MEMS慣性開關的原理及研究進展

任 超， 劉峰華， 付 博， 康興國， 丁桂甫， 楊卓青*

(1.上海交通大學 微米/納米加工技術國家級重點實驗室， 上海 200240； 2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065； 3.淮海工業集團有限公司 MEMS中心，山西 長治 046012)

微機電系統(Micro Electro Mechanical System,MEMS)慣性開關又被稱為沖擊傳感器、加速度開關、振動閾值傳感器或G開關。最早的慣性開關被用來關閉電動燃油泵，避免燃油泵在碰撞或翻轉后繼續工作，但其尺寸和質量較大。隨著半導體和集成電路技術以及衍生出來的MEMS技術的發展，傳統的慣性開關朝著尺寸小、質量輕、成本低、批量化的MEMS慣性開關方向發展，并被廣泛地應用于智能玩具、特殊或貴重物品運輸、汽車和軍事等領域[1]。同為慣性傳感器的MEMS加速度計可實時監測加速度的情況，但需要加載持續的工作電壓；與加速度計相比，MEMS慣性開關則為無源器件，具有機械結構簡單、接口電路方便等優點，且在未閉合時無功耗，這使得其在遠程監控、無人值守平臺等電量有限的場景下有著巨大的應用前景和優勢。

此外，隨著近幾年物聯網的快速發展， MEMS慣性開關等微型器件面臨更大的需求。例如，可將MEMS慣性開關附著到可穿戴的衣物上，在老人摔倒時開關閉合可觸發無線報警系統，及時通知社區醫院采取救治。MEMS慣性開關也可以用于監測特殊貨物運輸過程中可能發生的沖擊碰撞。如圖1所示，在貨物的運輸過程中，一旦環境的沖擊超過了允許的閾值水平，慣性開關就會觸發一個脈沖信號，然后無線發送到信息控制中心，以實現對整個物流過程的實時監控。

圖1 MEMS慣性開關在貨物運輸過程中的監控應用

需求的增多必然會帶來要求的提高。為此，國內外的科研工作者們不斷改進MEMS慣性開關的器件結構和加工工藝，進而優化其重要的功能參數并改善開關的工作性能?，F在國外的慣性開關已經實現產業化生產，與其相比，國內的慣性開關生產仍存在一定差距。

1 慣性開關工作原理

1.1 基本物理模型

MEMS慣性開關的功能組件是由彈簧懸掛的質量塊和固定電極組成，如果在慣性開關的動態響應過程中考慮阻尼作用，則基本物理模型可以被看作是一個由“彈簧-集中質量塊-阻尼”組成的慣性振動傳感系統，如圖2所示[2]。圖2中的剛體表示器件的總質量塊m，k表示具有彈性抗力的無重彈簧的剛度，阻尼器c表示能量的消耗。

圖2 慣性開關的物理模型示意圖[2]

x(t)=y(t)-z(t)

(1)

對其求導：

(2)

(3)

質量塊的運動方程可以由動力平衡的牛頓定律得到：

(4)

將式(3)代入式(4)，得到慣性開關單自由振動時的運動方程：

(5)

根據具體的場景，可對式(5)進行不同程度的化簡。當慣性開關可動電極在載荷作用下達到平衡位置時，質量塊受力大小為零，平衡方程可表達為

(6)

在恒定的外界加速度作用下，慣性開關系統達到平衡狀態，且由于阻尼對系統的作用非常小，可忽略，則運動方程為

kx=ma

(7)

但加速度往往不是一個恒定的數值，且運動系統通常會受到阻尼的影響，所以，質量塊m運動平衡方程更實際的表達式為

(8)

式中，ξ為系統的阻尼比；ωn為本征頻率。它們的表達式為

1.2 性能參數分析

1.2.1 慣性開關的性能參數

圖3[2]展示了慣性開關的動態響應過程，當器件在敏感方向受到外界加速度沖擊且超過設定閾值時，質量塊即移動電極會在敏感方向上發生移動，直至與固定電極接觸，開關呈閉合狀態，此時，輸出信號為方形脈沖。閉合一定時間后，質量塊反彈，移動電極和固定電極分開，最終在平衡位置處停止。

圖3 MEMS慣性開關的動態響應曲線

衡量慣性開關工作性能的主要參數如下[2]。

① 閾值加速度ath：以半正弦沖擊為例，恰好使移動電極與固定電極發生碰撞的加速度幅值。

② 響應時間tre：從可動電極開始運動到與固定電極接觸所需的時間。

③ 接觸時間ton：移動電極與固定電極發生碰撞接觸的時間段。

④ 最大過載加速度：在某個大的沖擊加速度下，慣性開關恰好不會損壞并保持穩定的可靠性，該加速度值定義為最大過載加速度。

⑤ 接觸電阻：可動電極和固定電極接通時慣性開關電極間的電阻。

下面將更詳細地描述慣性開關的閾值加速度、響應時間、接觸時間這3個重要的性能參數。

1.2.2 閾值加速度

閾值加速度(ath)受多種因素影響，包括可動電極和固定電極間的距離x0以及本征頻率ωn等。此外，輸入加速度的形式也會影響閾值加速度的大小。常見的加速度形式有簡諧振動、矩形振動、三角形振動、階躍沖擊和半正弦沖擊等。因自然界的沖擊形式普遍為半正弦波，所以下面主要討論這種沖擊類型下的閾值加速度。半正弦波形沖擊如圖4所示。

