中华人民共和国国家计量技术规范
JJF 2306—2025
微机电系统(MEMS)惯性冲击开关
校准规范
Calibration Specification for Micro-electromechanical Systems (MEMS)
Inertial Shock Switches
2025-09-08发布2025-12-08实施
国家市场监督管理总局 发布
归口单位:全国惯性技术计量技术委员会
主要起草单位:北京大学
安徽京芯传感科技有限公司
广东省计量科学研究院
北京智芯传感科技有限公司
参加起草单位:北京空间机电研究所
本规范委托全国惯性技术计量技术委员会负责解释
JJF 2306—2025
本规范主要起草人:
张 威(北京大学)
张亚婷(安徽京芯传感科技有限公司)
杨德俊(广东省计量科学研究院)
李 宋(北京智芯传感科技有限公司)
参加起草人:
周浩楠(北京智芯传感科技有限公司)
白先民(北京空间机电研究所)
陈得民(北京大学)
JJF 2306—2025
目 录
引言……………………………………………………………………………………… (Ⅱ)
1 范围…………………………………………………………………………………… (1)
2 引用文件……………………………………………………………………………… (1)
3 术语和定义…………………………………………………………………………… (1)
4 概述…………………………………………………………………………………… (1)
5 计量特性……………………………………………………………………………… (2)
6 校准条件……………………………………………………………………………… (2)
6.1 校准环境条件……………………………………………………………………… (2)
6.2 仪器及设备………………………………………………………………………… (3)
7 校准项目及方法……………………………………………………………………… (3)
7.1 校准项目…………………………………………………………………………… (3)
7.2 校准方法…………………………………………………………………………… (3)
8 校准结果表达………………………………………………………………………… (5)
9 复校时间间隔………………………………………………………………………… (6)
附录A 校准证书内页格式…………………………………………………………… (7)
附录B MEMS惯性冲击开关测量不确定度评估示例……………………………… (8)
Ⅰ
JJF 2306—2025
引 言
JJF 1001—2011 《通用计量术语及定义》、JJF 1071—2010 《国家计量标准规范编号
规则》、JJF 1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》共同构成制定本规范的基础性系
列规范。
本规范在参考GJB 8154—2013 《低阈值冲击加速度开关通用规范》和IEC 62047—
40 《半导体器件 微机电器件 第40部分:微机电惯性冲击开关阈值测试方法》(Semiconductor
devices—Micro-electromechanical devices—Part 40:Test methods of Microelectromechanical
inertial shock switch threshold)中3.1和5.2.1.2的基础上,并结合
微机电系统(MEMS)惯性冲击开关的自身特性编制。
本规范为首次发布。
Ⅱ
JJF 2306—2025
微机电系统(MEMS)惯性冲击开关
校准规范
1 范围
本规范规定了微机电系统(MEMS)惯性冲击开关的校准项目和校准方法。本规范
适用于量程为490 m/s2~98 000 m/s2 的常开型和常闭型冲击开关的校准。
2 引用文件
本规范引用了下列文件:
JJG 1174—2021 冲击、碰撞试验台检定规程
JJF 1156—2006 振动 冲击 转速计量术语及定义
JJF 1675—2017 惯性技术计量术语及定义
IEC 62047-40 半导体器件 微机电器件 第40部分:微机电惯性冲击开关阈值测
试方法(Semiconductor devices—Micro-electromechanical devices—Part 40:Test methods
of Micro-electromechanical inertial shock switch threshold)
凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文
件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。
3 术语和定义
JJF 1675—2017、JJF 1156—2006和IEC 62047-40界定的以及下列术语和定义适用
