基于MEMS技術(shù)的低g值微慣性開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與制作*

王 超，陳光焱，吳嘉麗

(中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽(yáng)621900)

慣性開(kāi)關(guān)是一種感受慣性加速度，執(zhí)行開(kāi)關(guān)機(jī)械動(dòng)作的精密慣性裝置，低g值是指慣性開(kāi)關(guān)閉合閾值范圍為1gn～30gn(gn:標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，1gn=9.8 m/s2)，在汽車安全氣囊、工業(yè)安全控制和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1～2］。慣性開(kāi)關(guān)大多采用典型的“彈簧－質(zhì)量－阻尼”結(jié)構(gòu)，要求具有無(wú)源、小體積、機(jī)械濾波等特點(diǎn)。對(duì)低g值慣性開(kāi)關(guān)而言，應(yīng)該響應(yīng)的信號(hào)是準(zhǔn)靜態(tài)的、頻率近乎為零的線性加速度信號(hào)，試驗(yàn)中這種信號(hào)一般由離心機(jī)產(chǎn)生。除了這種應(yīng)該響應(yīng)的信號(hào)外，慣性開(kāi)關(guān)工作環(huán)境中還必然存在一些由沖擊或振動(dòng)產(chǎn)生的各種高頻干擾信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)，低g值慣性開(kāi)關(guān)的“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)必須具備較低的固有頻率，并輔以適當(dāng)?shù)淖枘釛l件［3］，從而使其結(jié)構(gòu)本身可實(shí)現(xiàn)機(jī)械濾波，降低對(duì)振動(dòng)或沖擊等干擾信號(hào)的響應(yīng)，避免慣性開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作。傳統(tǒng)的低g值慣性開(kāi)關(guān)一般采用精密機(jī)械加工，存在零件較多、裝配復(fù)雜、體積較大等不足。MEMS技術(shù)的發(fā)展和微加工水平的提高為研制體積小、綜合性能更優(yōu)的微慣性開(kāi)關(guān)提供了技術(shù)支撐，因此采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)低g值慣性開(kāi)關(guān)具有重要的研究?jī)r(jià)值。

目前報(bào)導(dǎo)的大部分微慣性開(kāi)關(guān)的閉合閾值均大于50gn，主要應(yīng)用于高g值加速度的沖擊環(huán)境條件下［4～7］，關(guān)于低g值微慣性開(kāi)關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道相對(duì)較少。郭濤［8］等人為解決金屬接觸可能導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)工作失靈，提出了一種低驅(qū)動(dòng)電壓的非接觸式微加速度開(kāi)關(guān)(閉合閾值為5gn)，進(jìn)行了力電耦合理論計(jì)算和仿真分析驗(yàn)證，但并未給出試驗(yàn)驗(yàn)證。Kwanghun Yoo等人［9］利用金屬液體(水銀)密度大、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，研制了一種微液滴開(kāi)關(guān)，通過(guò)改變微通道結(jié)構(gòu)尺寸，可實(shí)現(xiàn)各種閉合閾值的設(shè)計(jì)。微液滴開(kāi)關(guān)成功解決了常見(jiàn)機(jī)械觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)存在的接觸電阻大、接觸不可靠等問(wèn)題，但體積仍相對(duì)較大，同時(shí)水銀是劇毒材料，對(duì)人體和環(huán)境都具有較大的傷害。陳光焱等人［10］采用UV－LIGA工藝成功研制了一種基于阿基米德螺旋線的低g值微慣性開(kāi)關(guān)，閉合閾值約為21.3gn。但是，微電鑄工藝制作的螺旋梁存在針孔和積瘤等缺陷、以及結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度和內(nèi)應(yīng)力等問(wèn)題［11］，產(chǎn)品的成品率較低。本文采用缺陷非常少的單晶硅作為結(jié)構(gòu)材料，結(jié)合MEMS體硅加工工藝的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種基于平面矩形螺旋梁結(jié)構(gòu)的低g值微慣性開(kāi)關(guān)，并進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)和分析。采用MEMS體硅加工工藝和圓片級(jí)封裝技術(shù)，完成了微慣性開(kāi)關(guān)的制作，并對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行了離心試驗(yàn)測(cè)試和導(dǎo)通電阻測(cè)試。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 基于平面矩形螺旋梁的低g值微慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