圖4 半正弦波形沖擊

圖4中，a0和t0分別表示加速度的幅值和脈寬，且有t0=π/ω0，ω0是半正弦沖擊的頻率。該種沖擊的函數表達式為

(9)

將式(9)代入運動平衡方程(8)(為得到解析解，此處忽略阻尼的影響)，則有

(10)

(11)

通過運算可得[2]

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

因此，閾值加速度與最大位移(此處皆為歸一化的參數)呈倒數關系，再根據式(14)和式(15)，便可推得閾值加速度與本征頻率、沖擊脈寬等參數的關系。

1.2.3 響應時間

響應時間tre同樣是衡量慣性開關工作性能的一個重要參數。一般情況下，tre越小越好[3]，例如，汽車側向安全氣囊系統等應用環境要求開關可以快速響應，為了更好地對響應時間進行分析，忽略阻尼，并向系統施加一個簡單的階躍沖擊(如圖5所示)。

圖5 階躍加速度

則運動平衡方程為

(17)

可解得該微分方程的通解為

(18)

(19)

假設移動電極和固定電極間的距離x0為最大位移，且ath=a0，則求得慣性開關的響應時間為

(20)

可以看出，響應時間由加速度值、本征頻率和兩電極間的距離共同決定。由于實際環境中存在阻尼，所以一般情況下，可對慣性開關施加比其理論加速度閾值過載20%的加速度沖擊，再根據式(20)，可得到響應時間與各個參數的關系(如圖6所示)[2]。

圖6 響應時間與各個參數的關系[2]

由圖6(a)可看出，當兩電極間的距離和本征頻率不變時，慣性開關的響應時間隨著加速度的增大而減??；而當兩電極間的距離和加速度一定時，響應時間則隨著本征頻率的增大而增加。圖6(b)則展示了當加速度和本征頻率一定時，隨著兩電極間距離的增加，響應時間也會隨之增加。以上討論均基于理想狀態下，實際情況下的加速度沖擊將更為復雜。

1.2.4 接觸時間

接觸時間是指可動電極與固定電極保持接觸的時長，即指慣性開關處于閉合的時間段，這一參數在一定程度上反映了開關工作的可靠性。接觸時間越長，器件輸出的接通脈沖寬度越大，也能夠為其后續應用系統的處理電路提供便利，從而在整體上提高系統的可靠性。

慣性開關的接觸時間同樣受到多種因素的影響。沖擊加速度的大小和頻率皆為重要的影響因素，但其是由環境決定的，具有不確定性?？蓜与姌O與固定電極的碰撞類型也會影響接觸時間，但不同于前兩種影響因素，該因素可以通過慣性開關的結構設計進行調整，進而延長接觸時間?？烧{整的影響兩個電極接觸時間的參數如下。

① 可動電極的剛度：可動電極的剛度越大，接觸時間越短。

② 固定電極的剛度：固定電極的剛度越大，可動電極反彈越嚴重，接觸時間越短。

③ 可動電極的有效質量：在固定電極剛度較小，即受到可動電極碰撞時能有一定形變的情況下，質量塊的有效質量越大，接觸時間越長。

④ 電極間距：同樣地，當電極間碰撞能發生一定形變時，電極間距越小，接觸時間越長。

2 MEMS慣性開關的分類及結構設計

MEMS慣性開關自1972年被首次提出后[4]，經歷了40多年的發展，器件的結構和性能都有了很大提升。

MEMS慣性開關依據不同的標準可進行不同的分類，按照導通功能實現的方式，可被分為非接觸式、導電液體連接式和機械接觸式；根據開關的敏感方向，又可被分為單軸敏感、雙軸敏感或面內多向敏感、三軸敏感和全向敏感；根據敏感加速度閾值的大小，器件又可被分為低閾值慣性開關、高閾值慣性開關和多閾值慣性開關；根據接觸增強的原理，MEMS慣性開關可被分為壓膜阻尼接觸增強開關、碳納米管接觸增強開關、靜電吸附接觸增強開關、鎖扣式接觸增強開關和柔性結構接觸增強開關等。

下面根據不同的分類標準，對各種類型MEMS慣性開關的結構特點進行相應的介紹和分析。

2.1 慣性開關導通方式

MEMS慣性開關可根據導通的具體方式進行分類。其中，微機電系統機械接觸式慣性開關因其具有設計靈活性、快速響應性等特點，成為較多研究人員關注的重點；而液體連接式慣性開關雖然具有很長的接觸時間，但由于其封裝和響應時間等問題，致力于該類開關的研究人員較少。此外，還有研究者提出了更為創新性的設計——由非接觸式的慣性開關來感應加速度沖擊。

2.1.1 機械接觸式慣性開關

在慣性開關中，若未引入任何柔性結構，在足夠大的加速度沖擊下，移動電極將向固定電極運動并與其接觸，而兩電極接觸時產生的機械式碰撞將導致移動質量塊反彈，圖7為二者的相互作用過程。為了減弱這種碰撞強度并延長開關閉合的時間，研究者們不斷對器件結構進行優化，以使剛性碰撞轉化為柔性的機械碰撞，如Lee等[5]將碳納米管引入兩電極表面作為碰撞的緩沖，碰撞過程可轉化為圖8所示的過程。

