基于微型惯性电学开关的加速度阈值检测系统*

沈 慧，杨卓青，丁桂甫，赵小林

（上海交通大学微纳科学技术研究院微米纳米加工技术国家级重点实验室，上海 200240）

0 引言

随着微电子与信息技术的不断发展，基于微机电系统（micro-electro-mechanical systems，MEMS）的微型惯性电学（也称加速度阈值）开关逐步被广泛应用于汽车、玩具及众多工业领域，已逐步成为人们研究的热点［1］。此类电学开关的工作过程可以认为包含2个基本阶段，第一阶段就是感受外界加速度（这时微开关的功能是作为传感器），第二阶段是在超过其阈值的外界加速度作用下实现对电路的瞬间通断（这时微开关的功能是作为执行器），可以说微型惯性电学开关是一种集传感器与执行器功能为一体的MEMS器件［2］。

在货物运输过程中，尤其是一些特殊物品（如易爆军需品、特殊化学药品等）的输运装卸途中，常常要严格监控其是否受到过不允许的振动水平，也就是说要清楚地了解所运物品是否曾经受到了超越其承受极限的冲击。目前，此类监测系统通常都是基于微机械加速度计而设计的，不但系统复杂，响应速度慢（约为5 ms），而且系统容易受到外界电磁干扰，可靠性差［3，4］。为此，本文研制了一种基于微机械惯性电学开关，设计了可方便、精确地监测外界振动冲击是否超过其阈值的系统模块，并对其进行了相应的电路仿真和实验测试。

1 系统设计

1.1 设计背景与要求

本文所设计的检测系统是基于实验室前期所研制的一种微小型惯性电学开关，其结构如图1所示，其中，由微弹簧悬空的质量块作为可动电极，固定电极位于衬底上，距离可动电极有一定距离，当沿其敏感方向的外界加速度超过开关阈值时，可动电极与固定电极碰撞并接通外电路，随后，运动质量块又被弹簧迅速拉回，瞬间输出一个顶部有抖动的脉冲电压信号。整个惯性开关器件通过微电铸叠层工艺和牺牲层技术制作，封装后的单个器件尺寸约为3.2mm×2.1 mm×1.4 mm，实验测得器件接通时输出的脉冲信号宽度通常在5～20 μs范围内（开关敏感方向承载的加速度越大，输出脉冲信号的宽度越小），响应时间约为 100 μs［5］。

图1 微型惯性电学开关结构示意图Fig 1 Diagram of the inertia micro-switch

1.2 设计方案

系统设计主要由信号发生、信号处理和LED显示3个模块组成，工作流程如图2所示。微型惯性电学开关在外界加速度作用下输出信号，然后由施密特触发器进行脉冲整形，再经D触发器进行脉冲波形变换，最后输入LED显示部分，此外，D触发器的复位端设置了输出复位电路。当系统承载的加速度超过阈值时，微型惯性电学开关瞬间通断，输出一个脉冲信号，经过施密特触发器整形后，D触发器将其变换为高电平信号，点亮LED;反之，微型惯性电学开关一直处于断开状态，输出低电平信号，经过施密特触发器和D触发器后仍输出低电平，LED不亮。每次测试结束，按下输出复位电路中的复位开关，熄灭LED，便于下次测试。

图2 系统的工作流程图Fig 2 Work flow chart of the system

1.2.1 信号发生

信号发生部分由电源、采样电阻器和微型惯性电学开关有机组成，通过采样电阻器采集开关的输出信号，并将其输入脉冲波形整形部分。当开关敏感方向承载的加速度超过阈值时，输出一个顶部有波动的脉冲信号;反之，微开关一直处于断开的状态，输出信号为低电平。

由于微型惯性电学开关触发灵敏度较高，接触效果良好，响应时间短，体积很小［6］，因此，保证系统工作可靠，缩短整体响应时间，且便于系统集成。

1.2.2 脉冲波形整形

信号发生部分输出的脉冲波形顶部有波动，如果直接输入脉冲波形变换部分，系统容易出错，无法准确判断承载的加速度是否超过阈值，因此，先由脉冲波形整形部分进行处理。该部分主要部件为施密特触发器，信号通过之后，脉冲信号变换为顶部平滑、上升沿下降沿陡峭的理想矩形脉冲信号输出，低电平信号保持低电平输出。施密特触发器是脉冲波形整形中常用的一种电路，可将三角波、正弦波等变成边沿变化很陡的矩形波，也可将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除，而对于幅度不同、不规则的脉冲信号还可以选择幅度大于预设值的脉冲信号进行输出［7］。