基于平面矩形螺旋梁結(jié)構(gòu)的低g值微慣性開(kāi)關(guān)采用雙觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由封蓋、管芯、臺(tái)階和基底四部分組成。管芯為慣性敏感單元，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的核心部件，包括懸空的感知慣性加速度的方形質(zhì)量塊，和兩根結(jié)構(gòu)完全相同的低剛度平面矩形螺旋梁，三者組成低頻的“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)。帶有淺槽的封蓋用于限制質(zhì)量塊的反向運(yùn)動(dòng)，保護(hù)“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)。臺(tái)階形成質(zhì)量塊和基底的初始間距Z0。平面矩形螺旋梁位于質(zhì)量塊厚度方向上的中心平面內(nèi)，從而大大降低在非敏感方向上的加速度信號(hào)對(duì)慣性開(kāi)關(guān)工作的干擾。考慮結(jié)構(gòu)的加工工藝性，通過(guò)增加平面矩形螺旋梁的彎折圈數(shù)即梁的長(zhǎng)度，從而有效地降低了梁在OZ方向上的剛度，實(shí)現(xiàn)低頻“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。慣性開(kāi)關(guān)的工作原理為:在OZ方向上慣性加速度的作用下，可動(dòng)質(zhì)量塊向固定基底運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加速度達(dá)到閉合閾值時(shí)，質(zhì)量塊底面上的金屬層與基底上的兩個(gè)金屬觸點(diǎn)同時(shí)接觸，從而提供開(kāi)關(guān)導(dǎo)通信號(hào)。

在OZ方向上慣性加速度a(t)的作用下，慣性開(kāi)關(guān)的力學(xué)平衡方程可以表示為［4］:

其中z(t)為質(zhì)量塊相對(duì)基底的運(yùn)動(dòng)位移;ξ為系統(tǒng)阻尼比;Ω=2πf為“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)固有角頻率;k、m、β分別為系統(tǒng)的有效剛度、有效質(zhì)量和阻尼系數(shù)。由于低gn值慣性開(kāi)關(guān)敏感的慣性加速度信號(hào)是準(zhǔn)靜態(tài)的、頻率近乎為零，采用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法［13］，忽略方程(1)的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，慣性開(kāi)關(guān)的閉合閾值可以表示為:

其中負(fù)號(hào)取決于參考方向。可以看出:①慣性開(kāi)關(guān)“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)參數(shù)(k，m)由設(shè)計(jì)輸入:慣性開(kāi)關(guān)的機(jī)械濾波能力(f)決定;②慣性開(kāi)關(guān)臺(tái)階高度參數(shù)(Z0)由設(shè)計(jì)輸入:慣性開(kāi)關(guān)的機(jī)械濾波能力(f)和閉合閾值(ath)共同決定;③式中沒(méi)有阻尼系數(shù)項(xiàng)，因此準(zhǔn)靜態(tài)方法近似認(rèn)為系統(tǒng)是一個(gè)零阻尼系統(tǒng)，忽略了阻尼因素對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響，但這種影響在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析是不能忽略的;④通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得臺(tái)階高度和慣性開(kāi)關(guān)的閉合閾值，可近似求得慣性開(kāi)關(guān)“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)的固有頻率。

2 仿真分析

為研制一種閉合閾值為5gn的低g值微慣性開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)質(zhì)量塊尺寸為 1 800 μm × 1 800 μm ×300 μm，平面矩形螺旋梁寬為 100 μm，厚度為30 μm，梁間空隙寬度為100 μm，梁的總節(jié)數(shù)為 11。結(jié)構(gòu)材料為體硅，楊氏模量E=130 GPa，泊松比v=0.22，密度 ρ=2 330 kg·m－3。

采用ANSYS有限元軟件，對(duì)微慣性開(kāi)關(guān)的“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。模態(tài)分析結(jié)果如圖2所示，一階模態(tài)的固有頻率為94.6 Hz，振型為沿Z軸運(yùn)動(dòng);二階模態(tài)的固有頻率微273 Hz，振型為繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng);三階模態(tài)的固有頻率為283 Hz，振型為繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由于采用雙觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，慣性開(kāi)關(guān)只會(huì)在一階模態(tài)的諧振情況下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，從而在理論上將具有良好的機(jī)械濾波性能，避免沖擊或振動(dòng)等干擾信號(hào)造成慣性開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作。

