准LIGA微加速度开关的研制

阐述了一种主要由质量块、折叠梁结构、触点电极和自锁 /解锁机构组成的微型加速度开关的研制过程。设计过程中采用有限元软件Ansys进行结构模拟计算 ,确定了合适的结构参数 ;以硼硅玻璃为基底 ,采用准LIGA和牺牲层技术 ,分三层制作完成。经测试 ,开关性能较好 。

永磁微加速度开关设计与仿真

基于永磁铁磁力随位移的非线性变化特性,提出了一种新型磁力微加速度开关设计方案.建立了含有永磁力、气膜阻尼力、表面接触力、惯性力的开关系统动力学分析模型,给出了质量块在开关多种工作状态下的运动微分方程.对开关工作过程中质量块位置、永磁力、空气阻尼力、质量块与触点接触力等参数的变化规律进行了仿真,结果表明:该设计可以受控于加速度门限完成闭合-断开功能;微开关系统阻尼由质量块与封装外壳间隙厚度决定,为一变阻尼系统;开关闭合时电接触可靠性取决于质量块对触点的压力;开关闭合和截止所需的激励加速度门限值受永磁铁磁力和支撑梁刚度参数的控制.

屈曲式微加速度开关设计与分析

根据弹性梁的大挠度后屈曲理论,建立了多力耦合作用下加速度开关系统的动力学模型,由此设计了一种新型屈曲式微机械加速度开关.该开关采用倾斜微梁支撑敏感质量块,将两折叠梁固定于质量块的上下表面,从而保证了开关动作的方向性.利用弹性线方法计算了倾斜支撑梁结构大挠度后屈曲的非线性刚度,分析了气膜阻尼力和触点接触力对系统性能的影响,并运用数值方法对含有椭圆积分的强非线性系统进行了动态特性分析.仿真结果表明,所设计的开关响应时间低于6 ms,不稳定接触时间小于0.02 ms,在闭合状态下触点的接触力大于50 mN,与其他类型开关相比,它具有良好的阈值特性和接触可靠性,因此在惯性控制系统中具有广泛的应用前景.

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。

一种非接触式微加速度开关的研究

典型的微加速度开关至少包含一个电接触,当阈值加速度值达到时,该开关将闭合。一般为金属接触,比如金。但金属接触可能存在许多问题,如微焊接、电弧、氧化,这些问题可能导致开关工作失灵。鉴于此,本文介绍了一种低驱动电压的非接触式微加速度开关(阈值为5gn)的设计理论、研究方法和主要加工工艺步骤,同时对非接触式微加速度开关结构的力电耦合进行理论计算,结合ANSYS软件仿真分析验证。

基于全面析因试验设计的永磁微加速度开关接触可靠性分析

针对一种新型磁力微加速度开关设计方案,建立了该开关系统的动力学方程,给出了影响开关动作的永磁力、表面接触力计算公式。采用四阶Runge-Kutta法对加速度激励下开关工作过程中永磁力、质量块与触点接触压力等参数的变化规律进行了仿真,对接触压力进行了极差分析和方差分析。选取微加速度开关的3个结构参数(悬臂梁宽度、质量块质量和永磁铁体积)作为关键因素,基于全面析因试验方法设计了该开关27种不同结构参数的水平组合,结果表明:微加速度开关3个结构参数中对接触可靠性影响大小的顺序为永磁铁体积V、悬臂梁宽度W、质量块质量m;可靠性最高的最佳结构参数水平组合为W3m3V1,即W=0.70mm、m=2.00g、V=5.38mm3;在置信度为99%的情况下,悬臂梁宽度W、永磁铁体积V和质量块质量m对微加速度开关接触可靠性均有显著的影响。

机械参数对弹簧质量块式加速度开关精度影响分析

针对弹簧质量块式加速度开关普遍存在过载值精度低、生产调试过程中动作过载值易发生偏移问题。文章对典型压缩弹簧质量块式加速度开关建立了力学方程,分析了弹簧弯曲角度、摩擦系数等机械参数对加速度开关的过载性能影响。得出压缩弹簧质量块式加速度开关的弹簧弯曲角度及摩擦系数对加速度开关过载性能的影响规律。得出加速度开关质量块与导向结构之间的摩擦系数ε<0.04,加速度开关的压缩弹簧与导向结构中心轴之间的夹角θ1和θ2绝对值小于3°,能够使得加速度开关合格率达到90%以上的结果,对于产品生产控制提供了参考数据。

高g_n值微加速度开关设计

提出了一种新型微加速度开关的结构与工作原理,并对该装置的抗高过载能力进行了分析,得出了满足高过载条件的尺寸参数设计公式,建立了该装置的参数化数学模型。根据数学模型进行了该装置的系统级建模与仿真,得出了位移与时间的关系曲线。仿真结果表明:该微加速度开关在满足高过载条件下的开关功能具有有效性和可行性。

微加速度开关力电接触仿真分析

讨论了微加速度开关触点形貌,建立了触点吸附物理模型;根据微观连续介质理论和微观电接触理论,推导出触点间包含斥力项的吸附力和接触电阻数学模型;经仿真分析,得到质量块同基座间的吸附力可以满足质量块同基座间的稳定电接触要求的结论。

