有源MEMS惯性开关的制作方法

本发明涉及军事弹载引信、智能弹药、航空航天、汽车电子等应用场景下的惯性开关技术领域，特别地，涉及一种有源mems惯性开关。

背景技术：

惯性开关是一种能够对加速度变化敏感并产生开关闭合动作的器件，也被称为阈值开关、加速度开关或者g值开关，广泛应用于军事弹载引信、智能弹药、航空航天、汽车电子等多个领域。传统惯性开关都是机械式的，具有成本低、抗干扰能力强等特点，但由于采用质量块和弹簧结构，体积往往较大，由于加工和装配因素，加速度阈值分布范围大，存在误闭合可能，可靠性和安全性不高。

微机电系统(mems，micro-electromechanicalsystem)是一种通过体硅刻蚀、大规模集成电路等技术，将电子和机械器件集成到一起，形成包含信息传感、数据处理、执行机构及其他微器件的集成系统，具有微型化、集成化、多学科交叉、能批量生产等特点。现有通过mems工艺生产的机械开关，其典型特点是无需外部供电，常态时处于关断状态，工作时通过内部机械结构的惯性碰撞接触实现信号的导通。

现有惯性开关的结构决定了无论是传统机械惯性开关还是基于mems工艺的无源惯性开关，都属于无源惯性开关范畴，无法对冲击前后的惯性加速度进行记录和分析。

技术实现要素：

本发明提供了一种有源mems惯性开关，用于解决现有惯性开关无法对冲击前后的惯性加速度进行记录和分析的问题。

本发明提供的一种有源mems惯性开关，包括稳压单元、微控制器、加速度计、存储单元和电子开关，其中：所述稳压单元与外部电源连接，将外部电源转换后为所述微控制器、加速度计和存储单元提供稳定电压；所述加速度计用于对环境信息进行感知，将实际采集的加速度数据进行采样离散后传递给微控制器；所述微控制器用于将所述加速度计采集的实际加速度数据存储到存储单元，以及将所述实际加速度数据与预设的加速度阈值进行比较，判定冲击是否发生、并根据判定结果向电子开关发送相应的控制信号；所述存储单元用于记录所述加速度计采集的实际加速度数据；所述电子开关用于根据微控制器发送的控制信号实现对被控制电路的导通和关断控制。

进一步的，所述稳压单元设置有单向导流电路和内部储能装置，所述稳压单元的电源输出端通过单向导流电路与微控制器、加速度计和存储单元的电源端连接；所述内部储能装置的电源端分别与微控制器、加速度计和存储单元的电源端连接，当发生高g值过载冲击导致外部电源连线断裂是，由所述内部储能装置为微控制器、加速度计和存储单元提供临时电源。

进一步的，所述单向导流电路包括第一二极管和第二二极管，所述内部储能装置包括第一电容和第二电容，其中：所述稳压单元的电源输出端通过第一二极管与微控制器和加速度计的电源端连接，所述第一电容一端接地、另一端连接微控制器的电源端和加速度计的电源端；所述稳压单元的电源输出端通过第二二极管与存储单元的电源端连接，所述第二电容一端接地、另一端接连接存储单元的电源端。

进一步的，所述微控制器的一数字输入输出端口通过一电阻连接到稳压单元的电源输出端，用以检测外部电源的连接状态；当外部电源连通时，所述微控制器将所述加速度计采集的实际加速度数据存储到存储单元；当外部电源断开时，所述微控制器将所述加速度计采集的实际加速度数据存储在微控制器本身的内存芯片中。

进一步的，所述有源mems惯性开关还包括阈值设置单元，用于接收并保存用户输入的加速度阈值。

进一步的，所述加速度计的量程大于100g、响应频率大于1khz。

进一步的，所述加速度计配置三个相互垂直的敏感轴，能够感知三维空间内任意方向的惯性力。

进一步的，所述微控制器的通信速率大于2mbps；和/或，所述微控制器设置有内部时钟源。

进一步的，所述有源mems惯性开关采用双壳体结构，其中，内壳和外壳之间设置有缓冲材料，并采用灌封工艺将稳压单元、微控制器、加速度计、存储单元和电子开关整体灌封在内壳中。