圖2 低g值微慣性開(kāi)關(guān)“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)ANSYS模態(tài)分析

同時(shí)，對(duì)微慣性開(kāi)關(guān)的“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)仿真分析，加載條件為在OZ方向上大小為5gn的慣性加速度。分析結(jié)果表明，質(zhì)量塊的位移為 144.7 μm。最大剪切應(yīng)變?yōu)?0.000 154，出現(xiàn)在平面矩形螺旋梁的彎折位置。

表1給出了在微慣性開(kāi)關(guān)非敏感方向上(OXY平面內(nèi))的慣性加速度速度對(duì)其性能的影響，其中MaxUZ和MinUZ分別表示質(zhì)量塊底面在OZ方向上的最大位移和最小位移。可以看出，在OX、OY方向上的慣性加速度為50gn(加載條件4)時(shí)，質(zhì)量塊底面上最大位移和最小位移僅僅相差0.24 μm，質(zhì)量塊底面的金屬層仍能與基底上的兩個(gè)金屬觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同時(shí)接觸。同時(shí)相對(duì)只有OZ方向的載荷情況(加載條件1)下，質(zhì)量塊的位移變化量約為0.21 μm，對(duì)慣性開(kāi)關(guān)閉合閾值精度的影響可以忽略。因此，基于平面矩形螺旋梁的微慣性開(kāi)關(guān)能夠有效地降低非敏感方向上的耦合效應(yīng)，具有較好的抗干擾性能。

表1 低g值微慣性開(kāi)關(guān)抗干擾性能分析

3 制作工藝

基于平面矩形螺旋梁的低g值微慣性開(kāi)關(guān)采用玻璃(封蓋)－硅(管芯、臺(tái)階)－玻璃(基底)結(jié)構(gòu)，通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝實(shí)現(xiàn)芯片的圓片級(jí)封裝。

玻璃封蓋的工藝流程為:①選取硼硅玻璃基片，雙面濺射Cr/Au，并且雙面旋途光刻膠，然后單面光刻出圖形，如圖3(g1.1)所示;②以光刻膠和Cr/Au為雙層掩膜，采用HF/HCl混合溶液腐蝕出深度約為50 μm的槽，最后去除光刻膠和Cr/Au，將制作完成的玻璃封蓋清洗處理后烘干，留待鍵合，如圖3(g1.2)所示。

圖3 低g值微慣性開(kāi)關(guān)工藝流程

玻璃基底的工藝流程為:①選取硼硅玻璃基片，單面光刻出圖形，采用BHF溶液腐蝕淺槽，如圖3(g2.1)所示;②濺射Cr/Au，采用超聲剝離工藝去除光刻膠，將制作完成的玻璃基底清洗處理后烘干，留待鍵合，如圖3(g2.2)所示。

采用(100)雙拋硅片制作管芯和臺(tái)階結(jié)構(gòu)，其工藝流程如下:①熱氧化生成厚度約3 μm的SiO2氧化層，雙面光刻出圖形后，以SiO2為掩膜層采用KOH溶液雙面腐蝕出深度約為140 μm的槽，然后去除SiO2，如圖3(s.1)所示;②在基片正面采用噴涂工藝，在深槽里光刻出圖形，以光刻膠為掩膜層進(jìn)行ICP刻蝕，然后去除光刻膠，如圖3(s.2)所示;③和制作完成的玻璃封蓋進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，如圖3(s.3)所示;④在基片背面采用噴涂工藝，在深槽里光刻出圖形，以光刻膠為掩膜層采取ICP刻蝕方法將剩余的硅結(jié)構(gòu)層刻蝕穿通，得到懸空的“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)，如圖3(s.4)所示;⑤采取夾具工裝方式，并以開(kāi)有小孔的不銹鋼板為掩膜，在質(zhì)量塊底面濺射Cr/Au形成金屬層，如圖3(s.5)所示;

