基于微電鑄工藝的摩擦接觸式微型慣性開關*

杜立群，楊曉臣，于 洋，王勝羿，劉蓬勃，趙 劍

（1.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024；2.大連理工大學遼寧省微納米及系統重點實驗室，大連 116024；3.大連理工大學汽車工程學院，大連 116024）

MEMS（Micro-electro-mechanical systems，微機電系統）慣性開關是一種微型慣性器件，具有體積小、成本低、抗電磁干擾性強等特點，在航空、航天、軍事等領域有著廣泛的應用前景[1–3]。

傳統MEMS慣性開關的閉合時間短暫，不利于集成系統的信號處理，為了提高系統可靠性，需要通過增加成本提高信號電路的分辨率。另外，開關閉合時往往伴隨著彈跳現象，引起電氣磨損和碰撞破損，影響開關的使用壽命。

為增強接觸效果，常采用的方法有靜電力輔助[4]、引入壓膜阻尼[5]、電極柔性化[6–9]等。靜電力輔助雖然能夠有效地增強接觸效果，但是靜電力的引入，失去了純機械開關抗電磁干擾的優勢，所以在實際應用中很少采用該方法[10]。引入壓膜阻尼需要制作懸空的大面積無孔質量塊，制作工藝難度較大，且開關的敏感方向只能為Z向，應用環境受限。對比而言，電極柔性化是較優方法。在本研究之前的設計中，采用柔性電極有效延長了閉合時間，降低了接觸彈跳[2,11]。但在新設計的應用于飛機安全監測的慣性開關中，受限于設備加工能力、開關結構尺寸等，要進一步降低接觸剛度存在很大的困難。本文提出一種新的接觸增強方法，在設備加工能力和開關的結構尺寸等因素受限時，仍然能夠有效地延長開關的閉合時間，解決彈跳問題。

為增強接觸效果，本文建立了MEMS慣性開關的物理模型，研究了不同接觸類型慣性開關的閉合性能，設計了一種新的摩擦接觸式MEMS慣性開關。為了對比接觸性能，采用UV–LIGA疊層光刻和精密微電鑄工藝，制作了剛性接觸式、柔性接觸式、摩擦接觸式3種MEMS慣性開關，并進行落錘試驗測試。

1 開關物理模型及閉合性能

1.1 MEMS慣性開關的物理模型

慣性開關原理如圖1所示。錨區固定；支撐彈簧支撐質量塊；質量塊可移動；電極間隙為x0。開關初始斷開，如圖1（a）所示。當有x負方向加速度時，質量塊受力如圖1（b）所示，FG為慣性力，Fk為彈簧彈性力。開關接通如圖1（c）所示，此時質量塊除了受到慣性力、彈簧彈性力之外，還受到固定電極的反作用力FN，受力分析見圖1（d）所示。

在開關閉合之前，外載慣性力作用下質量塊的動力學方程為：

其中，c為阻尼系數，m為開關質量。

當支撐彈簧的剛度為k時，質量塊受到的彈簧彈性力為：

開關閉合時，根據圖1（d），質量塊的動力學方程為：

其中，固定電極對質量塊的反作用力FN與接觸剛度K呈線性關系：

其中，x0為電極間隙，根據式（1）和式（4）進行數值計算，可得到質量塊的時間–位移曲線。

1.2 不同接觸類型慣性開關的閉合性能分析

為研究MEMS慣性開關的閉合性能，預設開關質量m=8.858mg，阻尼系數c=0.0175，彈簧剛度k=249 N/m，電極間隙x0=130μm，求得開關閾值為370g，施加幅值a0=400g的外載加速度。

傳統MEMS慣性開關的固定電極為剛性電極，如圖2（a）所示，因為接觸剛度較大，故預設接觸剛度K=70kN/m，利用數值解法求出質量塊的時間–位移曲線如圖2 （b）所示。質量塊接觸剛性電極后被迅速彈開，開關的閉合時間非常短暫，只有幾μs，質量塊彈開之后再次碰撞剛性電極，共發生了3次碰撞，開關存在接觸彈跳問題。

圖1 MEMS慣性開關原理圖Fig.1 Schematic diagram of MEMS inertial switch

通常，為了增強接觸，將圖2（a）所示剛性電極置換為圖3（a）所示柔性電極，降低接觸剛度。假設接觸剛度為K=7kN/m，利用數值解法求出質量塊的時間–位移曲線如圖3（b）所示。對比圖2（b）與圖3（b）可知，柔性接觸將開關閉合時間延長至80μs，但作用效果較小，且同樣存在彈跳問題。

