MEMS

Jan 20, 2024

Gli interruttori elettrici di tutti i tipi attivano circuiti, inviano informazioni e avviano azioni. Un interruttore inerziale è un interruttore che viene attivato per attivarsi a una soglia di accelerazione specifica. Non viene consumata energia finché lo switch non viene "risvegliato" dall'evento rilevante, rendendolo ideale per applicazioni a bassissimo consumo energetico (ULP) e remote.

I processi di produzione di sensori miniaturizzati consentono di progettare un interruttore attivato da un livello specifico di forza inerziale. Utilizzando sistemi microelettromeccanici (MEMS), gli interruttori di accelerazione miniaturizzati possono essere progettati per chiudere un circuito esclusivamente in base a un livello preimpostato di forza sperimentato dal dispositivo. Tipicamente indicato come interruttore inerziale o G-switch, utilizza una massa di prova sospesa su una molla, che funge da elettrodo mobile. Il punto di contatto è un elettrodo stazionario. Quando viene esercitata una forza inerziale sul dispositivo, la massa di prova si sposta verso l'elettrodo stazionario. Se l'intensità e la durata della forza sono sufficienti, l'elettrodo mobile toccherà l'elettrodo stazionario, chiudendo momentaneamente il circuito. Il circuito verrà quindi riaperto dalla molla (k) (Vedi Fig. 2).

Esistono numerosi interruttori inerziali oggi in uso in un'ampia gamma di applicazioni e molte tecniche diverse possono essere utilizzate per realizzare una configurazione di elettrodi a seconda delle caratteristiche prestazionali desiderate e dei livelli di soglia di attivazione. I parametri chiave di un interruttore inerziale includono il tempo di risposta, il tempo di contatto e la sopravvivenza agli urti. Il tempo di risposta è il ritardo dal momento in cui viene avviato l'evento inerziale fino a quando l'elettrodo mobile tocca inizialmente l'elettrodo stazionario. Il tempo di contatto è il tempo in cui i due elettrodi mantengono il contatto. La sopravvivenza agli urti è una misura del livello massimo di shock che il dispositivo può sopportare. Ognuna di queste caratteristiche può essere controllata in base alla topografia del dispositivo, a come è progettata la configurazione dell'elettrodo springmass e ai materiali selezionati.

Il design dell'interruttore è determinato dalle esigenze dell'applicazione: ad esempio, l'interruttore di un airbag richiede un tempo di risposta immediato. D'altra parte, la durata del tempo di contatto può essere la variabile cruciale per accertare che si sia verificato un evento inerziale reale piuttosto che un rumore irrilevante. Ciò è particolarmente importante in condizioni di forza g inferiore.

Poiché l'azione fondamentale dell'interruttore è una chiusura momentanea, il circuito viene spento non appena la molla ritrae la massa di prova. Le funzioni attivate dipenderanno dal resto del progetto del circuito e dal risultato desiderato all'attivazione del circuito.

Gli interruttori inerziali sono ideali per funzioni quali:

Rilevamento del risveglioper avviare un processo.

Rilevamento degli urtiper richiamare un circuito di sicurezza o terminare un processo.

Monitoraggio del processocontare gli eventi inerziali.

In una situazione in cui si desidera semplicemente un avviso relativo al superamento di una soglia di accelerazione in un determinato momento nel passato, sarebbe necessario un dispositivo di bloccaggio meccanico. In questo caso, invece di un'attivazione momentanea del circuito, il design dell'interruttore inerziale ad aggancio impedirebbe alla molla di invertire la massa di prova e manterrebbe la chiusura del contatto con l'elettrodo stazionario. Ad esempio, la soglia può essere impostata sufficientemente alta da evitare l'allarme con un movimento normale (come una macchina ECG portatile che si spinge su un carrello). Gli impatti superiori alla soglia generano un avviso, ad esempio una luce LED, per avvisare gli utenti che devono ricontrollare la calibrazione.

Il conteggio degli eventi può essere effettuato incrementando un registro per ogni contatto effettuato. Queste informazioni possono indicare quante volte un dispositivo ha superato la soglia di accelerazione desiderata. Ad esempio, un motore intelligente che conta il numero di eventi inerziali superiori a un parametro di sicurezza stabilito.

Un caso d'uso che illustra la funzionalità di un g-switch inerziale è un sistema di riattivazione per il monitoraggio delle merci durante il trasporto. Se un camion colpisce una strada accidentata e il suo carico subisce un carico d'urto superiore a una soglia, l'elettrodo mobile colpirà l'elettrodo fisso e riattiverà il circuito. Questo rilascia un segnale a impulsi per avvisare l'autista che potrebbero essersi verificati possibili danni al carico. (Vedi Fig. 3)