微机械加速度开关动态特性分析

　　1　引　　言

　　微机械加速度开关是利用微机械加工技术制造的一种小型一体化开关,这种开关可以用于惯性测量和惯性控制系统中。对于高精度的控制系统而言,开关的动态特性是一项重要指标。因此,从理论上进行动态分析是微机械加速度开关设计的基础,为此本文对一种具有静电自锁和门限值调整功能的微机械加速度开关的动态特性进行了理论分析。

　　2　微机械加速度开关结构

　　微机械加速度开关结构如图1所示,这种开关主要用于惯性控制系统中作为电源控制开关,其作用是在加速度增加到一定值时接通系统电源,对这种开关的基本要求是精度高、响应快、接触电阻小、闭合可靠和抗冲击能力强。

　　微机械加速度开关由玻璃盖板和单晶硅敏感芯片键合而成,敏感芯片又包括检测质量、弹性梁和外框三部分,检测质量同时又作为开关的动触点,在下盖板上制作有静触点电极和自锁电极,静触点电极比自锁电极高1μm。实际应用中,静、动触点电极间存在电压v2,而在自锁电极和检测质量相对应电极之间加电压v1,v1的作用是产生静电力,用来实现自锁和调节开关闭合门限值,同时静电力还可以大大减小开关导通电阻,提高闭合可靠性和抗干扰能力。这种开关是一种较为理想的电源控制开关。

3　检测质量运动微分方程

　　在微机械加速度开关中,检测质量的运动决定着开关的动态特性,为了分析开关的动态特性,首先要建立检测质量运动微分方程。检测质量运动可以等效为图2所示的系统,其中Y为开关底座相对惯性空间的位移,X为检测质量相对底座的位移,F为作用在检测质睛上的静电力,M、C、K分别是检测质量的质量、阻力系数和弹性梁刚度。

　　根据动力学基本原理,可以建立如下运动方程:

　　4　微机机械加速度开关动态特性分析

　　微机械加速度开关动态分析实际上是对检测质量的运动分析。因此,通过求解不同a(t)作用下检测质量的运动微分方程就可以分析开关的动态特性。然而,由于式(6)是二阶非线性微分方程,难以求出具体的解析解。为此,本文采用四阶龙格—库塔法对其求解。

　　令:y1(t) =x(t)

　　y2(t) =y。1(t)

　　则式(6)可以转换成如下一阶方程组:

　　y2(t) t=0= 0

　　根据方程组式(7)和初始条件,利用四阶龙格—库塔法,通过编程,利用计算机可以求出不同a(t)时y1(t)、y2(t)。由此,进行微机械加速度开关的动态分析。微机械加速度开关设计参数:M=0.52 mg,K=9.88 N/m,C=3.04×10-3N·s/m,A1= 0.6 mm2,A2= 0.2 mm2,d0= 4μm,阻尼比ζ= 0.67,当v2= 30 V、v1= 9 V时,静态设计的开关闭合门限值a= 10gn(注:1gn= 9.8 m/s2)。