為進一步增強接觸效果，降低接觸剛度K為0.7kN/m，質量塊時間–位移曲線如圖4（a）所示，可以看出，開關的閉合時間相對于圖3（b）再次延長，達到200μs，但是開關閉合過程中仍然存在彈跳問題。值得注意的是，開關兩次閉合之間的時間差較短，故考慮在電極接觸時引入接觸阻尼。設定接觸時阻尼系數cc=0.0875，得到開關時間–位移曲線如圖4（b）所示，引入接觸阻尼后，開關閉合時間大幅度延長，閉合時間接近1ms，且不存在彈跳問題。

綜上所述，剛度越低，開關閉合時間越長；引入適當的接觸阻尼可以解決彈跳問題。所以，為了增強接觸效果，在設計新型慣性開關時，需要同時降低接觸剛度和提高接觸阻尼。

圖2 剛性接觸式慣性開關及閉合性能Fig.2 Schematic diagram and contact performance of rigid contact switch

圖3 柔性接觸式慣性開關及閉合性能Fig.3 Schematic diagram and contact performance of flexible contact switch

圖4 增強接觸開關的閉合性能Fig.4 Contact performance of enhancing contact switches

2 結構設計

剛性電極與柔性電極分別如圖5（a）和（b）所示，柔性電極雖然在一定程度上增強了接觸效果，但有時受限于設備加工能力與開關結構尺寸等，進一步降低接觸剛度存在很大困難，故在外形尺寸和線寬不變的情況下，設計了如圖5（c）所示的摩擦電極。由上文可知，為了增強接觸效果，在設計新型慣性開關時，需要同時降低接觸剛度和提高接觸阻尼。摩擦電極能夠同時具有這兩種作用，質量塊接觸摩擦電極時的受力分析如圖6所示，其中f=μN為切向摩擦力，μ為摩擦系數，N為法向作用力。

圖5 3種不同的固定電極Fig.5 Three kinds of fixed electrodes

假定摩擦電極在y方向的剛度為k1，求得電極在x方向對質量塊的作用力為：

令μ=0可得接觸剛度：K=2tan2θ×k1。剩余項為接觸阻尼cc=FN/x–K。

通過計算可知，相對于剛性、柔性電極，摩擦電極通過調整接觸角θ，能夠在不改變最大外形尺寸及彈簧線寬的情況下降低接觸剛度，并引入了適當的摩擦阻尼，起到了接觸增強的作用。另外，摩擦接觸式開關具有抗過載與自清潔能力，如圖7所示，摩擦電極與質量塊的接觸部位可劃分為3個區域：低負載接觸區、過渡摩擦區、過載止動區。當較大的過載加速度作用時，質量塊劃過過渡摩擦區，與過載止動區接觸。柔性的過載止動區能夠防止劇烈碰撞損壞電極。質量塊與摩擦電極在接觸時一直處于滑動摩擦狀態，可以將電弧損傷所產生的氧化層去除，降低接觸電阻。

摩擦電極為摩擦接觸式開關的重要結構，另外，開關選用兩側彈簧支撐的結構提高系統穩定性，質量塊均勻開孔以防止殘余應力引起結構翹曲變形，固定電極為摩擦電極。摩擦接觸式MEMS慣性開關的三維模型如圖8所示，主要尺寸見表1。

圖6 摩擦接觸時受力分析Fig.6 Analysis of forces on frictional contact

圖7 過載時的接觸分析Fig.7 Analysis of overload contact

圖8 MEMS慣性開關三維模型Fig.8 3D model of designed MEMS inertial switch

3 開關制作

通過第2節分析可知，3種開關的接觸效果對比為：摩擦接觸式優于柔性接觸式，剛性接觸式開關最差。對剛性、柔性、摩擦接觸式MEMS慣性開關均進行制作，在制作過程中，保持關鍵尺寸不變，開關的重要結構及布局不變，與開關閾值相關的參數不變，只改變固定電極的結構，3種不同開關的三維模型如圖9所示。

3種MEMS慣性開關只有固定電極的區別，且固定電極均處于第2層，故可以采用UV–LIGA工藝在金屬基底上一批制作完成。開關一共分為3層，第1層為支撐輔助層，起支撐質量塊與懸空彈簧的作用。第2層是懸空結構的制作，主要完成彈簧的制作。為了獲得較大質量的質量塊并保證開關的閾值精度，通過第3層進行質量補償[10]。