圖7 兩電極剛性接觸的過程[5]

圖8 兩電極柔性接觸的過程[5]

2.1.2 液體連接式慣性開關

韓國Yoo等[6]設計和制備了一種圖9所示的慣性開關。該方案設計了一個用于放置可流動液態金屬的V形凹槽，V字形的尖端有一個微流體通道和兩個電極。在外界加速度作用下，液態金屬汞在微流體通道中運動，當加速度超過設定閾值時，液體穿過微通道到達固定電極槽，實現電極之間的相互導通。采用這種方法實現閉合的慣性開關具有可靠性高、接觸時間長的優點。但是，液態金屬汞是一種劇毒性金屬，使得器件的制作和封裝具有一定的危險性；并且，廢棄的慣性開關一旦回收遺漏，還會對環境造成破壞。

基于類似的原理，臺灣Huang等[7]設計了一種具有延遲效應的慣性開關，其結構如圖10所示。其中，毛細管閥將固定電極與流體隔開，在加速度的作用下，微流體通過毛細管閥的時間就是開關設定的延時時間。與Park等的研究相比，這一器件的優點在于使用了加入甘油的微流體來代替有毒的金屬液體汞，但此設計中的封裝仍然較為復雜，而且器件的延時效應不適合于要求響應速度較快的應用場景。

圖9 使用液體作為可動電極的慣性開關[6]

圖10 具有時間延遲效應的慣性開關的結構示意圖[7]

2.1.3 非接觸式慣性開關

Ongkodjojo等[8]提出了一種非接觸式觸發的新型慣性開關設計，圖11展示了其設計概念的模型和工作原理。其中，懸臂梁為可動電極并由雙壓電晶片和電鍍金組成，其與P型半導體面形成一個場發射晶體管。當加速度沖擊作用在慣性開關上時，懸臂梁的超絕緣層發生形變，這種形變將使源極S和漏極D之間的電流發生反轉，進而可開啟場發射晶體管。懸臂梁的形變量大小可通過設定開啟晶體管的電流大小來檢測，進而表征所受到沖擊加速度的大小。然而，文獻[8]僅提出了此種慣性開關的一種新設計方法，并未見器件制作及其性能測試的相關報道。

2.2 慣性開關敏感方向

隨著電子產品在體積上的逐漸小型化和集成度的不斷提高，為了節省器件的安裝空間，MEMS慣性開關也逐漸從單軸敏感向多軸敏感發展，僅使用單個器件即可對多個方向上的沖擊加速度做出反應，同時又可避免多個器件安裝在同一基板上時產生的質心誤差(實際質心與理論質心間存在誤差)。然而，慣性開關敏感方向的增多勢必會給器件設計和制作工藝帶來一定的難度。因此，在實際應用過程中，慣性開關敏感方向的設置及其敏感軸數的選擇，可根據具體情況進行合理設計與加工制作。

圖11 非接觸式慣性開關設計[8]

2.2.1 單軸敏感慣性開關

慣性開關的研究最早主要集中于單軸敏感設計， 1972年，Frobenius等[4]設計并制作了一種全金屬的微懸臂梁慣性開關，自此，較多的研究機構紛紛開始進行相關研究[9]。為了產生較大的慣性力以提高慣性開關的方向敏感性，移動電極即質量塊必須有足夠的體積或者質量，倘若采用電鍍金屬的方法在單晶硅晶圓上制作慣性開關[10]，則電鍍產生的殘余應力常常會導致硅晶圓的龜裂。為此上海交通大學Yang等[11]利用表面微加工技術在非硅襯底上設計并制作了一種多層金屬結構的MEMS慣性開關，圖12為器件結構示意圖，其中，位于質量塊上方的固定電極被設計為孔式的柔性橋式結構。該開關可感知垂直襯底方向上的沖擊加速度，且碰撞接觸過程中產生的柔性彈性變形可有效延長開關的接觸時間。

圖12 具有橋式固定電極的單向敏感慣性開關[11]

也有一些MEMS慣性開關被設計為平面內單向敏感的形式，為了消除開關在非敏感軸方向上的運動并限制低頻振動的擾動，一些限位塊、限位梁[12-13]和限位套筒[14]等結構也被引入到器件設計中。圖13為Xu等[14]設計的具有多方向約束結構的單向敏感慣性開關，該開關的敏感方向與基板平行并與y軸正方向一致，當具有超過其閾值的外界加速度作用于器件敏感方向上時，附著在質量塊上的彈性懸臂梁與固定電極碰撞，開關發生閉合；而當加速度作用于反向敏感方向上時，移動質量塊將首先與反向限位塊發生碰撞然后反彈，若回彈位移小于移動電極與固定電極間的距離，則開關不會發生誤觸發；當有更復雜的沖擊作用于慣性開關時，包圍著質量塊的約束套筒可以限制質量塊的隨機運動。該MEMS慣性開關中的緊約束機構設計可有效降低器件的非軸向靈敏度并提高其抗沖擊能力，但不可避免地會給器件的制造帶來一定的難度。

圖13 具有多向約束結構的單軸敏感慣性開關[14]

2.2.2 雙軸敏感或面內多向敏感慣性開關

雙軸敏感慣性開關本質上就是把兩個單方向敏感的慣性開關整合到一起，北京大學Lin等[15]設計的雙軸慣性開關結構如圖14所示，器件的移動質量塊被四角處的組合折疊式彈簧連接到基板上，并可在x軸和y軸方向上運動。