图3所示为本设计使用的由555定时器构成的施密特触发器。

图3 由555定时器构成的施密特触发器Fig 3 Schmitt trigger consisted of Timer 555

信号发生部分输出信号的脉宽在5～20 μs范围内，该范围的信号施密特触发器均能处理，即系统能采集微型惯性电学开关所有的可能输出信号。经过施密特触发器变换波形后的信号可以作为标准数字信号输入D触发器，降低了D触发器的出错概率。

1.2.3 脉冲波形变换与输出复位

脉冲波形变换主要由D触发器构成，施密特触发器输出的信号经D触发器处理后，低电平信号保持低电平信号，脉冲信号变换为高电平信号。输出复位电路由电阻器、电容器和开关有机组成，连至D触发器的复位端，可以将D触发器的输出清零。

D触发器的符号如图4所示，该触发器由6个与非门组成，其中SD是置位端，RD是复位端，CP是时钟信号输入端，D是数据输入端。SD和RD均为低电平有效，当SD=0且RD=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，SD=0，即触发器置1;当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0。设SD和RD均已加入了高电平，不影响电路的工作，则D触发器工作过程为:当CP=0时，触发器的状态不变;当CP由0变1时，触发器翻转;当CP=1时，输入信号被封锁。总之，D触发器是在CP上升沿前接收输入信号，上升沿时触发翻转，上升沿后输入即被封锁。

图4 D触发器的符号Fig 4 Symbol of D trigger

本设计将施密特触发器整形后的理想脉冲信号接入D触发器的时钟端CP，复位端RD、置位端SD、数据端D均接高电平。当时钟端CP输入一个矩形脉冲时，无论此后CP端是否有脉冲信号输入，输出端Q将始终输出高电平，当时钟端CP输入低电平时，输出端Q始终输出低电平，可见，系统可以保存检测结果。若系统要再次检测加速度阈值，必需先由D触发器复位端RD外接的复位电路清除之前检测的结果，按下复位开关将复位端RD从高电平拉至低电平，此时D触发器输出端Q输出低电平，系统恢复检测前的初始状态。

本设计充分利用了D触发器的工作原理，将输入信号作为时钟信号接至D触发器的CP端，否则，CP端需要设计一个振荡电路来产生时钟信号，会增加系统设计的复杂性，同时，将数据输入端D始终置为高电平，让D触发器工作在一个有时钟触发即能保持输出高电平的工作状态，使系统可以保存检测结果。此外，D触发器容错率高，为后续电路准确工作提供保障。

1.2.4 LED 显示

LED显示部分由电阻器、三极管和LED有机组成，D触发器Q端的输出信号输入LED显示部分，当Q端为高电平时，LED点亮;否则，LED不亮。LED具有寿命长、光效高、无辐射与低功耗等优点，因此，非常适合用于发光标志器件，利用其单向导电性，通过高低电平控制发光。

2 系统仿真

系统中电源VCC均为5 V直流电源，D触发器选用74LS74芯片，用Multisim仿真软件对系统的信号处理和LED显示部分进行仿真，电路如图5所示。

图5 系统仿真电路图Fig 5 Simulation circuit of the system

VIN端输入半个周期的正弦波信号，当开关S处于断开状态时，LED发光，用示波器查看74LS74芯片5脚的输出信号为高电平信号。此时按下开关S，LED熄灭，74LS74芯片5脚的输出信号是电压值为低电平信号。

3 实验测试

为了测试系统对不同加速度值的检测效果，分别制备了加速度阈值为100gn和500gn的系统样品（加速度阈值为100gn的微型惯性电学开关的精度为±2gn，加速度阈值为500gn的开关的精度为±5gn），表1与表2分别列出了测试结果。

表1 落锤实验测试结果Tab 1 Test result

上述得到的测试结果在LED的工作状态上与仿真结果吻合，D触发器的输出端Q的输出电平略有差异，这是因为选用的D触发器芯片74LS74实际工作时输出的高低电平是在一个较小范围内变化的。落锤实验结果表明:所制备的不同阈值的加速度阈值检测系统，均可准确检测在其精度范围内的加速度。

4 结论

1）成功研制了一种基于微型惯性电学开关的加速度阈值检测系统，应用微型惯性电学开关作为传感与执行器件，可有效提高系统的响应速度，平均响应时间小于20 μs。此外，基于微机械加工技术的惯性电学开关构成的监测系统，不但外接处理电路简单，而且系统工作更为准确、可靠。

2）分别对具有阈值为100gn和500gn的系统PCB电路模块进行了落锤冲击实验，结果表明:在其精度范围内，若系统承载的加速度超过阈值，则LED发光;反之，LED不发光，与系统电路仿真结果吻合。

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