IEEE MEMS2025 | 具有非对称双势阱机制的自供能惯性开关

逍遥设计自动化

引言
在现代传感技术的发展背景下，自供能惯性开关在唤醒和事件驱动监测应用中扮演着重要角色。这类器件具有成本低和功耗小的优势，在植入式医疗保健和物联网系统等领域有广泛应用[1]。

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1 Z$ ]4 B' c9 j5 @, U图1：所提出的自供能惯性开关的完整结构和组件，包括(a)器件架构示意图，(b)展示非对称双稳态能量收集机制的集总模型，以及(c)与闭合磁路集成的微型线圈。

传统的自供能传感系统通常依赖分离的振动能量收集器和传感器，需要复杂的集成和额外的信号处理及能量管理线路。这种传统方法在小型化和实际应用方面面临挑战。本文提出的创新解决方案引入了一种非对称双稳态振荡器，能够产生由深势阱和浅势阱组成的势阱结构，使单个器件实现能量收集和冲击感应双模式功能。
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% F9 m! ^# `. u- |& Z. c图2：展示(a)非对称双稳态构型的总恢复力和(b)势阱特性。

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' J/ t- P7 ~2 e3 r+ x9 |6 a工作原理和技术创新
该器件的核心创新在于非对称双势阱机制。这种设计使器件能够通过深势阱内的势阱内振荡实现宽带能量收集，同时在激励强度低于目标信号阈值时保持较强的抗误触发性能。当超过触发阈值时，可移动电极会克服深势阱，通过势阱间振荡与固定电极接触。

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图3：展示器件的工作模式：(a)模式I：振荡器在深势阱内进行能量收集，(b)模式II：振荡器从深势阱过渡到浅势阱进行冲击感应。
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4 k9 E$ p+ R2 J8 C7 K# d! U系统设计和性能分析
$ H* t+ g! j) B$ ^系统设计包含多项创新特点，实现双重功能。器件采用永磁体-软磁体耦合配置产生非线性磁力，通过与微型弹簧协同作用实现双稳态效应。通过使磁体对沿正振动方向偏离中性平面，系统产生非对称非线性磁力，形成独特的非对称势阱结构。
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% w  i7 _: D% E3 E6 {" g3 o; x图4：分析结果展示(a)频率扫描和冲击激励下的时域响应，(b)不同偏移间隙下的势阱特性，以及(c)偏移间隙与触发阈值的关系。

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# |& O0 K, V% [7 f9 J7 C实验验证和结果
4 `: q7 o$ W+ x器件的实际实现采用全集成制造工艺，制作出尺寸为9×12×1 mm3的原型。制造工艺集成了多个关键组件，包括平面非线性弹簧、微型线圈和底部固定电极。
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图5：所提出器件的集成制造工艺，展示各组件逐步构建过程。
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实验结果显示出优异的性能特征。对于具有100μm偏移间隙的非对称双稳态构型，器件在2g的弱加速度下实现宽带能量收集，最大电压达262mV。即使在高达20g的加速度下，器件仍能在深势阱内保持稳定的势阱内振荡，展示出优秀的抗误触发能力，同时保持有效的能量收集。

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+ L" D4 T/ k, k  Q图6：实验结果展示(a)能量收集性能和(b)不同激励强度下的位移特性。

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1 e0 r1 d) ^  N2 p0 l图7：综合测试结果展示(a)能量收集和冲击感应性能，以及(b)抗误触发特性。
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' z) f6 X5 J& H1 X+ b1 {2 M' {( w结论
这种自供能惯性开关的新型方法在微机电系统器件领域具有显著优势。能量收集和冲击感应功能集成到单个双稳态振荡器中，结合精心控制的非对称势阱结构，使器件在各种应用中实现稳健可靠的运行。实验证明的性能特征，包括宽带能量收集能力和增强的抗误触发保护，使该器件在零功耗唤醒和事件驱动监测应用中表现出良好的应用价值。

参考文献
[1] K. Wang, C. Ren, R. Zhang, Y. Luo and D. Zhang, "A Self-Powered Inertial Switch with Asymmetry Double-Well Potential Mechanism for Anti-False Triggering," in IEEE MEMS 2025, Kaohsiung, Taiwan, 2025, pp. 36-39.
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