圖14 雙軸敏感的慣性開關[15]

但雙軸敏感慣性開關只對x軸和y軸兩個方向上的沖擊加速度敏感。為了使MEMS慣性開關獲得良好的面內全向敏感性，Du等[16]將徑向固定電極設計為有球面接觸的新型蛇形彈簧，以對xoy平面上各個方向的加速度沖擊敏感，如圖15所示。

圖15 面內多向敏感的MEMS慣性開關設計[16]

2.2.3 三軸敏感慣性開關

三軸敏感慣性開關可以用于感知x、y、z三個方向上的加速度，相當于將3個對不同方向敏感的單軸慣性開關集合到一起，但前者可避免靈敏度損失和安裝誤差等問題，同時也可以降低制造成本。2013年美國陸軍研究實驗室的Currano等[17]設計并制造了圖16所示的三軸敏感MEMS慣性開關，開關的環形質量塊(mass)由4個螺旋彈簧(springs)懸掛支撐，且其周圍分布著(+x，-x，+y，-y，+z，-z)6個方向上的固定電極，其中，所采用的4根彈簧形狀為阿基米德螺線，且呈90°對稱，使開關在x軸和y軸上的動態響應能夠盡可能地保持一致。

圖16 Currano等設計的三軸敏感慣性開關[17]

上述三軸敏感設計可能產生反方向上的誤觸發，且軸向擾動比較嚴重，2014年上海交通大學Chen等[18]設計了新的三軸敏感MEMS慣性開關來克服這種問題，如圖17所示。該器件的可動電極被中心對稱分布的蛇形彈簧懸掛支撐，可很好地避免軸向擾動，而質量塊的空心處設計有限位塊，可以有效減少反方向上加速度的擾動。

圖17 Chen等設計的三軸敏感慣性開關[18]

2.2.4 全向敏感慣性開關

為了使慣性開關能夠對多個方向上的振動沖擊敏感，各研究機構相繼開始設計并制作能夠實現全向敏感的慣性開關[19-24]。這種類型的開關一般由水平面上的多向敏感慣性開關單元和垂直方向上的單軸敏感慣性開關單元組成，且兩組單元共享一個移動電極。圖18為Yang等[19]設計的全向敏感慣性開關，其固定電極位于質量塊空心處且被分為兩組——由中心圓柱體支撐的一組懸臂作為水平面內360°周向固定電極和位于質量塊頂部的楓葉狀T形結構作為垂直方向固定電極。

Cao等[22]則將水平面的固定電極設計為8根懸

圖18 Yang等設計的全向敏感慣性開關[19]

臂梁，并使其對稱地圍繞在質量塊四周；同時，質量塊上方的環狀結構作為垂直方向上的柔性固定電極，以使慣性開關能夠感應半球上任意方向的沖擊加速度。此外，與上述設計類似，還可將慣性開關中的周向固定電極分布設置在質量塊外圍，從而通過確定質量塊與哪個電極接觸來判斷所受到外界沖擊加速度的方向[23]。

圖19 8根懸臂梁圍繞著移動電極的全向敏感慣性開關[22]

2.3 加速度閾值

前述部分已簡要分析了 MEMS慣性開關的閾值加速度與各種參數間的關系，以此為基本理論，根據器件的應用場景，研究者們相繼開展了高閾值慣性開關和低閾值慣性開關的研究工作，而且，隨著近年來電子器件向微型化與集成化的方向發展，具有多閾值的慣性開關也逐漸成為研究的重點。

2.3.1 高閾值慣性開關

研究初期，慣性開關主要被用于監測和預警作用于大物件的慣性沖擊，所監測的沖擊加速度通常高于30g[25]。例如在特種物品的運輸過程中，當沖擊加速度小于30g時，集裝箱通常能對運輸物品起到保護作用，而沖擊加速度高于30g時，慣性開關需閉合發揮作用；而在武器彈丸發射的過程中，常常會產生幾千g到十幾萬g的后座過載和離心過載，這種環境下，就需要使用更高閾值的慣性開關。

為使慣性開關實現高的閾值，許多研究者對移動電極的結構進行特殊設計，使器件的固有頻率達到kHz級別[26-27]。例如，楊會玲等[27]設計的圖20所示的懸臂梁式慣性開關，其主模態的頻率為5.6 kHz，能使開關閉合的閾值加速度達到3000g。還有一些研究機構通過增加移動電極與固定電極之間的間距來獲得更高的閾值。

圖20 懸臂梁式的高閾值慣性開關[27]

對于高閾值慣性開關的研究，還有一些研究者著眼于解決反向高加速度沖擊的問題，以提高開關的抗過載能力。如前文提到的采用限位塊的設計，不但能夠限制慣性開關在非敏感軸方向上的運動，還可以增強器件在反向敏感方向上的抗過載能力。圖21為上海交通大學Xu等[28]設計的水平驅動的慣性開關，當有反敏感度方向的沖擊作用于器件時，彈簧的變形會導致質量塊反彈并向固定電極運動，這可能導致誤觸發，而限位塊的引入可以避免這種情況的發生。將剛好導致誤觸發的反敏感方向的加速度值定義為反向抗過載閾值加速度(athr)，仿真與實驗結果表明，athr隨移動電極的質量m及其與限位塊間間隙x2的增大而減小，但隨著系統剛度k的增大而增大。

