低g值MEMS慣性開關的設計與工藝優(yōu)化

熊 壯，張鳳田，袁明權

（中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999）

低g值MEMS慣性開關的設計與工藝優(yōu)化

熊 壯，張鳳田，袁明權

（中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999）

針對既有硅基低g值MEMS慣性開關的加工工藝復雜、加工周期長以及成品率低的問題，提出改進的結構設計和工藝方案。設計以圓形質量塊+圓形螺旋梁為基礎的敏感結構，以避免原結構因應力集中導致的螺旋梁斷裂現象；提出玻璃-SOI-玻璃三層直接鍵合工藝技術，改變金屬電極間絕緣設計方法，調整開關行程的加工方式，從而減少大量加工工序，降低了工藝難度。形成了一種可靠、簡單的低g值開關的統(tǒng)一化加工方案。流片結果表明，新研制的MEMS開關的加工周期縮短為原來的1/3，加工成品率提高為原來的4倍。測試結果表明，開關閾值為5.6g，符合設計要求的5.5g±1g。

MEMS；慣性開關；雙埋層；絕緣硅；陽極鍵合；螺旋梁；微納加工

慣性開關是一種感受慣性加速度，執(zhí)行開關機械動作的精密慣性裝置，在航空航天、汽車電子和彈藥等慣性控制系統(tǒng)中應用廣泛[1]。與電子開關相比，慣性開關具有成本低、抗干擾能力強的特點。雖然采用傳統(tǒng)機械加工的慣性開關應用較為成熟，但由于其存在零件多、裝配復雜、體積大等缺點，在復雜環(huán)境的應用中的可靠性和安全性難以保證。與傳統(tǒng)的慣性開關相比，采用微機電（MEMS）加工工藝制作出的慣性開關體積小、重量輕、可批量生產、免裝配、彈簧一致性好，具有重要的研究價值和應用前景。

近年來，已有國內外學者對MEMS慣性開關進行了有益探索，例如：上海交通大學采用微電鑄工藝制作了多種MEMS金屬開關，并通過附加各類緩沖機構（如柔性梁、納米線等）來延長開關的接觸時間[2-4]；大連理工大學同樣采用微電鑄工藝加工了360°萬向開關，實現了徑向及軸向碰撞觸發(fā)[5]；北京大學采用傳統(tǒng)硅加工工藝制作了橫向運動開關，該開關的特點是加工工藝簡單，工藝穩(wěn)定性好[6]；韓國首爾大學提出了硅基閾值可調節(jié)的慣性開關，該開關可實現自鎖功能，保證了接觸的穩(wěn)定性[7]。美國陸軍實驗室采用微電鑄工藝制作了開關列陣，可實現多閾值的測量[8]。

上述文獻以及其他公開報道的大部分微慣性開關的工作閾值均大于40g，主要應用于高g值加速度的沖擊環(huán)境條件下，而關于低g值慣性開關的文獻報道相對較少。低g值是指慣性開關閉合閾值為1g~30g，響應的信號是準靜態(tài)、頻率近乎為零的加速度信號。試驗中這種信號一般由離心機產生，因此這類開關也被稱為準靜態(tài)開關，其敏感結構的特點是彈簧剛度小，質量塊質量大[9]。就低g值MEMS開關的制作而言，低剛度彈簧+大質量塊的復合結構不易通過傳統(tǒng)的微電鑄或硅基平面加工工藝實現。為此，中國工程物理研究院電子工程研究所的王超等人提出采用雙埋層SOI材料，成功實現了低g值MEMS開關的研制[10-12]。該開關閉合閾值為 6.45g，閉合精度優(yōu)于±0.5g。但該開關尚存在加工工藝復雜、耗時工序較多、部分工序與敏感結構的加工并無任何關聯(lián)（例如為實現SOI-玻璃鍵合而加工的等電位電極[11]）等問題，從而影響了敏感結構本身的工藝穩(wěn)定性與可重復性。從多次流片結果來看，該工藝加工周期平均12周，且方形螺旋梁拐角常發(fā)生斷裂，成品率難以達到20%。

本文在王超等人的開創(chuàng)性研究基礎上，針對原設計與加工方案尚未解決的問題，進行改進優(yōu)化。例如：將原有的正方形螺旋梁改進為圓形螺旋梁，避免應力集中造成的梁斷裂問題；開發(fā)玻璃-SOI-玻璃三層直接鍵合技術，取消原有等電位的加工；調整了金屬電極的加工方案，實現電極與硅結構層的物理隔離等。

