MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和性能研究

平　川，張　蕊，薛　艷，解瑞珍，王可暄

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和性能研究

平川，張蕊，薛艷，解瑞珍，王可暄

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

針對(duì)低能、微小型起爆系統(tǒng)在勤務(wù)處理中的安全性問(wèn)題，開(kāi)展了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)技術(shù)研究。通過(guò)Ansys分析軟件建立了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)仿真模型，對(duì)MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)換能元及其電熱性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)MEMS加工工藝制作了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)，并測(cè)試其性能。結(jié)果表明，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了通-斷轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)的最低作用電流為0.19A。

起爆系統(tǒng)；低能；微小型；安全性； MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)；仿真；性能測(cè)試

微能起爆器（ Micro Energetic Initiator）是利用MEMS技術(shù)制造的一種微小型起爆裝置。與傳統(tǒng)起爆器相比，微能起爆器具有低能化、微型化、模塊化的特點(diǎn)［1］，所用的藥劑大多為敏感起爆藥（如疊氮化銅）［2］，使得微能起爆器的安全性大大降低。為了提高微能起爆裝置的安全性，法國(guó)Carole Rossi等人在2005年提出了一種MEMS常閉開(kāi)關(guān)［3-5］，該開(kāi)關(guān)采用MEMS技術(shù)加工制作，其體積小、兼容性高，在微小型火工品的低能發(fā)火方面有較好的應(yīng)用前景。

為提高低能、微小型起爆系統(tǒng)的安全性，筆者開(kāi)展了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)、仿真建模計(jì)算、制造和性能測(cè)試，建立了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的理論模型，通過(guò)仿真方法給出了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)MEMS工藝形成了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)，測(cè)試了其通-斷性能。

1　MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與仿真模型

1.1MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)作用原理

MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)是一次性作用的元件，用于實(shí)現(xiàn)邏輯電路由閉合到斷開(kāi)的轉(zhuǎn)換。其作用原理如圖1所示：初始微開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，電源提供的電流直接流經(jīng)開(kāi)關(guān)所在的接地電路，形成對(duì)換能元的短路保護(hù)。對(duì)微開(kāi)關(guān)施加電能，開(kāi)關(guān)作用由閉合轉(zhuǎn)斷開(kāi)，接地電路被斷開(kāi)，電源提供的電流流過(guò)換能元，完成換能元的起爆作用。

圖1　MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)解保功能的原理示意圖Fig.1　Theory of MEMS electro-thermal on-off switch to arming position

1.2MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的分層式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，包括基底層、換能元層、絕緣層和導(dǎo)線(xiàn)層。基底層為Pyrex玻璃，換能元層為Ni-Cr薄膜，絕緣層為SiN1.2，導(dǎo)線(xiàn)層為Al薄膜。Ni-Cr薄膜通電產(chǎn)熱，熱量穿過(guò)絕緣層熔斷Al導(dǎo)線(xiàn)使開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)由閉合轉(zhuǎn)斷開(kāi)。

圖2　MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of MEMS electro-thermal on-off switch

1.3MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)數(shù)值模型的建立

采用ANSYS Workbench15.0建立了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的模型，并進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分。由于模型結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的三維實(shí)體，于是在劃分的時(shí)候?qū)﹃P(guān)鍵作用位置進(jìn)行了細(xì)化處理，其余位置則由軟件的smart meshing功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，由此取得了較好的網(wǎng)格劃分效果，如圖3所示，共劃分了40 571個(gè)網(wǎng)格。

圖3　MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分Fig.3　Mesh generation of MEMS electro-thermal on-off switch model

劃分好網(wǎng)格后，利用ANSYS熱電耦合模塊對(duì)MEMS電熱常閉開(kāi)及其換能元的熱電效應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.4材料參數(shù)的選取

ANSYS熱電耦合模塊中需要的材料參數(shù)包括：材料密度、比熱、熱導(dǎo)率和電阻率。通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料可獲得材料的密度、比熱和部分材料的熱導(dǎo)率和電阻率，對(duì)于產(chǎn)熱材料Ni-Cr的電阻率和傳熱材料SiN2的熱導(dǎo)率，分別通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算的方法獲得。采用四探針測(cè)試儀測(cè)量了Ni-Cr薄膜的電阻率，在同一批次中選取9個(gè)測(cè)量點(diǎn)，獲得了Ni-Cr薄膜的平均電阻率為2.13×10-6?·m-1。

表1　電熱常閉開(kāi)關(guān)的材料參數(shù)Tab.1　Material parameter of MEMS electro-thermal on-off switch