如何把這樣一項(xiàng)政策性強(qiáng)，涉及到社會(huì)多方利益廣泛的工作做好。解決醫(yī)療服務(wù)價(jià)格長(zhǎng)期偏離醫(yī)療服務(wù)成本變，服務(wù)價(jià)格內(nèi)容與服務(wù)成本結(jié)構(gòu)不符，影響服務(wù)成本補(bǔ)償和醫(yī)務(wù)人員分配利益及價(jià)值取向的問(wèn)題。醫(yī)療服務(wù)價(jià)格既不能簡(jiǎn)單地理解為純公益性，也不能單純理解為經(jīng)營(yíng)性，而是堅(jiān)持具有一定福利的公益性的事業(yè)這一前提。做好與財(cái)政補(bǔ)助，醫(yī)保支付，患者需求，醫(yī)療服務(wù)提供，物價(jià)水平，支付能力，三醫(yī)聯(lián)動(dòng)等相關(guān)部門溝通與政策因素協(xié)調(diào)。

采用該工藝流程，最終成功制作出基于平面矩形螺旋梁結(jié)構(gòu)的低g值微慣性開(kāi)關(guān)，“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)如圖4所示。劃片后微慣性開(kāi)關(guān)芯片的尺寸為7 mm ×7 mm ×1.5 mm，如圖5所示。

圖4 微慣性開(kāi)關(guān)“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)的SEM照片

圖5 微慣性開(kāi)關(guān)圓片級(jí)封裝照片

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

基于離心原理，對(duì)制作的慣性開(kāi)關(guān)樣品進(jìn)行了離心實(shí)驗(yàn)測(cè)試以獲得閉合閾值，設(shè)置離心加速度從0gn經(jīng)60 s增大到10gn，保持5 s，然后經(jīng)60 s減小到0gn。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(采樣周期0.02 s)同時(shí)記錄離心加速度和開(kāi)關(guān)電信號(hào)(“1”為斷開(kāi)狀態(tài)，“0”為導(dǎo)通狀態(tài))，通過(guò)兩條曲線的比對(duì)得到慣性開(kāi)關(guān)的閉合閾值，如圖6所示。5次測(cè)試的結(jié)果分別為4.53gn、4.34gn、4.01gn、3.81gn、4.73gn，平均值為4.28gn，具有優(yōu)于±0.5gn的閉合精度。實(shí)際測(cè)試臺(tái)階的高度約為143 μm，根據(jù)式(2)，慣性開(kāi)關(guān)“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)的固有頻率約為86.2 Hz。

圖6 微慣性開(kāi)關(guān)離心實(shí)驗(yàn)測(cè)試

接觸彈跳是在機(jī)械觸點(diǎn)式慣性開(kāi)關(guān)導(dǎo)通瞬間出現(xiàn)的瞬通和瞬斷現(xiàn)象。由圖6可以看出，慣性開(kāi)關(guān)樣品在39.98 s至40.16 s之間出現(xiàn)了接觸彈跳現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)離心加速度為4.30gn至4.34gn。當(dāng)慣性開(kāi)關(guān)負(fù)載較大電流時(shí)，接觸彈跳易打火燒毀電極觸點(diǎn)，造成慣性開(kāi)關(guān)的失效。導(dǎo)致接觸彈跳現(xiàn)象的影響因素較多，包括系統(tǒng)阻尼特性、觸點(diǎn)材料、質(zhì)量塊質(zhì)量、以及應(yīng)用環(huán)境下的慣性加速度等等。合適的系統(tǒng)阻尼設(shè)計(jì)［4］，增大質(zhì)量塊質(zhì)量，將觸點(diǎn)設(shè)計(jì)為具有緩沖特性的柔性結(jié)構(gòu)［14］，使用較軟的金屬材料做觸點(diǎn)，均有助于減少接觸彈跳的次數(shù)，提高機(jī)械觸點(diǎn)式慣性開(kāi)關(guān)的接觸可靠性。

接觸電阻是衡量低g值微慣性開(kāi)關(guān)導(dǎo)通性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在離心試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中采用示波器監(jiān)測(cè)微慣性開(kāi)關(guān)狀態(tài)，測(cè)試等效電路圖如圖7所示，其中R0為4.7 Ω的分壓電阻，R1為電路連接電纜的等效電阻，Rx為微慣性開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻。用示波器監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)閉合導(dǎo)通后A點(diǎn)的電壓Vx。根據(jù)串聯(lián)電路分壓原理，Rx可以表示為:

測(cè)試結(jié)果表明，慣性開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻約為9.3 Ω。

圖7 微慣性開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻測(cè)試等效電路圖

5 結(jié)論

通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文成功研制了基于平面矩形螺旋梁結(jié)構(gòu)的低g值微慣性開(kāi)關(guān)。采用平面矩形螺旋梁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低g值微慣性開(kāi)關(guān)的低頻設(shè)計(jì)，對(duì)類似微慣性器件的設(shè)計(jì)具有參考意義。采用MEMS體硅加工工藝和圓片級(jí)封裝技術(shù)，成功制作了微慣性開(kāi)關(guān)，劃片后芯片尺寸為7 mm×7 mm×1.5 mm。原理樣品在離心實(shí)驗(yàn)測(cè)試中成功閉合，初步滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，論證了方案的可行性。為實(shí)現(xiàn)該器件的工程實(shí)用化，尚需優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完善工藝方案，提高結(jié)構(gòu)尺寸的加工精度，并對(duì)器件的的成品率和可靠性開(kāi)展深入研究。

致謝:感謝電子工程研究所傳感器與執(zhí)行器中心MEMS工藝組同志在加工工藝方面給予的幫助和支持。

［1］陳光焱，王超.微慣性開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)綜述［J］.信息與電子工程，2009，7(5):439－442.

［2］Wei Ma，Gang Li，Yitshak Zohar，et al.Fabrication and Packaging of Inertia Micro-Switch using Low-Temperature Photo-Resist Molded Metal-Electroplating Technology［J］.Sensors and Actutators A，2004，111(1):63－70.

［3］賈孟軍，李昕欣，宋朝暉，等.開(kāi)關(guān)點(diǎn)電可調(diào)節(jié)的MEMS沖擊加速度鎖定開(kāi)關(guān)［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2007，28(8):131－137.

［4］Tadao Matsunaga，Masayoshi Esashi.Acceleration Switch with Extended Holding Time Using Squeeze Film Effect for Side Airbag Systems［J］.Sensors and Actuators A，2002，100(1):10－17.

［5］Yang Zhuoqing，Ding Guifu，Chen Weiqiang，et al.Design，Simulation and Characterization of an Inertia Micro-Switch Fabricated by Non-Silicon Surface Micromachining［J］.J.Micromech.Microeng，2007，17:1598－1604.

［6］ZHAO Jian，JIA Jian-yuan，ZHANG Wen-bo，et al.Nonlinear Dynamic Characteristics Analysis and Design of a MEMS Inertial Sensing Device［J］.Nanotechnology and Precision Engineering，2006，4(4):70－75.

［7］陳光焱，楊黎明.一種高g值微沖擊開(kāi)關(guān)的研制［J］，爆炸與沖擊，2007，27(2):190－192.

［8］郭濤，李麗華，勞永建.一種非接觸式微加速度開(kāi)關(guān)的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21(4):664－666.

［9］Kwanghyun Yoo，Usung Park，Joonwon Kim.Development and Characterization of a Novel Configurable MEMS Inertial Switch U-sing a Microscale Liquid-Metal Droplet in a Microstructured Channel［J］，Sensors and Actuators A，2009，Available online.

［10］Chen Guang-yan，Wu Jia-li，Zhao Long，et al.Low-g Micro Inertial Switch Based on Archimedes'Spiral［J］.Opt.Precision Eng.，2009，17(6):1257－1261.

［11］劉海軍，杜立群，秦江，等.無(wú)背板生長(zhǎng)工藝微電鑄均勻性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19(5):1481－1484.

［12］劉波，吳一輝，張平.基于微模塑復(fù)制技術(shù)的平面線圈研制［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19(5):1963－1967.

［13］Cho Y-H，Go J S，Kwak B M，et al.Snapping Microswitches with Adjustable Acceleration Threhold［J］.Sensors and Actuators A，1996，54(1－3):579－583.

［14］陳光焱，鄭英彬，趙龍，等.四個(gè)余弦形懸臂梁支撐的慣性力致動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19(5):2248－2251.