基于MEMS技術(shù)的低g值微慣性開關(guān)的設(shè)計與制作*

王 超，陳光焱，吳嘉麗

(中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621900)

慣性開關(guān)是一種感受慣性加速度，執(zhí)行開關(guān)機(jī)械動作的精密慣性裝置，低g值是指慣性開關(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)，要求具有無源、小體積、機(jī)械濾波等特點。對低g值慣性開關(guān)而言，應(yīng)該響應(yīng)的信號是準(zhǔn)靜態(tài)的、頻率近乎為零的線性加速度信號，試驗中這種信號一般由離心機(jī)產(chǎn)生。除了這種應(yīng)該響應(yīng)的信號外，慣性開關(guān)工作環(huán)境中還必然存在一些由沖擊或振動產(chǎn)生的各種高頻干擾信號。設(shè)計時，低g值慣性開關(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)本身可實現(xiàn)機(jī)械濾波，降低對振動或沖擊等干擾信號的響應(yīng)，避免慣性開關(guān)的誤動作。傳統(tǒng)的低g值慣性開關(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)的微慣性開關(guān)提供了技術(shù)支撐，因此采用MEMS技術(shù)實現(xiàn)低g值慣性開關(guān)具有重要的研究價值。

目前報導(dǎo)的大部分微慣性開關(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值微慣性開關(guān)的文獻(xiàn)報道相對較少。郭濤［8］等人為解決金屬接觸可能導(dǎo)致的開關(guān)工作失靈，提出了一種低驅(qū)動電壓的非接觸式微加速度開關(guān)(閉合閾值為5gn)，進(jìn)行了力電耦合理論計算和仿真分析驗證，但并未給出試驗驗證。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，研制了一種微液滴開關(guān)，通過改變微通道結(jié)構(gòu)尺寸，可實現(xiàn)各種閉合閾值的設(shè)計。微液滴開關(guān)成功解決了常見機(jī)械觸點式開關(guān)存在的接觸電阻大、接觸不可靠等問題，但體積仍相對較大，同時水銀是劇毒材料，對人體和環(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，開發(fā)了一種基于平面矩形螺旋梁結(jié)構(gòu)的低g值微慣性開關(guān)，并進(jìn)行了理論設(shè)計和分析。采用MEMS體硅加工工藝和圓片級封裝技術(shù)，完成了微慣性開關(guān)的制作，并對試驗樣品進(jìn)行了離心試驗測試和導(dǎo)通電阻測試。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

基于平面矩形螺旋梁結(jié)構(gòu)的低g值微慣性開關(guān)采用雙觸點結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由封蓋、管芯、臺階和基底四部分組成。管芯為慣性敏感單元，是整個結(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，保護(hù)“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)。臺階形成質(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對慣性開關(guān)工作的干擾?？紤]結(jié)構(gòu)的加工工藝性，通過增加平面矩形螺旋梁的彎折圈數(shù)即梁的長度，從而有效地降低了梁在OZ方向上的剛度，實現(xiàn)低頻“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)的設(shè)計。慣性開關(guān)的工作原理為:在OZ方向上慣性加速度的作用下，可動質(zhì)量塊向固定基底運(yùn)動，當(dāng)加速度達(dá)到閉合閾值時，質(zhì)量塊底面上的金屬層與基底上的兩個金屬觸點同時接觸，從而提供開關(guān)導(dǎo)通信號。

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

其中z(t)為質(zhì)量塊相對基底的運(yùn)動位移;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值慣性開關(guān)敏感的慣性加速度信號是準(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，慣性開關(guān)的閉合閾值可以表示為:

其中負(fù)號取決于參考方向?？梢钥闯?①慣性開關(guān)“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)參數(shù)(k，m)由設(shè)計輸入:慣性開關(guān)的機(jī)械濾波能力(f)決定;②慣性開關(guān)臺階高度參數(shù)(Z0)由設(shè)計輸入:慣性開關(guān)的機(jī)械濾波能力(f)和閉合閾值(ath)共同決定;③式中沒有阻尼系數(shù)項，因此準(zhǔn)靜態(tài)方法近似認(rèn)為系統(tǒng)是一個零阻尼系統(tǒng)，忽略了阻尼因素對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響，但這種影響在對系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)響應(yīng)分析是不能忽略的;④通過實驗測得臺階高度和慣性開關(guān)的閉合閾值，可近似求得慣性開關(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值微慣性開關(guān)，設(shè)計質(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，對微慣性開關(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;二階模態(tài)的固有頻率微273 Hz，振型為繞Y軸轉(zhuǎn)動;三階模態(tài)的固有頻率為283 Hz，振型為繞X軸轉(zhuǎn)動。由于采用雙觸點設(shè)計，慣性開關(guān)只會在一階模態(tài)的諧振情況下實現(xiàn)導(dǎo)通，從而在理論上將具有良好的機(jī)械濾波性能，避免沖擊或振動等干擾信號造成慣性開關(guān)的誤動作。

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

同時，對微慣性開關(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給出了在微慣性開關(guān)非敏感方向上(OXY平面內(nèi))的慣性加速度速度對其性能的影響，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?？梢钥闯?，在OX、OY方向上的慣性加速度為50gn(加載條件4)時，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金屬觸點實現(xiàn)同時接觸。同時相對只有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，對慣性開關(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值微慣性開關(guān)采用玻璃(封蓋)－硅(管芯、臺階)－玻璃(基底)結(jié)構(gòu)，通過陽極鍵合工藝實現(xiàn)芯片的圓片級封裝。

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;

如何把這樣一項政策性強(qiáng)，涉及到社會多方利益廣泛的工作做好。解決醫(yī)療服務(wù)價格長期偏離醫(yī)療服務(wù)成本變，服務(wù)價格內(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)人員分配利益及價值取向的問題。醫(yī)療服務(wù)價格既不能簡單地理解為純公益性，也不能單純理解為經(jīng)營性，而是堅持具有一定福利的公益性的事業(yè)這一前提。做好與財政補(bǔ)助，醫(yī)保支付，患者需求，醫(yī)療服務(wù)提供，物價水平，支付能力，三醫(yī)聯(lián)動等相關(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值微慣性開關(guān)，“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)如圖4所示。劃片后微慣性開關(guān)芯片的尺寸為7 mm ×7 mm ×1.5 mm，如圖5所示。

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

圖5 微慣性開關(guān)圓片級封裝照片

4 實驗測試

基于離心原理，對制作的慣性開關(guān)樣品進(jìn)行了離心實驗測試以獲得閉合閾值，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)同時記錄離心加速度和開關(guān)電信號(“1”為斷開狀態(tài)，“0”為導(dǎo)通狀態(tài))，通過兩條曲線的比對得到慣性開關(guān)的閉合閾值，如圖6所示。5次測試的結(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。實際測試臺階的高度約為143 μm，根據(jù)式(2)，慣性開關(guān)“彈簧－質(zhì)量”結(jié)構(gòu)的固有頻率約為86.2 Hz。

圖6 微慣性開關(guān)離心實驗測試

接觸彈跳是在機(jī)械觸點式慣性開關(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，對應(yīng)離心加速度為4.30gn至4.34gn。當(dāng)慣性開關(guān)負(fù)載較大電流時，接觸彈跳易打火燒毀電極觸點，造成慣性開關(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［4］，增大質(zhì)量塊質(zhì)量，將觸點設(shè)計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，均有助于減少接觸彈跳的次數(shù)，提高機(jī)械觸點式慣性開關(guān)的接觸可靠性。

接觸電阻是衡量低g值微慣性開關(guān)導(dǎo)通性能的一項重要指標(biāo)。在離心試驗測試過程中采用示波器監(jiān)測微慣性開關(guān)狀態(tài)，測試等效電路圖如圖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為微慣性開關(guān)的導(dǎo)通電阻。用示波器監(jiān)測開關(guān)閉合導(dǎo)通后A點的電壓Vx。根據(jù)串聯(lián)電路分壓原理，Rx可以表示為:

測試結(jié)果表明，慣性開關(guān)的導(dǎo)通電阻約為9.3 Ω。

圖7 微慣性開關(guān)導(dǎo)通電阻測試等效電路圖

5 結(jié)論

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

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。

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