2　數(shù)值模擬與試驗(yàn)

換能元橋區(qū)是換能元的電熱作用部件，橋區(qū)參數(shù)直接決定著換能元的電熱性能。MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)通過(guò)換能元加熱熔斷Al導(dǎo)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，Al的熔點(diǎn)在600℃左右。采用ANSYS軟件對(duì)Ni-Cr換能元橋區(qū)寬度、橋區(qū)長(zhǎng)度和厚度進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，給出MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對(duì)MEMS常閉開(kāi)關(guān)的電熱性能進(jìn)行了計(jì)算。

2.1電熱常閉開(kāi)關(guān)的數(shù)值模擬

模擬計(jì)算了不同橋區(qū)寬度、長(zhǎng)度的換能元升溫至600℃所需電壓與換能元厚度的關(guān)系，見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，換能元的升溫電壓隨橋區(qū)寬度、橋區(qū)長(zhǎng)度的減小而降低，升溫電壓隨換能元厚度的增加而降低。為保證換能元低能的作用特點(diǎn)，將換能元的作用電壓設(shè)計(jì)為5V以?xún)?nèi)，可初步確定換能元的厚度在0.8～1.2μm之間，換能元的寬度在200μm以下，換能元長(zhǎng)度在200μm以下。

圖4　不同橋區(qū)寬度、長(zhǎng)度的換能元升溫至600℃所需電壓與換能元厚度的關(guān)系Fig.4　The relation between heating voltage and thickness of resistance in different bridge

對(duì)不同橋區(qū)寬度、橋區(qū)長(zhǎng)度的換能元升溫至600℃所需電能與換能元厚度（0.3～1.2μm）的關(guān)系也進(jìn)行了計(jì)算，如圖5所示。

圖5　不同橋區(qū)寬度、長(zhǎng)度的換能元升溫至600℃所需電能與換能元厚度計(jì)算結(jié)果Fig.5　The relation between electric energy and thickness of resistance in different bridge

由圖5可以看出，換能元的升溫所需電能隨橋區(qū)寬度、橋區(qū)長(zhǎng)度的減小而降低，換能元寬度不同時(shí)，升溫所需電能隨換能元厚度的增加而增加，而在換能元長(zhǎng)度不同時(shí)（換能元厚度在0.8～1.2μm之間），升溫所需電能隨換能元厚度的變化不大。橋長(zhǎng)100μm與橋?qū)?00μm的能耗曲線(xiàn)交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的厚度在0.9～1.0μm之間，此時(shí)換能元耗能最小。為保證換能元低能耗的要求，結(jié)合加工工藝，將換能元厚度設(shè)計(jì)為0.9μm，換能元橋區(qū)寬度和長(zhǎng)度均設(shè)計(jì)為100μm。

通過(guò)仿真計(jì)算并結(jié)合整體設(shè)計(jì)要求，確定了換能元的設(shè)計(jì)方案：換能元厚度0.9μm，橋區(qū)寬度和長(zhǎng)度均為100μm；基底厚度1mm，絕緣層厚度1μm，導(dǎo)線(xiàn)厚度1.5μm。利用已獲得的設(shè)計(jì)方案建立了MEMS電熱常閉微開(kāi)關(guān)的計(jì)算模型，并進(jìn)行了計(jì)算，圖6是電熱常閉開(kāi)關(guān)通電后的溫度分布計(jì)算結(jié)果，從分布可看出最高溫度分布在橋區(qū)位置。計(jì)算了不同電功率下MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的電熱性能，結(jié)果如圖7所示，可見(jiàn)在1 500mW的電能持續(xù)通電下開(kāi)關(guān)的最高溫度可達(dá)572℃。

圖6　MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的溫度分布Fig.6　Temperature distribution of MEMS electro-thermal on-off switch

圖7　MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的最高溫度隨通電功率變化曲線(xiàn)Fig.7　Highest temperature curve of MEMS electrothermal on-off switch via different electric energy

對(duì)大功率電能持續(xù)供電下的開(kāi)關(guān)電熱性能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果0.21A的電流（恒定功率約為6.1W）持續(xù)通電0.01s可升溫至637℃，該溫度足夠?qū)l導(dǎo)線(xiàn)熔斷，實(shí)現(xiàn)常閉開(kāi)關(guān)由閉合轉(zhuǎn)斷開(kāi)功能。

