MEMS

あらゆる種類の電気スイッチは、回路を起動し、情報を送信し、アクションを開始します。 慣性スイッチは、特定の加速度しきい値でトリガーされてアクティブになるスイッチです。 関連するイベントによってスイッチが「起動」されるまで電力は消費されないため、超低電力 (ULP) およびリモート アプリケーションに最適です。

小型化されたセンサー製造プロセスにより、特定レベルの慣性力によってトリガーされるスイッチを設計することが可能になります。 微小電気機械システム (MEMS) を使用すると、デバイスが受ける事前設定レベルの力のみに基づいて回路を閉じる小型加速スイッチを設計できます。 通常、慣性スイッチまたは G スイッチと呼ばれ、可動電極として機能するスプリングに吊り下げられたプルーフマスを利用します。 接点は固定電極です。 慣性力がデバイスに作用すると、プルーフマスは固定電極に向かって移動します。 力の大きさと持続時間が十分であれば、可動電極が固定電極に接触し、回路が一時的に閉じます。 その後、回路はバネ (k) によって再び開きます (図 2 を参照)。

現在、広範囲の用途にわたって多数の慣性スイッチが使用されており、所望の性能特性および活性化閾値レベルに応じて電極構成を実現するために多くの異なる技術を利用することができる。 慣性スイッチの重要なパラメータには、応答時間、接触時間、衝撃耐性が含まれます。 応答時間は、慣性イベントが開始された瞬間から可動電極が最初に固定電極に接触するまでの時間遅延です。 接触時間は、2 つの電極が接触を維持する時間です。 衝撃耐性は、デバイスが耐えることができる最大レベルの衝撃の尺度です。 これらの特性はそれぞれ、デバイスのトポグラフィー、スプリングマス電極構成の設計方法、および選択された材料に基づいて制御できます。

スイッチの設計はアプリケーションのニーズによって決まります。たとえば、エアバッグ スイッチには即時の応答時間が必要です。 一方、接触時間の長さは、無関係なノイズではなく実際の慣性イベントが発生したことを確認するための重要な変数である可能性があります。 これは、G 力が低い状況では特に重要です。

スイッチの基本的な動作は瞬間的な閉鎖であるため、バネがプルーフマスを後退させるとすぐに回路はオフになります。 トリガーされる機能は、回路設計の残りの部分と、回路のトリガー時にどのような結果が望まれるかによって異なります。

慣性スイッチは次のような機能に最適です。

ウェイクアップセンシングプロセスを開始します。

衝撃検知安全回路を起動するか、プロセスを終了します。

プロセス監視慣性イベントをカウントします。

過去のある時点で加速度のしきい値を超えたというアラートが必要なだけの状況では、機械的なラッチ デバイスが必要になります。 この場合、回路を瞬間的にトリガする代わりに、ラッチ式慣性スイッチの設計により、スプリングがプルーフマスを反転するのを防ぎ、固定電極との接触閉鎖を維持します。 たとえば、通常の動き (カートの上で押し合うポータブル心電図計など) による警告を避けるために、しきい値を十分に高く設定できます。 しきい値を超える衝撃があると、LED ライトなどの警告が表示され、ユーザーに校正を再確認する必要があることを警告します。

イベントのカウントは、接触が行われるたびにレジスタをインクリメントすることで実行できます。 この情報は、デバイスが必要な加速しきい値を何回超えたかを示すことができます。 たとえば、確立された安全パラメータを超える慣性イベントの数をカウントするスマート モーターです。

慣性 G スイッチの機能を示す使用例は、輸送中の貨物を監視するウェイクアップ システムです。 トラックが悪路に衝突し、積荷が閾値を超える衝撃荷重を受けると、可動電極が固定電極に衝突し、回路が起動します。 これによりパルス信号が発せられ、貨物に損傷が発生した可能性があることをドライバーに警告します。 (図3参照)

慣性力の検出に使用されるその他の技術には、圧電材料、静電構成、加速度計などがあります。

圧電デバイスは、振動センサー、スピーカー、マイク、携帯電話などのサウンドベースのアプリケーションに最適です。 静電力の引き付け/反発の性質により、空気清浄機/フィルター、コピー機、レーザー プリンターに適しています。 ただし、これらの両方には、動作のために継続的な電力が必要であるという欠点があります。

加速度計は、スマートフォンの方向確認からペースメーカーなどの生体認証デバイスに至るまでのアプリケーションで利用されています。 加速度計の構造は、プルーフマスの動きを使用して力と方向を計算するという点で慣性 G スイッチに似ていますが、データの監視、収集、送信という機能を実行するには、加速度計に継続的に電力を供給する必要があります。

ゼロ電力慣性スイッチは、信号によって作動するまで電力使用量がゼロであるという利点と、極端な環境における優れた耐久性を提供します。

MEMS テクノロジーから開発された高度な加工機能により、設計エンジニアは既存のアプリケーションを小型化してエネルギー効率を高めることができるだけでなく、医療用ウェアラブルや VR ゲームなどの次世代アプリケーションにもインスピレーションを与えることができました。 ここでは、ゼロ電力 G スイッチから恩恵を受ける可能性のある追加領域をいくつか紹介します。

高アスペクト比製造 (HARM) では、垂直方向の寸法が横方向の寸法よりも大きいため、慣性スイッチなどの小型デバイスの製造が困難になります。 しかし、微細加工技術の進歩により、MEMS デバイスは多くの商業用途でより容易に利用できるようになりました。 マイクロスイッチの受動的な性質により、小型化と低消費電力が必要な多くのモバイル アプリケーションの改善が可能になります。

この記事は、HT Micro (ニューメキシコ州アルバカーキ) の CEO、Danny Czaja によって書かれました。 詳細については、Czaja 氏までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。 閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。 またはここにアクセスしてください。

この記事は、Sensor Technology Magazine の 2023 年 5 月号に初めて掲載されました。

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