进一步的，所述稳压单元、微控制器、加速度计、存储单元和电子开关集成于一电路板上，用密封胶对集成在电路板上的稳压单元、微控制器、加速度计、存储单元和电子开关进行密封涂抹，之后放入内壳，采用灌封材料进行整体灌封；内壳装入外壳中，内壳和外壳的底部间隙添加缓冲材料、周围间隙添加填充材料。

与现有技术相比，本发明实施例提供的基于mems器件的有源惯性开关，包括有由稳压单元供电的微控制器、加速度计和存储单元，微控制器对加速度计采集的加速度数据与预设的加速度阈值进行比较以判断是否发生撞击，并向电子开关发出相应的控制信号，不仅能够实现对被控制电路的智能控制，还能够对加速度计感知并采集的加速度数据在存储单元进行记录，以便进行后续数据分析和系统改进。

附图说明

附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中：

图1为本发明有源mems惯性开关一实施例的结构示意图；

图2为本发明有源mems惯性开关一具体实施例的稳压单元组成结构示意图；

图3为本发明有源mems惯性开关一具体实施例的产品封装结构示意图；

图中，1表示排针，2表示壳盖，3表示螺柱，4表示外壳，5表示电路控制模块，6表示灌封材料，7表示内壳，8表示填充材料，9表示缓冲材料。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。术语“包括”、“包含”及类似术语应该被理解为是开放性的术语，即“包括/包含但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。

本发明一实施例提供的有源mems惯性开关，是一种基于mems器件的有源惯性开关，如图1所示，包括稳压单元、微控制器、加速度计、存储单元和电子开关，其中：

稳压单元与外部电源连接，转换后为稳压单元、微控制器、加速度计和存储单元等电子元器件提供稳定电压。

加速度计可以对环境信息进行感知，用于对实际加速度信息进行采集、采样离散后传递给微控制器。

微控制器用于将所述加速度计采集的实际加速度数据存储到存储单元，以及将所述实际加速度数据与预设的加速度阈值进行比较，判定冲击是否发生、并根据判定结果向电子开关发送相应的控制信号。

所述存储单元用于记录所述加速度计采集的实际加速度数据，以便进行后续的数据读取和分析。

所述电子开关用于根据微控制器发送的控制信号实现对被控制电路中a与b点之间导通和关断控制。

在具体实施时，微控制器可以通过串口与加速度计电连接，微控制器优选配置快速串口(如通信速率大于2mbps)，以实现对所述加速度计采集获得的实际加速度数据进行有效读取和存储；另外，微控制器需要具有快速的运算处理能力，以实现快速的逻辑处理和信号的有效识别。如图1所示，微控制器还能够与外部设备(如上位机)进行通信，以实现命令的接收和所存数据的读取。存储单元需要有较大存储容量(如可以大于8mb)，以保证对一定时间范围内所采集的加速度数据的记录。所述电子开关需具有短的响应时间，以快速实现电路导通。

在另一实施例中，为防止当冲击发生时导致的外部电源接线断裂而不能正常供电问题，稳压单元还可以设置内部储能装置为系统提供临时电源，以完成相应的后续数据采集、数据处理和数据存储动作，为防止倒流问题，可以在所述稳压单元的电源输出端与内部储能装置之间设置单向导流电路。具体实施时，可以采用图2所示的结构形式，其中的单向导流电路包括第一二极管d1和第二二极管d2，内部储能装置包括第一电容c1和第二电容c2，具体连接方式为：稳压单元的电源输出端vcc的一路通过第一二极管d1与微控制器电源端vcc1和加速度计的电源端vcc3连接，第一电容c1一端接地、另一端连接微控制器的电源端vcc1和加速度计的电源端vcc3；所述稳压单元的电源输出端vcc的另一路通过第二二极管d2与存储单元的电源端vcc2连接，所述第二电容c2一端接地、另一端接连接存储单元的电源端vcc2。正常情况下，系统由外部电源供电，此时第一电容c1、第二电容c2进行充电储能；当高g值过载冲击发生时，若外部电源接线发生断裂，第一电容c1放电为所述微控制器和加速度计提供电源，以完成冲击发生后数据的后续处理和存储；第二电容c2放电为存储单元提供电源，以防止数据写入时存储单元掉电而导致数据损毁。第一二极管d1和第二二极管d2控制电流单向流通，以保证第一电容c1和第二电容c2放电时不会被外部设备消耗，提高内部储能装置能量的有效使用。

