CN106908718A - 阈值可调mems惯性开关的测试系统 - Google Patents
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Abstract
阈值可调MEMS惯性开关的测试系统，包括信号的输入系统，包括冲击滑块、冲击杆和缓冲装置。冲击杆提供单调递增的速度，实现动能转化为缓冲装置中空气弹簧的弹性势能。缓冲装置提供先单调递增后单调递减的加速度信号输入。信号的输出系统，包括测试电路、检流计和示波器。测试电路包括MEMS惯性开关。测试电路是利用惯性开关的自锁功能，实现信号的输出。检流计和示波器是为了测量测试电路的输出信号。弥补了国内对MEMS惯性开关测试系统的空缺。
Description
技术领域
本发明属于MEMS的微机械领域，为MEMS惯性开关的测试系统。涉及到MEMS加工技术。
背景技术
在国防现代化的进程中，武器朝着小型化、智能化发展，这促进了引信的发展。为了满足引信小型化的需求，基于电容器的原理，集成传感器和执行器功能的惯性开关被提出。电容式开关无论作为一种传感器还是执行器，其相应的测试方法和设备已经被提出。然而，集成后的惯性开关却没有相应的测试方法和设备。为推动国防的现代化和产业的批量化，该测试系统被首次提出。
发明内容
本发明是设计阈值可调MEMS惯性开关的测试系统，测试系统模拟MEMS惯性开关受到的惯性力，并获取MEMS惯性开关的输出信号。
采用的技术方案是。
本发明的技术方案是在MEMS惯性开关结构的基础上建立测试系统即信号的输入系统和信号的输出系统。
信号的输入系统，包括冲击滑块、冲击杆和缓冲装置。
冲击杆可为钢制。冲击杆提供单调递增的速度，实现动能转化为缓冲装置中空气弹簧的弹性势能。
缓冲装置提供先单调递增后单调递减的加速度信号输入。
加速度传感器识别加速度信号，并为校准提供参考。
信号的输出系统，包括测试电路、检流计和示波器。测试电路包括MEMS惯性开关。
测试电路是利用惯性开关的自锁功能，实现信号的输出。
检流计和示波器是为了测量测试电路的输出信号，这为验证惯性开关的设计和加工提供参考。
其优点在于：
将国内的微机电领域在引信上研究的概念阶段推向了实用阶段，弥补了国内对MEMS惯性开关测试系统的空缺。
附图说明
图1是阈值可调MEMS惯性开关的结构图。
图2是阈值可调MEMS惯性开关惯性参数表。
图3是惯性开关整体测试系统的原理图。
图4是模拟弹丸的加速度曲线图。
图5是冲击系统的俯视图。
图6是冲击系统的主视图。
图7是第一下接触电极、第二下接触电极、检流计、示波器和第二直流电源的电路图。
具体实施方式
阈值可调MEMS惯性开关的测试系统：包括测试电路和冲击系统。测试电路包括MEMS惯性开关17。
对于附图1所示的MEMS惯性开关17结构，采用LIGA技术按照附图2所示的结构参数和材料进行加工。
惯性开关17，包括可动电极1、驱动电极2、介质层8、第一下接触电极3、第二下接触电极4、上接触电极5和基板6。
可动电极1通过弹性支撑部支撑在基板6上方。
所述的弹性支撑部为与可动电极1为一体结构的至少一个梁7，本实施例中可选用两个，两个梁7的外侧端部（锚区）固定在基板6左侧凸台部分。
可动电极1右侧通过至少一个连接梁9连接上连接部24，本实施例中连接梁9为两个，梁7、可动电极1、连接梁9和上连接部24为一体结构，实施例中均为硅。
梁7、可动电极1、连接梁9和上连接部24的下表面设有介质层8，起到绝缘作用。
上连接部24下方的介质层8下方设有上接触电极5。
驱动电极2固定设置在基板6上表面，位于可动电极1的下方。
第一下接触电极3和第二下接触电极4固定设置在基板6上表面，位于上接触电极5下方。
介质层8与驱动电极2之间为牺牲层。
可动电极1、驱动电极2、第一下接触电极3和第二下接触电极4引出四个引脚，分别为可动电极引脚、驱动电极引脚、第一下接触电极引脚和第二下接触电极引脚。
第一下接触电极引脚和第二下接触电极引脚没有区别。
惯性开关17焊接固定在电路板18上，按照附图7所示的电路图接线，第一下接触电极引脚连接第一直流电源21一端，第二下接触电极引脚通过电阻Ra连接第一直流电源21另一端。
第一下接触电极引脚和第二下接触电极引脚分别与检流计对应连接。电阻Ra两端并连有示波器。Ra的阻值可为3欧姆。
冲击系统包括冲击滑块11。冲击滑块11下方固定有冲击杆23。
电路板18通过至少一个夹具固定在木块10上，本实施例中夹具为四个，木块10固定在冲击滑块11上，冲击滑块11套设在导向柱12上，导向柱12固定在底座13上表面。冲击滑块11上设有加速度传感器19。
可动电极引脚连接第二直流电源的正极，驱动电极引脚连接第二直流电源的负极。
附图3所示的电路图中电阻Rb为可动电极1和驱动电极2形成的电容器之间的内阻。
