基于双稳态的MEMS微开关设计

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MEMS加速度微开关作为一种集传感器及执行器于一体的惯性器件,不仅能够感知加速度信号,而且受控于加速度阈值来执行开关动作。目前国内外的研究现状已经反映出,在加速度开关基础设计理论、研究方法及研制水平等方面存在众多难点及亟待解决的问题,尤其是缺乏行之有效的开关基础设计理论及研究方法。设计中仍然以反复试验(trial and error)方法为主,成本昂贵,这也是目前我国市场上没有高性能MEMS加速度开关的主要原因之一。根据双稳态结构跳转时的阈值特性和加速度开关的工作原理,建立了粘附性双稳态微加速度开关的模型。应用库仑定律,从静电结构的电容理论出发,导出了考虑边缘效应电场力计算公式,分析了电场力、弹性力随接触距离的变化情况。基于量子力学理论,得到Casimir力计算公式,分析了Casimir力随接触距离的变化情况。基于微观连续介质理论,得到范德瓦尔斯力计算公式,分析了范德瓦尔斯力随接触距离的变化情况。基于雷诺方程,得到两平行板内部气膜阻尼的解析公式,分析了气膜阻尼系数随接触距离的变化情况。分别针对硅基和铜基微开关进行静态、动态分析;静态分析得到硅基微开关阈值加速度为6.8g,铜基微开关阈值加速度为24.6g的结论;动态分析得到硅基微开关阈值加速度为6.84g,响应时间为0.014s,铜基微开关阈值加速度为24.74g,响应时间为0.036s的结论。根据福勒-诺得海姆公式分析了开关触点处隧道电流的变化情况;利用PRO/E和AUTO/CAD建立了三维模型和二维工程图,得到了微开关样件。
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