一种交叉梁硅微加速度开关的设计

针对一种新型交叉梁硅微加速度开关的设计技术进行了研究,首先推导了结构的静态刚度,确定了一种敏感芯片结构尺寸,在此基础上利用有限元方法仿真计算不同方向加速度作用下的结构变形情况。从结构特点和加工方法出发,分析了可能影响精度的几种加工误差,并给%时,梁厚的误差要求。其分析计算结果可指导该种类型加速度开关的设计和加工。

基于正交试验方法的永磁微加速度开关结构参数对接触可靠性影响分析

基于永磁铁磁力随位移的非线性变化特性,设计了一种新型磁力微加速度开关。选取微加速度开关的三个结构参数悬臂梁宽度、质量块质量和永磁铁体积作为关键因素,基于正交试验方法设计了该开关9种不同结构参数的水平组合,给出了影响开关动作的永磁力和表面接触力计算公式。建立了该开关系统的动力学方程,采用四阶Runge-Kutta法对加速度激励下开关工作过程中永磁力、质量块与触点接触压力等参数的变化规律进行了仿真,对接触压力进行了极差分析和方差分析。结果表明:永磁铁体积对开关接触可靠性影响最大,其次是悬臂梁宽度W,最后是质量块质量G;可靠性最高的最佳结构参数水平组合为W 3G3V1,即悬臂梁宽度0.70 mm、质量块质量2.00 g、永磁铁体积5.05 mm3;在置信度为99%的情况下,悬臂梁宽度W、永磁铁体积V和质量块质量G对微加速度开关接触可靠性均具有高度显著的影响。

微加速度开关在高冲击环境中的防护技术研究

加速度开关是感受加速度并输出开关信号的一类惯性器件。基于MEMS技术研制的微加速度开关需要感受的加速度值远低于其承受的环境冲击加速度值。在高冲击环境中,微加速度开关自身的防护成为一大难题。分析了高冲击环境下器件的失效机理,从材料、结构和封装等方面介绍了3种防护措施,即,采用韧性金属材料替代脆性硅材料制作开关芯片、采用缓冲材料灌封开关芯片和引线、采用不锈钢制作封装壳体,3种措施成功地解决了微加速度开关自身的高冲击防护问题,试验证明防护措施十分有效。

微加速度开关吸附力仿真计算

研究了平面度对微加速度开关触点形貌的影响,建立了触点吸附物理模型,根据微观连续介质理论推导出触点间包含斥力项的吸附力数学模型,经仿真得到吸附力随触点间隙的非线性变化规律,并得到最大吸附力,从而为微加速度开关的结构设计和系统分析提供理论基础。

基于双稳态机制的低g值微加速度开关

设计了一种包含双稳态机制的低g值加速度开关,并采用了MEMS中的多层微电铸技术进行加工。该微加速度开关具有体积小,响应阈值精确,响应速度快,具有闭合保持功能等优点。微加速度开关的结构包括双稳态柔性悬臂梁,可移动质量块和固定触点,其中双稳态柔性悬臂梁的宽度、厚度和长度分别是28.0μm、25.0μm和5 150.0μm.由于使用了非线性双稳态机制,因此可以通过更加精确的模型来设计加速度开关的触发阈值。经过多次试验表明:器件的触发的加速度阈值是(32.6±0.2)g,可移动质量块的行程距离是530μm,并且开关在闭合后具有保持功能。

微机械加速度开关动态特性分析

本文通过建立微机械加速度开关检测质量运动微分方程，利用数值分析方法对开关动态特性进行了分析。

提高加速度开关抗振动能力的设计

加速度开关是一种由弹簧—质量系统构成的惯性测量装置,当进行随机振动试验时,与敏感质量块刚性相连的弹簧片会随着质量块的运动受力,其中一些剪切力和扭转力是加速弹簧片破坏的主要环境力。为了保护弹簧片,可以采用一种力的隔离技术,使得弹簧片除了受到应受的工作方向的力外,尽量避免受到剪切力和扭转力的作用,采用这种技术设计的钢珠式加速度开关有效地解决这个问题,试验证明:产品的抗振能力得到了提高。

叉簧弹性支撑设计与加速度开关

着重介绍了叉簧式弹性支撑的基本类型及其在工作环境条件下的刚度计算公式。并对采用了该种弹性支撑的加速度开关的工作原理、性能需求和测试情况作了简要的介绍。试验结果证明 。

微加速度开关中水银微液滴流动特性的研究

为了解决传统微加速度开关接触磨损、信号跳变等问题,增强接触可靠性,采用液态金属取代传统微开关的固-固接触方式。基于液态金属的微加速度开关是通过液态金属水银液滴在加速度作用下实现开关动作,具有无可动部件、低接触电阻、寿命长、允许通过大电流等特点。利用FLUENT软件的VOF-CSF模型对水银微加速度开关进行了数值仿真分析,研究了接触角、水银体积和温度对水银在微加速度开关中流动特性的影响。为能真实反映水银流动特性,更采用FLUENT中的用户自定义程序UDF考虑了动态接触角的情况。仿真结果与理论结果表明接触角和水银微液滴体积对流动特性影响较大,温度对流动特性影响较小。

一种新型微机械加速度开关的设计

本文介绍了一种具有静电自锁功能的微机械加速度开关的原理，并且做了相应的理论分析。