2.2MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的制作與性能測(cè)試

MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的制作主要包括換能元層、絕緣層、導(dǎo)線(xiàn)層的制作。換能元層的制作過(guò)程：（1）清洗Pyrex玻璃基底；（2）非平衡磁控濺射N(xiāo)i-Cr薄膜；（3）勻膠、光刻、顯影等工藝形成換能元圖形結(jié)構(gòu)；（4）刻蝕液刻蝕，清洗，得到Ni-Cr換能元。絕緣層制作過(guò)程：（1）PECVD制作SiN1.2薄膜；（2）勻膠、堅(jiān)膜、光刻、顯影形成絕緣層圖形結(jié)構(gòu)；（3）干法刻蝕制作出SiN1.2絕緣層圖形，清洗，得到絕緣層圖形。導(dǎo)線(xiàn)層的制作過(guò)程：（1）非平衡磁控濺射Al薄膜；（2）勻膠、堅(jiān)膜、光刻、顯影形成導(dǎo)線(xiàn)層結(jié)構(gòu)；（3）刻蝕液刻蝕，清洗，得到Al導(dǎo)線(xiàn)。制作出的MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)如圖8所示。對(duì)MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的通斷性能進(jìn)行了測(cè)試，通電后開(kāi)關(guān)的溫度迅速升高，并成功實(shí)現(xiàn)電路的通-斷轉(zhuǎn)換，見(jiàn)圖9。

作用電流的部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，最小作用電流為0.19A，與仿真計(jì)算得出的0.21A的作用電流十分接近。

2.3數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比分析

圖8　MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)成品顯微鏡照片F(xiàn)ig.8　The microscope photograph of MEMS electro-thermal on-off switch

圖9　作用的MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)顯微鏡照片F(xiàn)ig.9　The microscope photograph of broken MEMS electro-thermal on-off switch

表2　電熱常閉開(kāi)關(guān)的作用電流Tab.2　Action current of MEMS electro-thermal on-off switch

利用紅外熱波成像設(shè)備對(duì)MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的作用溫度進(jìn)行了測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比

圖10　MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)功率與最高溫度曲線(xiàn)Fig.10　The relation between highest temperature and electric energy

圖10為開(kāi)關(guān)在不同功率下的最高溫度分布圖，可以看出通過(guò)仿真計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本一致，但實(shí)際測(cè)量過(guò)程中換能元在到達(dá)約700℃就會(huì)斷裂，此現(xiàn)象仿真結(jié)果并未給出。

3　結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)并制造了一種用于固態(tài)安保的MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、微小型、與MEMS工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其功能，為火工品的安保技術(shù)提供了新思路。

（2）建立了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的仿真計(jì)算模型，利用仿真手段對(duì)換能元進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)開(kāi)關(guān)的加熱性能進(jìn)行了評(píng)估，并獲得了換能元的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合性，說(shuō)明模擬仿真計(jì)算在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)上具有較好的指導(dǎo)作用。

（3）進(jìn)行了電熱常閉微開(kāi)關(guān)的作用試驗(yàn)，驗(yàn)證了MEMS電熱常閉開(kāi)關(guān)的功能，測(cè)定了開(kāi)關(guān)的最低作用電流為0.19A。

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［4］ Pierre Pennarun， Carole Rossi， Daniel Esteve， Rene-David Colin. Development of MEMS based safe electro-thermal pyrotechnic igniter for a new generation of microfuze［J］. Smart Sensors， Actuators， and MEMS II， 2005（5836）∶558-569.

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Design and Performance Study of MEMS Electro-thermal on-off Microswitch

PING Chuan，ZHANG Rui，XUE Yan，XIE Rui-zhen，WANG Ke-xuan
（National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi'an，710061）

In this paper， a kind of MEMS electro-thermal on-off switch was designed and studied， for the safty problem of micro， low-power initiation system in storage and service processing. Analysis software was used to build simulation model， to calculate electrothermal properties of MEMS electro-thermal on-off switch， so the design scheme of MEMS electro-thermal on-off switch was obtained. MEMS electro-thermal on-off switch was fabricated by MEMS technology， as well as the performance of microswitch was tested. The results indicated that the simulation results is consistent with the test results， MEMS electro-thermal on-off switch broked successfully， the minimum function current is 0.19A.

Initiation system；Low-power；Micro；Security；MEMS electro-thermal on-off switch；Simulation；Performance test

TJ450.2

A

1003-1480（2015）01-0010-04

2014-12-13

平川（1990-），男，在讀碩士研究生，從事火工煙火專(zhuān)業(yè)方向研究。