圖21 Xu等設計的具有限位塊的慣性開關[28]

2.3.2 低閾值慣性開關

在航空航天領域，特別是飛行器的上升和下降過程中， 30g以下的沖擊加速度通常需要被監測[29]，且隨著可穿戴電子設備的發展，慣性器件作為人體防護和慣性監測的重要元件之一，其設計閾值也通常小于5g[8]。因而，越來越多的研究者著眼于高精度、低閾值慣性開關的設計和研究。

為降低慣性開關的閾值，大多數方案是對移動電極的結構進行改進設計，或者降低系統的剛度、增加有效質量，從而降低器件整體固有頻率。Chen等[25]對慣性開關彈簧的結構進行了創新設計，將常規的半圓彈簧改進為節圓彈簧，如圖22所示，很好地降低了彈簧的剛度，器件的加速度閾值降低為25g，閉合時間為650 μs；Du等[16]則將彈簧形狀設計為阿基米德螺旋線且為中心對稱分布，與傳統彈簧相比，這種新型設計有效地降低了彈簧的剛度且實現了水平面內任意方向加速度閾值的均勻性，器件結構如圖15所示。

圖22 包含節圓彈簧結構的慣性開關[25]

通過設計調整質量塊的厚度，也可以將慣性開關的加速度閾值精確控制在某一低閾值處，Du等[16]提出了“厚度補償”的方法對器件進行二次設計，以實現對慣性開關閾值的精確控制；Zhang等[29]則在SOI(Silicon On Insulator)晶圓上通過精確定義器件的厚度制作了閾值為5.5g的慣性開關。

除了采用上述方法來降低慣性開關的閾值外，一些方案則采用在器件中引入靜電力來實現低閾值的目標。Kim等[30]設計了梳齒狀的結構作為閾值調節機構，如圖23所示，在梳齒上施加30 V的電壓時，其閾值可從10.25g降低到2.0g；除此之外，前述提到的液體連接式慣性開關同樣可以實現較低的閾值，韓國Yoo[6]等設計和制備的慣性開關(如圖9所示)的閾值就在5g～20g的范圍內。

2.3.3 多閾值慣性開關

為了提高應用系統的集成度，多閾值慣性開關已成為近年來的發展趨勢。器件對不同大小加速度的感知可使其整體應用監測系統能夠對不同程度的沖擊做出相應的反應，進而提高系統的人性化和對復雜環境的適應性。

設計多閾值慣性開關的一種方法為在單個芯片上集成多個具有不同閾值的慣性開關器件。例如，Currano等[17]將5個三軸慣性開關集成到1個芯片上，其包含有30個獨立的開關狀態，結構如圖24所示，且每個開關的閾值在50g～250g之間，為了簡化布線，該研究還開發了一種串聯各開關的電阻器梯形電路。

圖23 梳齒狀慣性開關[30]

圖24 由電阻階梯連接的多閾值慣性開關[17]

除此之外，通過調整慣性開關中引入的靜電力大小，單個器件也可以實現多個閾值。前述提到的Kim等[30]利用靜電梳齒結構的設計，即可實現慣性開關在低閾值范圍內的適當調節。相比于前一種思路，利用靜電力調整開關閾值的方法更加精確連續且芯片占用面積更小。

2.4 慣性開關接觸增強設計

若不對慣性開關的結構進行優化，在較大的加速度沖擊下，移動電極會與固定電極發生碰撞并反彈，更強烈的碰撞可能會導致器件結構的損壞，為了避免這些情況，研究者們對慣性開關器件的結構進行了不斷的優化設計，以增強其接觸時間。雖然優化的設計可能在一定程度上會增加加工難度，但這些改進的結構在延長兩電極接觸時間的同時，還可有效減弱電極間的碰撞強度，進而延長器件的使用壽命。

2.4.1 壓膜阻尼接觸增強慣性開關

1999年，日本曙光制動器工業株式會社的傳感器公司在Transducers’99會議中報道了一種利用壓膜阻尼效應增加接觸時間的MEMS慣性開關，并在后續的研究中對這種設計做了詳細的報道[31]。該慣性開關具有“玻璃-硅-玻璃”三層結構，硅層的構造如圖25(a)所示，由內環質量塊、里側懸臂梁(Inside Beams)、外環質量塊、外側懸臂梁(Outside Beams)結構組成，其中內環質量塊作為接觸電極，外環質量塊則用來產生壓膜阻尼效應。當外界提供足夠大的加速度時，內環、外環質量塊都向下或向上運動，當接觸電極與glass層的金彈簧結構(如圖25(b)所示)接觸時，開關發生閉合。由于外圍質量塊與glass板之間的狹小間隙產生了壓膜阻尼效應，所以在外界加速度消失后開關仍然可以保持長時間的閉合狀態。開關的具體工作過程如圖26所示。測試結果顯示接觸電阻為600 mΩ，開關反應速度快，且接觸時間長短與加速度值有關，在特定條件下，接觸時間可達6 ms。

圖25 壓膜阻尼接觸增強慣性開關[31]