于本规范。
3.1 MEMS惯性冲击开关 MEMS inertial shock switch
采用MEMS技术加工制作,并在规定大小的加速度作用下通过固定电极和可动电
极的接触、分离实现闭合、断开功能的器件。
注:也称为阈值开关、加速度开关或者g 值开关。
3.2 动作 act
冲击加速度开关动作是指开关闭合(常开型)或断开(常闭型)。
3.3 静态阈值 static threshold
在恒定加速度作用下,使MEMS惯性冲击开关动作的最小加速度值。
3.4 动态阈值 dynamic threshold
在冲击脉冲加速度作用下,使MEMS惯性冲击开关动作的冲击加速度值。
4 概述
MEMS惯性冲击开关(简称开关)按常态下的开关闭合、断开状态可分为常闭型
和常开型。
开关的工作原理:可动电极(质量块)在敏感方向加速度的作用下,偏离平衡位置
1
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向固定电极运动或远离固定电极运动,实现可动电极与固定电极接触或分离,使开关闭
合或断开。
开关的基本模型是质量块弹簧阻尼系统,即质量为m 的质量块与弹性系数为k 的
弹簧构成的系统,阻尼系数为c,如图1所示。当质量块在外界加速度产生的惯性力作
用下产生一定位移,该位移与输入加速度相关,其简化的物理模型可由公式(1)表示:
m d2x(t)
dt2 +cdx(t)
dt +kx(t)=-ma(t) (1)
式中:
m ———质量块质量,kg;
c———阻尼系数,N·s/m;
k———弹簧刚度,N/m;
x———质量块的相对位移,m;
a———输入加速度,m/s2。
a
a
BU CU K
图1 开关的物理模型
1—弹簧;2—质量块;3—可动电极;4—固定电极;5—衬底
5 计量特性
开关的计量特性见表1。
表1 计量特性
序号计量特性推荐指标
1 静态阈值示值相对误差±10%
2 动态阈值示值相对误差±10%
注:以上指标不作为合格性判定条件,仅供参考。
6 校准条件
6.1 校准环境条件
6.1.1 温度:15 ℃~35 ℃。
6.1.2 相对湿度:20%~80%。
6.1.3 周围无强电磁场,无腐蚀性气体或液体,无强震源。
2
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6.2 仪器及设备
校准用仪器设备及其推荐技术指标见表2。
表2 仪器设备及其推荐技术指标
序号仪器设备技术指标校准参数
1 冲击试验台
(含标准传感器)
a)标准传感器最大允许误差:±3%;
b)半正弦冲击脉冲波:符合JJG 1174—2021
半正弦冲击脉冲波形的容差;
c)冲击台加速度范围:498 m/s2~147 000 m/s2
动态阈值示值
相对误差
2 离心机a)加速度不确定度:1%;
b)加速度范围:498 m/s2~98 000 m/s2
静态阈值示值
相对误差
7 校准项目及方法
7.1 校准项目
校准项目见表3。
表3 校准项目一览表
序号校准项目校准方法
1 静态阈值示值相对误差7.2.1
2 动态阈值示值相对误差7.2.2
7.2 校准方法
7.2.1 静态阈值示值相对误差
7.2.1.1 校准程序
1)开关安装到离心机转盘上,按照测试电路(如图2所示)连接,使开关敏感方
向与离心机向心加速度方向平行。
RL
US a
URL
K1
图2 测试电路
US—直流电源;K1—冲击开关;RL—负载电阻;a—施加加速度;URL —RL 两端电压
2)离心机发生与开关给定静态阈值S 相同的加速度值St11 ,采集负载电阻两端
电压。
a)若负载电阻电压未变化,开关没有动作,则按照递增幅度为 St11
的1%,将St11
递增至St12 ,观察并记录负载电阻电压。依次增加加速度值,直至负载电阻电压发生变
化(如图3所示),开关动作(如表4步骤1所示),则加速度St1i 为测试静态阈值St;
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K
BD*
K* K
K
BD*
K*
BUBD*K* U U CUBD*K* U K U
图3 负载电阻电压曲线
b)若负载电阻电压发生变化,开关动作,则按照递减幅度为St11
的1%,将St11
递
减至St21 ,记录负载电阻电压。依次减小加速度值,直至负载电阻电压未发生变化,则
前一个加速度值为开关静态阈值,如表4步骤2所示,St(i-1)1
即为测试静态阈值St。
表4 静态阈值测试开关动作表
步骤1 步骤2
加速度开关状态加速度开关状态
St11 × St11 √
St12 × St21 √
St13 × St31 √
St14 × St41 √
St15 × St51 √
︙ × ︙ √
St1(i-1) × St(i-1)1 √
St1i √ Sti1 ×
注:×表示未动作,√表示动作。
