MEMS

Jul 08, 2023

Les interrupteurs électriques de tous types activent des circuits, envoient des informations et déclenchent des actions. Un interrupteur inertiel est un interrupteur qui est déclenché pour s'activer à un seuil d'accélération spécifique. Aucune alimentation n'est consommée tant que le commutateur n'est pas "réveillé" par l'événement concerné, ce qui le rend idéal pour les applications ultra-basse consommation (ULP) et distantes.

Les procédés de fabrication de capteurs miniaturisés permettent de concevoir un interrupteur déclenché par un niveau de force d'inertie spécifique. À l'aide de systèmes microélectromécaniques (MEMS), des interrupteurs d'accélération miniatures peuvent être conçus pour fermer un circuit uniquement en fonction d'un niveau de force prédéfini subi par l'appareil. Généralement appelé inertiel ou G-switch, il utilise une masse d'épreuve suspendue à un ressort, agissant comme une électrode mobile. Le point de contact est une électrode fixe. Lorsqu'une force d'inertie est exercée sur le dispositif, la masse d'épreuve se déplace vers l'électrode fixe. Si l'amplitude et la durée de la force sont suffisantes, l'électrode mobile touchera l'électrode fixe, fermant momentanément le circuit. Le circuit sera alors rouvert par le ressort (k) (Voir Fig. 2).

Il existe de nombreux commutateurs inertiels utilisés aujourd'hui dans une large gamme d'applications, et de nombreuses techniques différentes peuvent être utilisées pour réaliser une configuration d'électrode en fonction des caractéristiques de performance souhaitées et des niveaux de seuil d'activation. Les paramètres clés d'un commutateur inertiel comprennent le temps de réponse, le temps de contact et la capacité de survie aux chocs. Le temps de réponse est le délai entre le moment où l'événement inertiel est initié et celui où l'électrode mobile touche initialement l'électrode fixe. Le temps de contact est la durée pendant laquelle les deux électrodes restent en contact. La capacité de survie aux chocs est une mesure du niveau maximum de choc que l'appareil peut supporter. Chacune de ces caractéristiques peut être contrôlée en fonction de la topographie de l'appareil, de la conception de la configuration de l'électrode de masse-ressort et des matériaux sélectionnés.

La conception du commutateur est déterminée par les besoins de l'application - par exemple, un commutateur d'airbag nécessite un temps de réponse immédiat. D'autre part, la durée du temps de contact peut être la variable cruciale pour déterminer qu'un événement inertiel réel s'est produit plutôt qu'un bruit non pertinent. Ceci est particulièrement important dans des conditions de force g faible.

L'action de base de l'interrupteur étant une fermeture momentanée, le circuit s'éteint dès que le ressort rétracte la masse d'épreuve. Les fonctions déclenchées dépendront du reste de la conception du circuit et du résultat souhaité lors du déclenchement du circuit.

Les commutateurs inertiels sont idéaux pour les fonctions telles que :

Détection de réveilpour lancer un processus.

Détection de chocpour invoquer un circuit de sécurité ou terminer un processus.

Surveillance de processuscompter les événements inertiels.

Dans une situation où vous voulez simplement une alerte qu'un seuil d'accélération a été dépassé à un moment donné dans le passé, un dispositif de verrouillage mécanique serait nécessaire. Dans ce cas, au lieu d'un déclenchement momentané du circuit, la conception de l'interrupteur inertiel à verrouillage empêcherait le ressort d'inverser la masse d'épreuve et maintiendrait la fermeture du contact avec l'électrode fixe. Par exemple, le seuil peut être réglé suffisamment haut pour éviter d'alerter avec un mouvement normal (comme une machine ECG portable se bousculant au sommet d'un chariot). Les impacts au-dessus du seuil déclenchent un avertissement tel qu'un voyant LED pour avertir les utilisateurs qu'ils doivent revérifier l'étalonnage.

Le comptage des événements peut être réalisé en incrémentant un registre pour chaque contact établi. Ces informations peuvent indiquer combien de fois un appareil a dépassé le seuil d'accélération souhaité. Par exemple, un moteur intelligent qui compte le nombre d'événements inertiels au-dessus d'un paramètre de sécurité établi.

Un cas d'utilisation qui illustre la fonctionnalité d'un g-switch inertiel est un système de réveil pour surveiller le fret pendant le transport. Si un camion heurte une route accidentée et que son fret subit une charge de choc supérieure à un seuil, l'électrode mobile heurtera l'électrode fixe et réveillera le circuit. Cela libère un signal d'impulsion pour alerter le conducteur que d'éventuels dommages au fret peuvent s'être produits. (Voir fig. 3)

Les autres technologies utilisées pour la détection de la force d'inertie comprennent les matériaux piézoélectriques, les configurations électrostatiques et les accéléromètres.

Les dispositifs piézoélectriques sont idéaux pour les applications basées sur le son telles que les capteurs de vibrations, les haut-parleurs, les microphones et les téléphones portables. La nature attractive/répulsive des forces électrostatiques les rend adaptées aux épurateurs/filtres à air, aux photocopieurs et aux imprimantes laser. Cependant, ces deux éléments ont l'inconvénient de nécessiter une alimentation continue pour fonctionner.

Les accéléromètres sont utilisés dans des applications allant de l'orientation des smartphones aux dispositifs biométriques tels que les stimulateurs cardiaques. La construction d'un accéléromètre est similaire au commutateur inertiel en ce sens qu'il utilise le mouvement d'une masse d'épreuve pour calculer la force et la direction. Cependant, les accéléromètres doivent être alimentés en continu afin de remplir leur fonction de surveillance, de collecte et de transmission de données.

Le commutateur inertiel à puissance nulle offre les avantages d'une consommation d'énergie nulle jusqu'à ce qu'il soit activé par un signal, ainsi qu'une durabilité supérieure dans des environnements extrêmes.

Les capacités d'usinage avancées développées à partir de la technologie MEMS ont permis aux ingénieurs de conception de rendre les applications existantes plus petites et plus économes en énergie, ainsi que d'inspirer les applications de nouvelle génération, telles que les dispositifs médicaux portables et les jeux VR. Voici quelques domaines supplémentaires qui pourraient bénéficier du commutateur G à alimentation nulle :

La fabrication à rapport d'aspect élevé (HARM), dans laquelle les dimensions verticales sont supérieures aux dimensions latérales, rend difficile la fabrication de dispositifs miniatures tels que le commutateur inertiel. Cependant, avec les progrès des techniques de microfabrication, les dispositifs MEMS sont devenus plus facilement disponibles pour de nombreuses applications commerciales. La nature passive du micro-commutateur ouvre des améliorations dans de nombreuses applications mobiles où la miniaturisation et la faible consommation d'énergie sont nécessaires.

Cet article a été écrit par Danny Czaja, PDG, HT Micro (Albuquerque, NM). Pour plus d'informations, contactez M. Czaja à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir. ou rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de mai 2023 de Sensor Technology Magazine.

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