1 開關工作原理

MEMS慣性開關的工作原理是采用由彈性單元（如懸臂梁）和與其連接的懸空的質量塊作為敏感結構，質量塊上布有金屬電橋，在外接加速度載荷作用下，質量塊向基底方向運動，當加速度載荷達到預定閾值時，質量塊上的金屬電橋與基底上的兩個金屬電極同時接觸，使得接入應用系統(tǒng)的兩個常開金屬觸點導通，實現開關閉合（圖1）。金屬電橋與金屬電極的間距Z0為開關的行程，是決定開關閾值大小的重要參數。本研究采用傳統(tǒng)的硅基微納加工工藝，故質量塊與彈性梁選用硅材料，其中梁結構位于質量塊厚度方向上的中性平面內，從而使敏感結構的整體機械平衡得到保障。開關的封蓋與基底采用玻璃（BF33）材料，金屬電橋與金屬電極采用高導電率的Cr/Pt/Au材料。

圖1 MEMS慣性開關結構及工作原理示意圖Fig.1 Schematic of MEMS inertial switch and its working principle

2 結構優(yōu)化設計

文獻[11]中采用方形質量塊以及方形螺旋梁作為敏感結構，從而滿足大質量、低剛度彈性系統(tǒng)的設計要求。然而在加工過程中，特別是結構釋放后，在方形螺旋梁拐角出常出現斷裂現象，造成器件失效。通過ANSYS仿真分析發(fā)現，方形螺旋梁在拐角處應力集中，致使結構易斷裂（圖 2a）。為避免由螺旋梁斷裂造成的器件失效，本研究將敏感結構改進為圓形質量塊+圓形螺旋梁。仿真結果顯示：圓形螺旋梁應力分布均勻（圖2b）。在實際加工過程中未出現梁斷裂現象。

圖2 MEMS慣性開關應力分布分析Fig.2 Stress analysis of MEMS inertial switch

3 工藝優(yōu)化設計

MEMS開關的制作采用雙埋層SOI作為基片。雙埋層SOI是一種3層單晶硅和2層SiO2相疊分布的特殊SOI材料，其中中間層的單晶硅層用作平面螺旋梁結構，可較好地控制梁的厚度?？紤]到玻璃頂蓋和基底的加工并不復雜，本研究只針對與SOI基片相關的加工進行優(yōu)化改進。

3.1 原有工藝方案中的難點分析

原有工藝方案中與SOI基片相關的加工工序多，周期長，具體需要實現5部分功能[11]：

1）質量塊。

2）螺旋梁。

3）等電位：原有方案采用陽極鍵合工藝對玻璃與 SOI基片進行鍵合，整套工序需要完成兩次鍵合（先鍵合玻璃基底，再鍵合玻璃蓋板）。另外由于SOI片中的氧化層分壓作用，直接鍵合的成功率不高。原有工藝的解決方案為：在SOI片上加工通孔并鍍膜，使得頂層硅與底層硅產生電接觸，從而將玻璃-SOI鍵合等效成玻璃-硅鍵合。然而雙埋層SOI層數多，加工通孔需要采用勻膠、噴膠、刻蝕、腐蝕、鍍膜等多道工序，并且這些工序都與器件敏感結構的加工無關，因此影響了整體的加工效率，降低了工藝穩(wěn)定性。

4）絕緣層：原有工藝方案中，金屬電極位于玻璃基底表面，在鍵合完成后，金屬電極中有一部分會與SOI片上的硅結構層直接貼合。由于硅具有一定的導電性，因此可與兩個金屬電極構成回路。經測量，即便采用高阻硅材料，該回路電阻為10MΩ，無法實現開關在斷開時電阻無窮大的要求。因此原有工藝方案必須在金屬電極與硅結構層的貼合處制作SiO2層，從而滿足絕緣的需求。制作SiO2層涉及到沉積、光刻、刻蝕等工序，另外在結構釋放（HF溶液）時還需對絕緣層進行噴膠保護，這些工序都與器件敏感結構的加工無關，因此影響了整體的加工效率，降低的工藝穩(wěn)定性。

5）開關的行程Z0

原有工藝方案采用濕法腐蝕的方法在SOI片上加工開關行程Z0，因此質量塊厚度與行程高度Z0之和必須等于SOI基片的厚度（原有方案采用的SOI片厚度465 μm，其中質量塊厚度300 μm，行程高度165 μm）。該設計的缺點是：必須根據開關結構尺寸以及閾值要求定制相應規(guī)格的SOI片，當有更改開關閾值的需求時，必須重新設計敏感結構尺寸，或重新定制相應厚度的SOI片，導致無法實現統(tǒng)一化的結構設計方案以及加工方案。另外，行程Z0的加工涉及氧化、光刻、腐蝕等工序，并且這些工序都與器件敏感結構的加工無關，因此影響了整體的加工效率，降低的工藝穩(wěn)定性。