7.2.1.2 数据处理
通过公式(2)计算静态阈值示值相对误差。
Es=St-S
S (2)
式中:
St———测试静态阈值,m/s2;
S———给定静态阈值,m/s2;
Es———静态阈值示值相对误差。
7.2.2 动态阈值示值相对误差
7.2.2.1 校准程序
1)将开关与标准加速度计背靠背装配到冲击试验台上,使开关和标准加速度计的
敏感方向与冲击加速度方向平行。开关外接入测试电路,采集设备记录标准加速度计和
测试电路中负载电阻RL 电压输出波形。
2)根据开关给定动态阈值D ,施加峰值加速度大小为1.5倍动态阈值D 的半正弦
冲击脉冲波,对应的冲击脉宽可参考表5中的推荐值。
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表5 冲击加速度与脉宽推荐值对应表
序号加速度 /(m/s2) 脉宽/ms
1 490 11.0
2 980 6.0
3 4 900 1.0
4 9 800 0.7
5 14 700 0.5
6 29 400 0.3
7 49 000 0.3
8 98 000 0.2
9 147 000 0.1
3)标准加速度计和测试电路中负载电阻RL 电压输出波形如图4所示,得到开关动
作时对应的加速度即为动态阈值Dt。
E
BD*K
* D
E *
D
Dt
D
Dt
t t
E
BD*K
* D
E *
BU CU K
图4 输出波形
7.2.2.2 数据处理
通过公式(3)计算动态阈值示值相对误差。
Ds=Dt-D
D (3)
式中:
Dt———测试动态阈值,m/s2;
D ———给定动态阈值,m/s2;
Ds———动态阈值示值相对误差。
8 校准结果表达
校准结果应在校准证书或校准报告上反映。校准证书或报告至少应包括以下信息:
a)标题:“校准证书”或“校准报告”;
b)实验室名称和地址;
c)进行校准地点(如果与实验室的地址不同);
d)证书或报告的唯一标识(如编号),每页及总页数的标识;
e)客户的名称和地址;
f)被校对象的描述和明确标识;
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g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的
接收日期;
h)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;
i)校准装置的溯源性及有效性标识;
j)校准环境的描述;
k)校准结果及测量不确定度的说明;
l)校准证书或报告签发人的签名、职务或等效标识;
m)校准结果仅对被校对象有效的说明;
n)未经实验室书面批准,不准部分复制证书的声明。
9 复校时间间隔
建议复校时间间隔为1年。送检单位可根据实际使用情况自主决定。
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附录A
校准证书内页格式
证书编号:
校准环境条件
温 度: ℃
相对湿度: %
地点:
其他:
序号校准项目校准结果
1 静态阈值示值相对误差
2 动态阈值示值相对误差
测量不确定度:
校准员: 核检员:
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附录B
MEMS惯性冲击开关测量不确定度评估示例
B.1 静态阈值示值相对误差测量不确定度评估
B.1.1 测量模型
测量模型为式(B.1):
Es=St-S
S (B.1)
式中:
St———测试静态阈值,m/s2;
S———给定静态阈值,m/s2;
Es———静态阈值示值相对误差。
静态阈值示值相对误差测量不确定度传播模型为式(B.2):
u2(Es)=1S
2
u2(St)+ -St
S2 2
u2(S) (B.2)
B.1.2 测量不确定度来源
1)测试静态阈值引入的不确定度分量u(St);
2)给定静态阈值引入的不确定度分量u(S)。
B.1.3 标准不确定度评定
B.1.3.1 测试静态阈值引入的不确定度分量u(St)
测试静态阈值引入的不确定度分量包括:测量重复性引入的不确定度u(as1)、离心
加速度离散引入的不确定度u(as2)。
1)测量重复性引入的不确定度u(as1)
对静态阈值为9 800 m/s2 的冲击开关进行测量,测量10次结果见表B.1。
表B.1 测量结果
测量次序静态阈值/(m/s2)
1 9 898
2 9 800
3 9 800
4 9 898
5 9 702
6 9 702
7 9 898
8 9 800
9 9 898
10 9 702
测得值实验标准偏差为式(B.3):
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s(xk)= 1 n -1Σn
i=1 (xi -x)2 ≈85.8 m/s2 (B.3)
由此得到式(B.4):
u(as1)=85.8 m/s2 (B.4)
