材料，结合MEMS 体硅加工工艺的特点，开发了一种基于平面矩形螺旋梁结构的低 g 值微惯性开关，采用 ANSYS 有限元软件进行了单向敏感性的设计和分析。采用MEMS 体硅加工工艺和圆片级封装技术，完成了微惯性开关的制作，并对试验样品进行了离心试验测试。

　　1 原理与设计

　　基于平面矩形螺旋梁的低 g 值微惯性开关采用双触点结构，如图 1 所示，由封盖、管芯和基底三部分组成。管芯为惯性敏感单元，是整个结构的核心部件，包括悬空的感知惯性加速度的质量块，和两根结构完全相同的平面矩形螺旋梁，三者组成“弹簧-质量”结构。带有浅槽的封盖用于限制质量块的反向运动，保护“弹簧-质量”结构。考虑结构的加工工艺性，通过增加平面矩形螺旋梁的弯折节数即梁的等效长度，有效降低螺旋梁在其厚度方向上的刚度。基于平面内螺旋的特点，平面矩形螺旋梁在 OXY 平面内具有较大的刚度，因此该结构对 OXY 平面内加速度的响应较小。同时，平面矩形螺旋梁位于质量块厚度方向上的中性平面内，降低了非敏感方向上的加速度信号对惯性开关工作可靠性的影响。