從上述分析不難看出，針對雙埋層 SOI基片來說，最重要的是實現質量塊與螺旋梁的制作，而等電位、絕緣層、開關的行程均屬于額外加工工序。雖然開關最終的制作結果可以滿足技術指標要求，但過多的額外加工工序造成加工周期長，工藝穩(wěn)定性與一致性較差，最終導致加工成品率難以超過20%。

3.2 工藝改進方案

本研究通過改進工藝方案，在實現開關最終功能的前提下，剔除了所有額外加工工序。具體內容為：

1）改進鍵合工藝

本研究采用專用定制設備，實現玻璃-SOI-玻璃三層直接鍵合技術。具體方法如圖3所示：將鍵合設備中上下極板用導線相連并施加正電壓，正電壓將直接作于于玻璃頂蓋與玻璃基底上；采用定制導電彈簧片將雙埋層SOI頂層硅表面與底層硅表面相連并接地。上述方法可將玻璃-SOI-玻璃鍵合等效成兩個并行的硅-玻璃鍵合，使鍵合過程一次到位，無需等電位的加工。實驗中的具體鍵合參數為：溫度 300°C，鍵合電壓從50 V逐漸上升至600 V，鍵合過程約為30 min，鍵合機腔內氣體環(huán)境為常壓氮氣。

圖3 玻璃-SOI-玻璃直接鍵合示意圖Fig.3 Schematic of glass-SOI-glass direct bonding

實驗結果表明，上述鍵合方式效果良好，劃片后未出現玻璃層脫落現象。該方法避免了原有工藝方案中等電位的加工，極大地減少了加工工序，工藝穩(wěn)定性得到有效提高。

2）金屬電極間絕緣方式改進

本方案首先將開關行程 Z0的加工轉移至玻璃基底上，即對玻璃基底進行深槽腐蝕；其次將金屬電極的制備從原先的玻璃表面，轉移至玻璃深槽中，從而實現了金屬電極與硅結構層的物理隔離，從根本上滿足了絕緣需求（圖4）。需指出，原有工藝方案中同樣需要對玻璃進行深槽腐蝕以及鍍膜，因此本方案并未增加玻璃頂蓋以及基底的加工工序。另外，采用本方案無需在SOI片上制作開關行程，從而使開關敏感結構的加工穩(wěn)定性得到進一步提高。

圖4 金屬電極位于玻璃槽中，實現其與硅結構的物理絕緣Fig.4 Fixed electrodes are placed inside the glass trench to realize the physical isolation with the silicon layer

3）統(tǒng)一化的開關結構加工方案

采用上述改進方案，使得在SOI基片上只加工質量塊以及螺旋梁兩個必要部件。SOI基片的厚度即為質量塊的厚度，通過調節(jié)玻璃基底槽腐蝕深度即可實現對開關的閾值調節(jié)。開關結構設計與加工工藝無需改動，實現了統(tǒng)一化的開關加工方案。

3.3 工藝方案對比

現將原有工藝方案與改進工藝方案中所需的工序數量進行對比，如表1所示?？梢钥闯?，新方案中工藝步驟極大減少，可加工性得到提高。多次流片實驗結果表明，采用新方案后，器件的加工周期縮短為原來的1/3，加工成品率又原來的20%提高到80%。

表 1 原始方案與優(yōu)化方案工藝步驟對比Tab.1 Comparison on previous and present fabrication details of the MEMS inertial switch

4 工藝結果

采用改進后的方案對MEMS開關進行加工。開關結構尺寸為：質量塊直徑2000 μm，厚度570 μm；螺旋梁寬度100 μm，厚度30 μm，梁間距40 μm。開關設計閾值5.5g±1g，開關行程Z0即可通過ANSYS仿真計算得出，針對上述，Z0約等于110 μm。

開關加工流程如圖5所示。加工的具體方法為：

1）采用雙埋層對稱 SOI片，頂層與底層硅厚度270 μm，中間層硅厚度30 μm，氧化層厚度均為0.7 μm。在頂層硅上采用磁控濺射方法制備出金屬電橋，材料選用Cr/Pt。

2）在頂層硅上采用DRIE方法刻蝕出質量塊上部。

3）采用HF溶液腐蝕掉露出的SiO2層。

4）采用噴膠光刻技術在中間層硅上制備出螺旋梁圖案，并用DIRE方法刻蝕出螺旋梁結構。

5）在底層硅上采用DRIE方法刻蝕出質量塊下部。

6）采用HF溶液腐蝕殘余的SiO2層，釋放結構。

7）采用700 μm厚BF33玻璃片，腐蝕出110 μm 深槽圖案。利用噴膠、鍍膜工藝在上蓋板與下蓋板上制備金屬屏蔽層以及金屬電極，材料選用 Cr/Au。金屬屏蔽層可防止鍵合過程中靜電力對開關質量塊造成的粘附失效效應。最終通過玻璃-SOI-玻璃直接鍵合技術將開關結構進行密封。