圖26 壓膜阻尼接觸增強慣性開關工作原理示圖

然而，由于該類型的慣性開關需要較大的接觸面來產生壓膜阻尼，所以質量塊的尺寸較大，不利于器件的微型化；其次，慣性開關的接觸時間受多種因素的影響，特別是對于高閾值的慣性開關，阻尼吸附力相對于可動電極的彈性恢復力而言會變得較弱，這時就需要采用更大的阻尼吸附作用以延長接觸時間，而這在微機械結構中也是極具挑戰性的。

2.4.2 碳納米管接觸增強慣性開關

韓國延世大學Lee等[5]提出了在慣性開關電極間引入可形變的碳納米管(Carbon Nano Tubes，CNT)來增強接觸時間的方案，如圖27所示。CNT具有優異的機械彈性、回彈性和導電性，可用于作為機電導電材料，在外界沖擊作用下，移動電極向固定電極移動，CNT接觸板發生彈性變形，開關閉合時間得以延長，甚至可達114 μs，從而確保輸出信號的可靠性和穩定性。雖然嵌入CNT的慣性開關適合長期重復使用，其接觸位置也不容易發生疲勞破壞，然而，所引入的CNT織布工藝無疑會給器件的加工制作帶來極大的挑戰。

圖27 利用CNT實現接觸增強的慣性開關[5]

2.4.3 靜電吸附接觸增強慣性開關

上海微系統所的Jia等[32]提出將靜電力引入微懸臂梁形式的慣性開關，其工作原理和結構設計分別如圖28和圖29所示。靜電力引起的靜電拉入現象可以保證開關實現持續穩定的閉合狀態，這種狀態甚至可以保持到沖擊消失結束后。

圖28 引入靜電力的慣性開關原理圖[32]

圖29 使用懸臂梁作為可動電極的靜電吸附型慣性開關[33]

2011年，韓國科學技術研究院(KAIST)報道了一種可被應用于集成電路的懸臂梁形式的慣性開關[33]，研究者在懸臂梁電極下端引入了柵極和漏極，且使柵極和懸臂梁的長度相等，如圖30所示。當碰撞發生時，電磁吸附力可以抑制碰撞時的反彈現象，以延長可動電極與漏極的接觸時間，但需要注意的是電磁干擾可能導致該器件的吸附失效。

圖30 應用于集成電路且防反彈的懸臂式慣性開關[33]

2.4.4 鎖扣式接觸增強慣性開關

為了增強開關的接觸，多家研究機構考慮在慣性開關中設計鎖扣結構，以實現更為可靠的較長時間的開關閉合。這類開關的原理和結構組成基本相似，以Currano等[34]研究的插鎖機制沖擊慣性開關為例，其結構如圖31所示。器件整體為雙重對稱設計，質量塊被4個彈簧懸掛支撐并對y軸上的加速度敏感，且質量塊上附著有可與插鎖結構相配合的部件。插鎖結構則被設計為懸臂式，使其在敏感方向上具有較高的剛度，而在敏感方向的垂直方向上具有較低的剛度；對應于質量塊向y軸正方向或負方向運動的兩種情況，4個插銷結構被分為兩組，當質量塊向正方向運動時，正方向上的一組插銷結構被接通，反之則另外一組被接通。開關閉合后，為了使其重置以實現器件的重復使用，還引入了V形梁式熱執行器，當有電流通過時，產生的焦耳熱引起導電梁產生熱膨脹形變，進而推動插鎖結構與質量塊解鎖，使質量塊恢復原位。顯然，該慣性開關的解鎖復位過程比較復雜，從而導致器件的可靠性降低，制造成本增加。

圖31 鎖扣式接觸增強慣性開關[34]

2.4.5 柔性結構接觸增強慣性開關

當可動電極與固定電極發生剛性碰撞時，兩電極的反彈現象勢必導致二者接觸時間較短，且很容易破壞開關結構，降低器件的可靠性。為了減弱這種剛性碰撞，研究人員在兩個電極的接觸位置處設計了柔性結構。雖然柔性結構的引入增加了器件制作的難度，但使開關的壽命得以延長。上海交通大學Yang等[35-36]先后提出在移動電極質量塊上引入由彈簧懸掛支撐的接觸點、柔彈性懸臂梁結構，以消除電極間碰撞時的彈跳現象，結構分別如圖32和圖33所示。

圖32 帶有可移動接觸點的質量塊[35]

圖33 質量塊上的彈性懸臂梁元件[36]

類似地，北京大學微電子研究所Deng等[37]則在可動電極與固定電極上分別引入動觸點和級聯梁這兩種非線性彈簧止動結構，如圖34所示。該方案更大程度地減弱了碰撞時的反彈現象，從而延長了慣性開關的閉合時間并提高了器件的可靠性，其在加速度閾值為600g的條件下，器件的接觸時間可達450 μs。

3 MEMS慣性開關的加工工藝

MEMS器件的加工是由微機械加工發展而來的工藝方法，是在集成電路制造工藝的基礎上發展起來的。通常， MEMS慣性開關的工藝基本可分為兩大類：體硅微加工工藝和非硅表面微加工工藝。體硅微加工工藝較為成熟，一般在硅片或絕緣體上硅(SOI)晶片上形成開關的可動結構，可通過深硅刻蝕工藝實現較大的深寬比，但制作的慣性開關結構層數有限。非硅表面微加工工藝則結合了犧牲層技術和微結構電鍍技術來構造開關中的可動結構，其中，光刻膠可被用作犧牲層在非硅基底上鑄模，并與微金屬電鍍工藝結合使用，非硅表面微加工工藝可實現多層懸空金屬結構的疊層制造，并完成高深寬比的精細加工。表1對MEMS慣性開關的兩種加工工藝進行了比較。

