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一种微型重力开关的设计

日期:2018-11-05 18:51|来源:未知
张浩茹
( 山西大学 , 山西太原,030009)
摘要 :本文介绍了一种由重力敏感式电容构成的重力式电子倒置开关。该微型重力开关包括密封壳体及其内部的重力 开关结构。其中,重力开关结构的开关电路主要由中立控制的 RC 振荡电路、以及在 4060 集成芯片上搭建的延时触发电 路等两部分够成。其电性能测试结果显示 :该微型重力开关的工作电流不大于 1mA, 休眠电流不大于 10μA。
关键词 :动态存储测试 ;重力开关 ;微功耗
引言 微型重力开关属于微型倒置开关技术领域,是针对倒置 或方向敏感的系统而研发的一种开关装置。本文中涉及的是 一种由重力控制的 RC 振荡电路构成的微型重力开关。该重力 式开关电路的振荡电路由 RC 选频网络和 4060 振荡器集成芯 片构成,如图 1 所示,其中,重力控制的可变敏感电容值决定 了电子电路的起振情况 ;同时,为保证倒置开关的工作稳定 性,利用 4060 的计数器功能设计了延时触发电路。 该重力式开关电路中的外接 RC 选频网络是由重力敏 感电容 CX、固定电容 C 串联而成的电容 Ct 以及电阻构成的, 该 RC 振荡电路产生的振荡信号频率 ƒRC 为 : ƒRC=1/2.5RCt, Ct=CXC/(CX+C)。 图 1 微型重力开关电子电路原理图 4060 是一款集振荡器与计数器功能于一体的芯片,根据 4060 芯片手册可知,敏感电容 Cx 与固定电容 C 串联后形成 的电容 Ct 必须要大于下限值 100pF,4060 计数器与 RC 选频 网络构成的振荡电路才能够起振,产生振荡信号。即 :
100 C pF 由t > x t x C C C C C ⋅ = +
 可得出 Cx 的选择值范围为 : 100 100 x C C pF C > + 由此可以得出 :电子电路产生振荡信号需要满足的条件 是 :敏感电容 CX 需大于下限值 100C/(100+C) pF,而敏感电容 CX 的电容值完全是由活动导电极板在重力作用下与固定极板 所处的相对位置而决定。这就是微型重力开关的基本原理。 经测试,敏感电容 Cx 只有在完全倒置(旋转 180°)或接 近完全倒置时,振荡电路才能够起振 , 振荡信号传输至 4060 的计数电路,经计数延时后由 4060 集成芯片发出开关信号, 该重力式电子倒置开关才能够导通。因此,该微型重力开关 工作状态稳定,可靠性高,同时,该微型重力开关体积小,微 功耗,成本低,易制作,在军用领域和民用领域,均具有重要 的实际应用价值。
1 基于振荡电路电容开关的设计

1.1 变间距式敏感电容研究 重力式可变电容 Cx 是微型重力开关的重力敏感单元,也 称为敏感电容,是构成 RC 选频网络的重要组成部分。如图 2 所示,Cx 由两块相同的固定于密封壳体 6 内一端面的固定 导电极板 1、2 和内置于壳体内另一端面的一块活动导电极 板 3 构成,固定导电极板 1、2 不相接触,壳体内壁光滑,极板

2 开关性能测试及可靠性分析 通过对该产品进行电性能测试,结果显示 :该微型重力 开关的工作电流不大于 1mA, 休眠电流不大于 10μA。这说明 该微型重力开关符合自启动开关的要求,具备微功耗的性能 优势。 本文所涉及的微型重力开关只有在完全倒置或接近完 全倒置这两种情况下,敏感电容 Cx 的电容值足够大,RC 振 荡电路才能够起振,振荡信号经 4060 计数器进行延时触发后 发出开关信号,重力开关被导通后能保持稳定的导通状态 ; 当微型重力开关从完全倒置状态,即旋转 180 度的状态再旋 转过大于 90 度后,即旋转角度大于 270°时,敏感电容 Cx 的 活动导电极板 3 和两固定极板 1、2 的间隙较大,这种情况下, 敏感电容 CX 的电容值小于限定值 100C/(100+C) pF,振荡电 路不再产生振荡信号,该微型重力开关才会断开并能保持稳 定的不导通状态,直至微型重力开关被再次倒置。 图 7 示出敏感电容 Cx 旋转 360°活动导电极板呈现各 种状态时的重力开关导通情况,可以看出该微型重力开关的 导通角度 ϒ 范围是接近 180°~大于 270°的倒置角度,该 微型重力开关被导通和被断开后均能保持较为稳定的信号 输出状态 , 充分反映了该微型重力开关工作的稳定性可靠 性以及开关状态转换的稳定性。

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