圖5 改進后的MEMS慣性開關加工示意圖Fig.5 Fabrication process of the MEMS inertial switch

圖6(a)為開關敏感結構流片完成圖，所有開關結構完好，未出現螺旋梁斷裂現象。圖6(b)為開關質量塊與螺旋梁的電鏡照片，結構完全釋放，螺旋梁結構形貌良好。

鍵合劃片后MEMS開關芯片尺寸為7mm×7mm，如圖7所示。封裝后管殼尺寸為1cm×1cm。

圖6 (a) 開關流片完成圖

圖6(b) 開關敏感結構電鏡照片

圖7 MEMS開關芯片及封裝照片Fig.7 Diced and packaged MEMS inertial switch

5 性能測試

采用自制的離心機對開關樣品的閉合閾值進行測試，離心機可提供 1g~30g的負載加速度，精度為0.01g，相對誤差0.005g（圖8）。開關通過夾具固定在距離心機轉臺圓心150 mm位置。開關的固定電極通過夾具與外部檢測電路相聯(lián)。檢測電路由限流電阻和直流穩(wěn)壓電源組成。當離心機產生的加速度達到開關閾值時，開關與檢測電路構成閉合回路，數據采集系統(tǒng)（采樣周期0.01 s）同時采集記錄離心加速度和限流電阻兩端的電壓信號狀態(tài)，通過兩組信號的比對即可得到慣性開關樣品的閉合閾值。

設置離心加速度從0g經60 s增大到10g，保持10 s，然后經20 s減小到0g。開關閾值測試結果如圖9所示，其中藍色曲線為加速度信號曲線，紅色曲線為開關信號曲線。實驗結果顯示，該開關在5.6g處實現閉合。

隨機抽取的5個開關閾值分別為5.97g、5.6g、4.77g、4.94g和5.15g，均符合5.5g±1g的設計需求。導致開關閾值分散性的主要原因是工藝加工過程（光刻、深硅刻蝕等）對開關結構尺寸造成的誤差，因此下一步工作的重點主要集中在提升工藝的一致性與穩(wěn)定性。

圖8 MEMS開關離心測試原理圖Fig.8 Working principles of the centrifuge test

圖9 MEMS開關離心測試結果Fig.9 Centrifuge test of the fabricated MEMS inertial switch

6 結 論

為提高 MEMS慣性開關的加工效率與加工成品率，本研究從結構設計以及加工工藝入手進行改進優(yōu)化。提出了圓形質量塊+圓形螺旋梁的結構設計以避免梁結構的斷裂現象；提出了玻璃-SOI-玻璃三層直接鍵合技術，改變了實現絕緣要求的設計理念，在徹底取消非必要加工工序的同時，形成了一種可靠、簡單的低 g值開關的統(tǒng)一化加工方案。流片結果表明，MEMS開關的加工周期縮短為原來的1/3，加工成品率提高為原來的4倍。多次測試結果表明，開關閾值為5.5g±1g，符合設計要求。

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

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Design and technique optimization of low-g MEMS inertial switch

XIONG Zhuang, ZHANG Feng-tian, YUAN Ming-quan
(Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China)

The available low-g silicon-based MEMS inertial switch has such disadvantages as complicated fabrication process, long fabrication period, low rate of qualified products, etc. To solve this problem, new structure design and fabrication process were proposed, which include: using cylinder shaped proof mass with circular shaped spiral spring as sensing structure; developing a new anodic boding process to realize glass-SOI-glass direct bonding; and modifying the fixed electrodes position to solve the isolating problem. Based on these considerations, an optimized fabrication process was proposed and implemented, and its experiment results show that the fabrication yield reaches 4 times as high as that of the previous design. The centrifugal experiment results show that the threshold value of the MEMS switch is around 5.6g, which meets is the designed requirement of 5.5g±1g.

MEMS; inertial switch; double-buried layer; silicon on insulator; anodic bonding; spiral spring; micro-fabrication

TM564；TN305

：A

2016-01-11；

：2016-05-27

中國工程物理研究院XXX項目資助

熊壯（1984—），男，助理研究員，博士，主要從事MEMS諧振器的設計和加工技術研究。E-mail: xiong.zhuang@caep.cn

1005-6734(2016)03-0404-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.03.023