3.1 體硅微加工工藝

MEMS慣性開關的體硅微加工工藝一般是在硅晶圓或SOI晶片上進行的，其利用SiO2、光刻膠等材料作為掩膜，通過濕法刻蝕、反應離子刻蝕(Reactive Ion Etching，RIE)或深反應離子刻蝕(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)等方法對硅層(器件層)進行刻蝕以形成慣性開關中的運動質量塊，該工藝過程還常常涉及形成SiO2層的熱氧化或化學氣相沉積工藝、在硅基板或玻璃基板上形成電極的濺射工藝，以及為了改變電阻率或形成腐蝕自停止層而進行的摻雜工藝等。

表1 MEMS慣性開關的兩種加工工藝比較

Jia等[32]利用典型的體硅微加工工藝制作了微懸臂式的慣性開關，圖35展示了其涉及的主要微加工工藝步驟。

圖35 微懸臂式慣性開關的主要加工工藝[32]

3.2 金屬基表面微加工工藝

用于制作MEMS慣性開關的非硅微加工工藝實際上是以金屬基表面微加工工藝為主。與體硅微加工工藝不同，它結合了犧牲層技術和微結構電鍍技術，并在石英或玻璃基底上完成慣性開關的制造。隨著慣性開關的結構越來越復雜、層數越來越多，金屬基表面微加工工藝展現出明顯的優勢。

圖36展示了慣性開關表面微加工工藝的基本制備路線。首先，使用物理或化學方法對玻璃或石英基片進行清潔，然后在基底上濺射一層復合金屬薄膜用作電鍍時的種子層，而后再旋涂一層光刻膠到基底上，對其烘烤固化后通過UV-LIGA工藝進行光刻；顯影后，掩膜版上的圖形就轉移到了光刻膠上；然后通過微結構電鍍技術將鎳等金屬電鍍到種子層上，便形成了慣性開關的第一層微結構，然后再重復如上的工藝過程。若制作過程中出現上一層圖形的開口比下一層的大時，則需要先在下一層的光刻膠上濺射一層新的種子層，而后再進行后續的相關工藝步驟，制作器件的工藝過程還涉及表面整平、等離子表面清洗等處理步驟?？傊?，金屬基表面微加工工藝主要涉及了清洗非硅基片、濺射金屬種子層、旋涂光刻膠、光刻和顯影、微結構電鍍和釋放等[2]。

圖36 MEMS慣性開關金屬基表面微加工工藝過程設計[2]

依據具體功能設計好慣性開關結構后，靈活應用上述各項工藝，即可形成一套完整的金屬基慣性開關加工工藝流程。圖37為上海交通大學Cai等[38]設計的用于制作具有可動觸點接觸增強型非硅MEMS慣性開關的工藝流程。

圖37 具有可動觸點的接觸增強慣性開關制造工藝流程[38]

3.3 異質集成微加工工藝

近年來，一些研究人員將體硅微加工工藝同非硅表面微加工工藝結合到一起，設計了一種新型工藝——異質集成微加工工藝。上海交通大學Zhang等[39]利用硅片的干法刻蝕、多層金屬電鍍和Au-Sn鍵合等工藝制作了具有靜電吸合功能的MEMS慣性開關。圖38為其所設計慣性開關的基本物理模型。在兩個平行板電極上加載適當的偏壓，利用其產生的靜電力來延長開關的接觸時間；通過調整偏壓的大小，慣性開關的閾值也可在一定范圍內進行調節。

圖39展示了這種基于異質集成制造MEMS慣性開關的主要工藝步驟。器件的移動電極即質量塊主要通過體硅微加工工藝制成，并以金屬表面微電電鍍作為輔助工藝制成彈簧結構；器件的上層結構完成后，需在側壁濺射Cr/Au薄層以降低接觸電阻；然后，在玻璃基片上采用表面微加工工藝來制作器件的下層結構，具體的工藝步驟需要根據具體的器件結構進行設計。需要注意的是，在下層結構的最頂部需電鍍一層錫用于鍵合，再電鍍一層金用來抑制錫的氧化。制作該MEMS慣性開關的最后一步是將上下兩部分結構對準加壓，然后將它們放入加熱至250 ℃的甘油中保持10 min，再進行冷卻、沖洗和超臨界干燥等工藝步驟，以實現開關器件的可靠鍵合。

圖38 Zhang等設計慣性開關的物理模型[39]

圖39 異質集成慣性開關制造工藝流程[39]

異質集成微加工工藝集合了體硅微加工工藝和金屬基表面微加工工藝的優點，但工藝步驟有所增加，工藝難度也有一定提升。

4 MEMS慣性開關的測試

MEMS慣性開關制作完成后，可對其進行加速度沖擊測試，應合理控制沖擊的波形、脈寬和幅值，并利用電學測量系統或光學測量系統對其工作性能進行測試和評價。

4.1 MEMS慣性開關的測試裝置

為了產生特定的沖擊加速度進而評價慣性開關的工作性能，常被使用到的實驗測試裝置有離心機(如圖40所示)、馬希特錘(如圖41所示)和沖擊落錘等。

圖40 離心機[40]