为进一步提高数据存储的可靠性，本发明还提供了一种双存储机制，可以采用图2所示的电路结构，与上述实施例的区别在于，在微处理器的数字输入输出管脚dio与稳压单元的电源输出端vcc之间还连接一电阻r1，具体工作原理为：在微控制器接收到加速度计采集的加速度数据时，首先通过数字输入输出管脚dio读取外部电源的状态，若外部电源正常则将上述加速度数据存入存储单元；若外部电源异常则将上述加速度数据存于微控制器上的内存中。此时，第一二极管d1和第二二极管d2还可以进一步保证所述微控制器数字输入输出管脚dio能够有效读取外部电源的接线状态。

进一步的，为了能够识别三维空间任意方向的惯性力，实现对三维空间任意方向冲击的有效识别，加速度计可以配置三个互相垂直的敏感轴。具体的，加速度计内部具有微机械结构，采集的信息经过所述加速度计内部电路进行模拟数字转换，最终以数字信号的形式通过串行接口传递给微控制器。在加速度计的一个采样周期内，所述微控制器对收到的加速度数据进行存储，并根据内部设定逻辑判定冲击是否发生以及向所述电子开关发送相应的控制信号。

由于冲击具有g值过载大、脉冲持续时间短的特点，本发明方案中的加速度计需要具备较大的抗冲击能力(如可以大于10000g)，以保证在受到冲击时能够可靠工作；另外，加速度计还需有较快的响应频率(如可以大于1khz)，以保证在冲击脉冲发生时能够有效读取；本发明方案中只需要识别冲击、不要求对冲击全程准确测量，所述加速度计可以选用较大量程(如大于100g)的产品，以有效识别高g值冲击和常规振动。

为进一步提高产品的抗冲击能力，降低冲击发生时因应力破坏而失效的概率，本发明有源mems惯性开关可以采用双壳结构，其中包括有稳压单元、微控制器、加速度计、存储单元和电子开关的电路控制模块置于内壳中，通过灌封料按照灌封工艺进行整体灌封，内外壳之间添加缓冲材料，用以吸收冲击能量、减少作用于惯性开关上的应力波，缓冲材料在降低冲击幅度的同时还可以增加冲击脉冲时间，更有利于对冲击进行有效识别。

图3为本发明一有源mems惯性开关的双壳结构示意图，具体实施时，电路控制模块5可以集成于一电路板上，用密封胶(如502胶)对进行密封涂抹，防止冲击时应力过大使大面积薄器件造成损坏。之后放入内壳7，采用灌封材料6进行整体灌封，灌封时采用适度加热处理气泡，防止产生的气泡导致灌封强度降低。内壳7装入外壳4中，内外壳底部间隙添加缓冲材料9，内外壳周围间隙添加填充材料8(如导热硅胶)，用以吸收冲击能量、减小传递给系统的应力波大小。内外壳的上端口利用壳盖2封闭，壳盖2与外壳4通过螺柱3固定连接，排针1穿过壳盖2露出壳体外。电路控制模块5通过排针1实现与外部电源连接以及与外部设备(如上位机)进行通信连接，内部无单独走线，避免因冲击产生的错位导致导线断裂。排针1穿过整体结构强度主要由外壳和灌封保证，双壳结构能够使在外壳严重变形后，内壳内系统仍能重复回收使用。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。