開關制作工藝見圖10，使用負性光刻膠SU–8作為電鑄用母模具，選用添加氯化鎳、硼酸等添加劑的氨基磺酸鎳溶液作為電鑄液，采用銅作為導電種子層，進行3次光刻、電鑄。

主要工藝流程如下：

（1）基板預處理。首先對金屬基板進行研磨拋光至鏡面，然后用丙酮、乙醇依次進行清洗，最終用去離子水沖洗、氮氣吹干。

表1 MEMS慣性開關關鍵參數Table 1 Key parameters of MEMS inertial switch

圖9 3種MEMS慣性開關三維模型Fig.9 3D model of three kinds of MEMS inertial switch

（2）SU–8膠光刻。使用勻膠機將SU–8膠均勻旋涂，3層膠膜厚度分別為70μm、80μm、150μm。然后置于85℃烘箱中適當時間烘干。將完全冷卻的膠膜進行曝光，紫外曝光劑量分別為：300mJ/cm2、400mJ/cm2、600mJ/cm2。再次烘焙少許時間，隨后將其置入顯影液中低頻攪拌3min，最終得到所需的光刻膠母模具。

（3）電鑄。電鑄液由Ni（NH2SO3）2·4H2O（550g/L）、NiCl2（10g/L）、H3BO3（35g/L）組成。電鑄液溫度50℃、pH=3.8~4.2，電鑄電流密度1A/dm2。3次電鑄的時間分別為10h、10h、20h。

（4）濺射。使用濺射儀在第1層結構的表面濺射薄薄的一層銅。

（5）去膠釋放結構。使用無機酸將SU–8膠等去除干凈，制得的3種不同接觸類型的開關局部圖見圖11。

最后連接外部電路，完成封裝，為下一步的動態性能測試做準備。

4 開關動態性能測試

設計開關的靜態閾值為370g，根據參考文獻[10]中的閾值公式（3）計算可知，開關的動態閾值在200~400g之間浮動。故為了測試開關動態性能，在200~400g范圍內施加外載加速度。當加速度低于200g時，3種開關均沒有閉合，在大于210g加速度時開關閉合。

當外載加速度為210g時，剛性、柔性、摩擦接觸式開關的測試結果分別如圖12（a）、（b）、（c）所示。圖12中上方信號顯示了外載加速度的變化規律，下方信號為慣性開關的通、斷信號。低電平為斷開，高電平為閉合，高電平持續的時間為閉合時間。

3種不同類型開關的閉合時間的對比如圖12（d）所示。在210g、3ms半正弦加速度下，剛性、柔性、摩擦接觸式微型慣性開關的閉合時間分別為13μs、80μs、200μs。摩擦接觸式慣性開關的閉合時間最長。

圖10 開關的制作工藝Fig.10 MEMS inertial switch manufacturing process

施加400g的外載加速度，剛性、柔性、摩擦接觸式開關的測試結果分別如圖13（a）、（b）、（c）所示。

從測試結果可知，剛性、柔性、摩擦接觸式MEMS慣性開關的閉合時間分別為10μs、80μs、620μs，摩擦接觸式慣性開關明顯優于其他兩種開關。閉合時間對比如圖13（d）所示。當外載慣性加速度相同時，剛性接觸式開關閉合了4次，柔性接觸式開關閉合了兩次，均存在彈跳問題。而具有摩擦電極的摩擦接觸式開關只閉合了一次，沒出現彈跳問題。摩擦電極能夠有效解決接觸彈跳問題，摩擦接觸式微型慣性開關在增強接觸效果方面具有很大的優越性。

將摩擦接觸的方式引入慣性開關設計，一方面提升了開關的閉合性能，另一方面也會影響開關的使用壽命。電極間的摩擦可能會引起結構磨損，導致開關壽命降低，但摩擦也可能會提升開關的使用壽命。這是因為摩擦電極降低了碰撞時的相互作用力，防止了劇烈碰撞而導致的電極損壞。由于剛性或柔性開關電極間的接觸多為點接觸，較大的瞬間電流容易導致電弧損傷，電極接觸表面的氧化層加厚，閉合電阻逐漸提高，直至開關失去工作能力。而摩擦接觸本身具有自清潔作用，可將氧化層去除，從這方面考慮，摩擦接觸又有助于提高開關壽命。

圖11 3種不同接觸類型慣性開關局部圖Fig.11 Three kinds of fixed electrodes of manufactured inertial switches

圖12 210g加速度的測試結果Fig.12 Tested results under 210g acceleration

圖13 400g加速度的測試結果Fig.13 Tested results under 400g acceleration

5 結論

基于微電鑄工藝，本文提出了帶有摩擦電極的摩擦接觸式MEMS慣性開關。采用理論分析與試驗驗證相結合的方法，對比了摩擦接觸式慣性開關與其他接觸類型開關之間的區別。試驗結果表明，剛性、柔性、摩擦接觸式微型慣性開關的閉合時間分別為10μs、80μs、620μs；在慣性開關中引入摩擦電極，既能延長閉合時間，又能解決彈跳問題。研究結果表明，摩擦接觸式微型慣性開關在增強接觸效果方面顯示出了很大的優越性。