2)离心加速度离散引入的不确定度u(as2)
由于加速度值的递增(减)幅度为1%,则离心加速度离散误差为1%,以测量静
态阈值为9 800 m/s2 的冲击开关为例,按均匀分布考虑,得到式(B.5):
u(as2)=0.01
3 ×9 800 m/s2≈56.58 m/s2 (B.5)
测试静态阈值各不确定度分量互相独立,则测试静态阈值引入的不确定分量u(St)
为式(B.6):
u(St)= u2(as1)+u2(as2)≈102.8 m/s2 (B.6)
B.1.3.2 给定静态阈值引入的不确定度分量u(S)
通过计量部门校准证书可以得到,某离心机的加速度测量不确定度为Urel=1%,
k=2,以测量静态阈值为9 800 m/s2 (1 000 g)的冲击开关为例,给定静态阈值为
9 800 m/s2,则不确定度分量为式(B.7):
u(S)=0.01×9 800
2
m/s2=49 m/s2 (B.7)
B.1.4 合成标准不确定度
静态阈值示值相对误差的合成标准不确定度按照式(B.8)计算:
uc(Es)= 1S
2
u2(St)+ -St
S2 2
u2(S) (B.8)
给定静态阈值S 为9 800 m/s2,测试静态阈值St 为9 898 m/s2,u(S)=49 m/s2,
u(St)=102.8 m/s2,可得u(Es)=1.2×10-2。
B.1.5 扩展不确定度
取包含因子k=2,静态阈值示值相对误差的扩展不确定度为式(B.9):
U1=k×u(Es)=2.4×10-2 (B.9)
B.2 动态阈值示值误差测量不确定度评估
B.2.1 测量模型
测量模型为式(B.10):
Ds=Dt-D
D (B.10)
式中:
Dt———测试动态阈值,m/s2;
D ———给定动态阈值,m/s2;
Ds———动态阈值示值相对误差。
动态阈值示值相对误差测量不确定度传播模型为式(B.11):
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u(Ds)= 1D
2
u2(Dt)+ -Dt
D2 2
u2(D ) (B.11)
B.2.2 测量不确定度来源
1)测试动态阈值引入的不确定度分量u(Dt);
2)给定动态阈值引入的不确定度分量u(D )。
B.2.3 标准不确定度评定
B.2.3.1 测试动态阈值引入的不确定度分量u(Dt)
测试动态阈值引入的不确定度分量u(Dt)包括:测量重复性引入的不确定度u(ad1),
采集同步性引入的不确定度u(ad2)。
1)测量重复性引入的不确定度u(ad1)
对动态阈值为9 800 m/s2 的冲击开关进行测量,测量10次结果见表B.2。
表B.2 测量结果
测量次序动态阈值/(m/s2)
1 9 917.6
2 9 996
3 9 878.4
4 9 731.4
5 9 888.2
6 9 849
7 9 702
8 9 819.6
9 9 809.8
10 9 760.8
测得值实验标准偏差为式(B.12):
s(xk)= 1 n -1Σn
i-1 (xi -x)2 ≈89.7 m/s2 (B.12)
得到式(B.13):
u(ad1)=89.7 m/s2 (B.13)
2)采集同步性引入的不确定度u(ad2)
采集同步性引入的最大允许误差为1%,以测量动态阈值为9 800 m/s2 的冲击开关
为例,按照均匀分布考虑,则不确定度为式(B.14):
u(ad2)=0.01
3 ×9 800 m/s2≈56.6 m/s2 (B.14)
测试动态阈值各不确定度分量互相独立,则测试动态阈值引入的不确定分量u(Dt)
为式(B.15):
u(Dt)= u2(ad1)+u2(ad2)≈106.06 m/s2 (B.15)
B.2.3.2 给定动态阈值引入的不确定度分量u(D )
通过计量部门校准证书可以得到,冲击台最大允许误差为±3%,以测量动态阈值
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为9 800 m/s2 的冲击开关为例,则不确定度为式(B.16):
u(D )=0.03
3 ×9 800 m/s2≈169.7 m/s2 (B.16)
B.2.4 合成标准不确定度
动态阈值示值相对误差的合成不确定度按照式(B.17)计算:
uc(Ds)= 1D
2
u2(Dt)+ -Dt
D2 2
u2(D ) (B.17)
给定动态阈值为9 800 m/s2,测试动态阈值为9 702 m/s2,u(D )=169.7 m/s2,
u(Dt)=106.06 m/s2,可得u(Ds)=2.1×10-2。
B.2.5 扩展不确定度
取包含因子k=2,则动态阈值示值相对误差扩展不确定度为式(B.18):
U2=2×u(Ds)=4.2×10-2 (B.18)
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