底座13上表面中部设有波形发生器16，上方为冲击杆23。波形发生器16为橡胶波形发生器。
底座13下方设有缓冲装置。底座13为钢制底座。
所述的缓冲装置为设置在底座13下方的至少一个空气弹簧14。本实施例中空气弹簧14为两个。
底座13侧面连接有阻尼器15。本实施例中的阻尼器15为四个，两两分布在底座13两侧，阻尼器15下部和空气弹簧14下部，连接在底板20上。
所述的加速度传感器19为DL112传感器。示波器为泰克MSO2024B示波器。
对MEMS惯性开关17进行封装，铁制外壳封装后的MEMS惯性开关17（铁制外壳长：3mm；宽：3mm；高：1mm）。焊接在电路板18上。
如图1所示，MEMS惯性开关17刚开始没有工作，接触电极没有导通，相当于一个断开的开关。
通过长的引线把检流计、电阻Ra、示波器安置在冲击系统周边一定距离处，方便观察和测量，进而减小冲击系统对测量结果的影响。再用四个M6的螺钉把电路板18固定在木块10上，木块10通过夹具固定在冲击滑块11上。
两个直流电源由吉时利2036B元表提供直流0~9000v的电压。
在接线完成后，首先用电源吉时利2036B元表提供的第二直流电源22从0V开始供电，在本技术方案的整个过程中第一直流电源21始终保持6V。
第二直流电源22对该测试系统每隔10min施加一次电压，施加的电压按照单调线性的方式增加，当增大到一定值时，检流计有示数同时示波器也有示数，记录元表的电压值V1和示波器的电压值V2。
然后继续增大第二直流电源22提供的电压值，在超过所述的刚才记录的元表电压值V1值10V~15V，检流计和示波器依然都有示数时，停止增大电压值。比较6V的电压和从示波器上读到电阻Ra两端电压值VR的相对误差，（如果VR低于6V的电压不超过15%），确定V1是MEMS惯性开关的吸合电压。
在确定吸合电压后，第一直流电源21依然保持6V，对该测试系统的第二直流电源22施加多个小于V1的电压值V3。
针对每个V3，冲击滑块11可以沿着导向柱12升到的不同的高度，冲击杆23垂直自由下落撞击橡胶波形发生器（共三种不同的布氏硬度：30~40；60~70；90~100），加速度传感器15把撞击过程中冲击滑块11的不同加速度的变化传输给电脑，通过这种方式模拟附图4所示的弹丸的加速度曲线（正弦曲线的上半段），同时观测检流计和示波器，当都有示数，确定此时的加速度为V3相对应的阈值加速度。
冲击滑块11的上升和放开，可以采用常规的提升和释放装置完成。
Claims (4)
1.阈值可调MEMS惯性开关的测试系统：包括测试电路和冲击系统；其特征在于：测试电路包括MEMS惯性开关（17）；
MEMS惯性开关（17），包括可动电极（1）、驱动电极（2）、介质层（8）、第一下接触电极（3）、第二下接触电极（4）、上接触电极（5）和基板（6）；
可动电极（1）通过弹性支撑部支撑在基板（6）上方；
可动电极（1）右侧通过至少一个连接梁（9）连接上连接部（24）；
梁（7）、可动电极（1）、连接梁（9）和上连接部（24）的下表面设有介质层（8）；
驱动电极（2）固定设置在基板（6）上表面，位于可动电极（1）的下方；
第一下接触电极（3）和第二下接触电极（4）固定设置在基板（6）上表面，位于上接触电极（5）下方；
可动电极（1）、驱动电极（2）、第一下接触电极（3）和第二下接触电极（4）引出四个引脚，分别为可动电极引脚、驱动电极引脚、第一下接触电极引脚和第二下接触电极引脚；
第一下接触电极引脚连接第一直流电源（21）一端，第二下接触电极引脚通过电阻Ra连接第一直流电源（21）另一端；
第一下接触电极引脚和第二下接触电极引脚分别与检流计对应连接；电阻Ra两端并连有示波器；
冲击系统包括冲击滑块（11）；冲击滑块（11）下方带有冲击杆（23）；
MEMS惯性开关（17）设置在冲击滑块（11）上，冲击滑块（11）套设在导向柱（12）上，冲击滑块（11）上设有加速度传感器（19）；
可动电极引脚连接第二直流电源的正极，驱动电极引脚连接第二直流电源的负极；
冲击杆（23）下方设有波形发生器（16）。
2.根据权利要求1所述的阈值可调MEMS惯性开关的测试系统，其特征在于：所述的弹性支撑部为与可动电极（1）为一体结构的至少一个梁（7），至少一个梁（7）的外侧端部固定在基板（6）左侧凸台部分。
3.根据权利要求1所述的阈值可调MEMS惯性开关的测试系统，其特征在于：导向柱（12）和波形发生器（16）下方设有缓冲装置。
4.根据权利要求3所述的阈值可调MEMS惯性开关的测试系统，其特征在于：所述的缓冲装置为空气弹簧（14）和阻尼器（15）。
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