圖41 馬希特錘[31]

Field等[40]利用離心機來模擬沖擊環境，將265g的加速度加載到MEMS慣性開關上； Matsunaga等[31]則利用馬希特錘來產生開關閉合所需的沖擊加速度，當擺錘與制動器發生碰撞時，慣性開關器件將被施加一定的沖擊加速度作用。

除了上面所說的兩種實驗裝置外，更多的研究人員選擇沖擊落錘來模擬環境加速度，圖42為落錘裝置的示意圖。落錘從某一高度被自由釋放后下落，最后與固定平臺碰撞，固定平臺上放置的兩塊緩沖墊使得落錘與固定平臺碰撞時產生半正弦波形的沖擊加速度，加速度幅值隨落錘和固定平臺之間的高度H變化而變化，且二者呈正向關系。此外，基臺剛度可以通過改變緩沖墊的厚度和材質來調整，進而調整產生的加速度的沖擊脈寬。

圖42 落錘沖擊測試系統[32]

4.2 MEMS慣性開關的測試方法

MEMS慣性開關的測試方法一般可分為兩種：電學測量和光學測量。這里以落錘測試裝置為例。電學測量的原理如圖43所示，制作的慣性開關與標準加速度計都被安裝在落錘上，其中，加速度計用于作為慣性開關測試過程中的標定。將慣性開關與一個固定電阻和直流電源串聯形成回路，將電阻的高電平與低電平兩端接入示波器通道的高、低電平端，標準加速度計的高、低電平也分別連接示波器通道二的高、低電平端；當開關導通時，示波器可以同時捕捉到加速度計和慣性開關的輸出信號。

標準加速度計可實時輸出加速度信號來作為慣性開關測試過程中的標定，當沖擊加速度大于慣性開關的閾值時，開關閉合進而輸出脈沖信號，且只要開關閉合，回路就會有導通信號，反之則無信號輸出。據此原理，研究者們可以根據脈沖信號的特征來分析閾值、響應時間、接觸時間等慣性開關的重要性能參數。

圖43 慣性開關的電學測量方法原理示意圖

然而，電學測量方法只可以通過輸出的電學信號間接地判斷MEMS慣性開關的工作情況，不能準確、具體地反映器件移動電極、固定電極等部件的詳細運動和形變過程。一些研究人員則利用光學測量方法，實現對慣性開關工作過程的實時動態監測，以彌補電學測量方式的不足。圖44為Currano等[41]搭建的帶有視頻捕捉的沖擊測試系統示意圖，一臺高速攝像機被安裝在顯微鏡上，該顯微鏡懸置于振動臺上，當有加速度沖擊產生時，加速度計的輸出信號可經示波器來觸發高速攝像機，從而開始記錄慣性開關的詳細工作過程，圖45為該實驗臺拍攝的鎖扣式接觸增強慣性開關的閉合過程。

5 總結與展望

MEMS慣性開關是集傳感與執行器為一體的MEMS無源器件，既可以作為傳感器進行加速度閾值的檢測，又可以作為執行器實現開關的閉合動作，具有體積小、質量輕、制造成本低和近零功耗等顯著優點，被廣泛地應用于玩具、貨物運輸監測、安全氣囊約束系統以及軍事等領域，特別是在遠程監控、無人值守平臺等電量有限的應用場景中，慣性開關展現出明顯的優勢。近幾年迅速發展起來的物聯網也為MEMS慣性開關提供了更廣闊的發展和應用空間，同時也提出了更高的要求。本綜述主要從工作原理、器件的結構設計及其功能、加工工藝及測試等方面，對國內外的MEMS慣性開關研究工作進行了較為全面的闡述，旨在讓有意置身于MEMS慣性開關研究的人員對該領域進行快速全面的了解并找到合適且感興趣的研究方向，進而加速該MEMS器件的進步與發展。最后對MEMS慣性開關的發展趨勢做如下概括。

圖44 帶有高速視頻捕獲的沖擊實驗臺[41]

① 就單軸敏感MEMS慣性開關來說，其接下來的研究重點主要是如何提高軸向靈敏度并降低非敏感方向上的擾動影響。但總體來說，慣性開關的敏感方向有著從單軸向多軸的發展趨勢，以減小器件占用的空間，拓寬其應用范圍。

② 為了提高集成度，MEMS慣性開關的閾值檢測由單一閾值向多閾值方向發展。多閾值的慣性開關可以對不同程度的沖擊做出相應的反應，如多層碰炸檢測等，從而使器件能夠適用于更復雜的環境，不斷提高其智能化。

③ 隨著可穿戴設備的發展，需要檢測的加速度閾值通常小于5g甚至1g，低閾值逐漸成為MEMS慣性開關的重要發展趨勢。

④ 繼續優化MEMS慣性開關的結構設計，或引入新的材料體系，尤其是各類非硅金屬材料、納米材料、聚合物材料，甚至二維材料等，以從響應時間、接觸時間和抗過載能力等重要參數上去提高器件的工作性能。

⑤ 隨著設備的小型化發展，以及市場對高集成度傳感與檢測的需求，MEMS慣性開關在向著MEMS/CMOS集成的方向發展，感知元件與信號處理單元集成于同一個芯片上，以縮小整個系統的體積，不斷提高集成度和多功能化。