SiC晶須和SU-8復(fù)合增強的MEMS慣性開關(guān)研究

鄭 瑋， 李亞輝， 劉 揚， 張浩東， 楊卓青

(1.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國家級重點實驗室,上海 200240; 2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系，上海 200240)

MEMS慣性開關(guān)又叫振動閾值傳感器，是通過檢測外界的加速度來控制電路通斷的器件，它既是傳感器又是執(zhí)行器。其基本原理是通過檢測外界的加速度來控制電路通斷：當(dāng)外界加速度超過閾值加速度后，MEMS慣性開關(guān)的可動電極與固定電極碰撞，從而電路導(dǎo)通，慣性開關(guān)閉合。MEMS慣性開關(guān)目前在測試控制、汽車電子、消費電子、生物醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

MEMS慣性開關(guān)有悠久的發(fā)展歷史和廣闊的發(fā)展空間，由于MEMS慣性開關(guān)最重要的性能參數(shù)是接觸時間，因此國內(nèi)外對MEMS慣性開關(guān)的研究主要從延長接觸時間的角度出發(fā)。目前主要采用遍植碳納米管和利用可導(dǎo)電液體作為可動電極的方式增加慣性開關(guān)的接觸時間。

(1) 遍植碳納米管。

韓國延世大學(xué)Lee等[1-2]在慣性開關(guān)的可動電極和固定電極之間通過遍植碳納米管的形式，在可動電極和固定電極的碰撞過程中，通過增加摩擦和將剛性碰撞變?yōu)槿嵝耘鲎驳男问接行г鰪娏藨T性開關(guān)的接觸時間。圖1(a)和圖1(b)分別為遍植碳納米管的慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖和接觸電極與碳納米管的SEM示意圖。

圖1 遍植碳納米管的慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖和接觸電極與碳納米管的SEM示意圖

(2) 利用可導(dǎo)電液體作為可動電極。

通過使用新型接觸方式極大增強接觸時間，將剛性接觸完全變成了柔性接觸。韓國Yoo等[3-4]利用高表面張力、密度、導(dǎo)電性液體作為可動電極制成新型慣性開關(guān)，圖2為MEMS慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)開關(guān)受到的加速度未達到閾值前，可動液滴無法穿過狹縫，此時開關(guān)無法導(dǎo)通。而當(dāng)加速度超過閾值后，可動電極與固定電極接觸，開關(guān)導(dǎo)通。

圖2 慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖

在MEMS慣性開關(guān)的發(fā)展過程中，也出現(xiàn)了很多創(chuàng)新用途的MEMS慣性開關(guān)，例如多閾值和多敏感方向的慣性開關(guān)。

韓國首爾大學(xué)Kim等[5-6]利用梳齒結(jié)構(gòu)設(shè)計出一種可調(diào)閾值的MEMS慣性開關(guān)，可動電極通過和梳齒狀結(jié)構(gòu)之間的調(diào)諧電壓來調(diào)整位置，處于梳齒不同位置時候慣性開關(guān)的閾值電壓也不同，慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

南京理工大學(xué)席占穩(wěn)研究員設(shè)計出一種多敏感方向的MEMS慣性開關(guān)[7],其結(jié)構(gòu)如圖4所示，結(jié)構(gòu)的主要部分包括支撐彈簧、錨點、質(zhì)量快、軸向電極、徑向電極等，因此可以感受多個方向的加速度。

SU-8光刻膠是在20世紀(jì)80年代左右被研發(fā)并投入到實驗室應(yīng)用的光刻膠[8]，由于它具有力學(xué)性能好、耐腐蝕性強等優(yōu)點，因此可以直接用于制造MEMS器件[9]。Seena等[10]將炭黑作為摻雜材料與SU-8膠進行混合，用于改善SU-8的電學(xué)性能，改性后的SU-8光刻膠具有壓阻效應(yīng)，這是SU-8經(jīng)過摻雜后性能提升的一個例子。

晶須是由高純度單晶生長而成的微納米級的短纖維，例如SiC晶須，它是一種常用的優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料增強劑，同時也具有耐熱強度高、耐腐蝕等特性[11]。由于SiC晶須結(jié)構(gòu)縱橫比高，且具有比聚合物基體高很多的彈性模量。因而，由晶須組成的網(wǎng)絡(luò)可提高聚合物的內(nèi)聚強度，減少內(nèi)部缺陷，分散應(yīng)力，形成的復(fù)合材料機械強度比單純聚合物顯著提高。

圖3 具有梳齒驅(qū)動結(jié)構(gòu)的慣性開關(guān)

圖4 多敏感方向慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)

綜上所述，MEMS慣性開關(guān)在之前的發(fā)展過程中較多關(guān)注接觸時間或敏感方向等性能方面，而對于開關(guān)本身的材料創(chuàng)新關(guān)注較少。本文擬采用SiC晶須對SU-8光刻膠進行增強，并通過拉伸測試對增強前后的材料楊氏模量進行對比，并將測得的楊氏模量數(shù)據(jù)輸入到COMSOL仿真軟件中對設(shè)計器件的性能進行初步仿真。通過微加工技術(shù)中的犧牲層制作、電鍍、膠上烘膠等工藝制作出實物器件，之后通過落錘測試系統(tǒng)測試慣性開關(guān)的閾值加速度。根據(jù)此原理制作一種由SiC晶須摻雜SU-8膠復(fù)合增強的MEMS慣性開關(guān)，研究結(jié)果證明了SiC晶須摻雜的SU-8膠有潛力在MEMS慣性開關(guān)的新型材料中發(fā)揮更重要的應(yīng)用，并為后續(xù)慣性開關(guān)的其他聚合物材料或增強體的應(yīng)用提供了參考。

1 仿真分析

圖5為MEMS慣性開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖和正視圖，慣性開關(guān)主要分為上層帶彈簧的可動電極和下層的固定電極。

圖5 MEMS慣性開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖和正視圖

利用多物理場仿真軟件COMSOL進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果來初步判斷器件的性能，仿真的內(nèi)容主要包括可動電極的各階模態(tài)、彈性系數(shù)和器件的閾值加速度等。器件內(nèi)部質(zhì)量塊為正方形，邊長5.58 mm，單個彈簧長1.88 mm。慣性開關(guān)的仿真一般在固體力學(xué)物理層中進行，如圖2所示，可動電極沿著X、Y軸均對稱，下層器件僅起到支撐結(jié)構(gòu)+固定電極的作用。為了減少仿真的計算時間和計算量，在仿真過程中去掉了下層的固定電極，并且將可動電極變?yōu)樵瓉淼?/4部分進行計算，在兩個彈簧的兩端施加固定約束使其不能移動，在仿真過程中對器件施加沿敏感方向的閾值加速度，在進行仿真之前還需要進行網(wǎng)格劃分等。

模態(tài)分析在工程振動領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，通過分析機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，防止器件在類似頻率下進行工作。首先對器件的六階模態(tài)進行仿真，圖6為器件的前6階模態(tài)，其6階特征頻率分別為271.29，1473.4，1665.1，1831.7，1833，2341 Hz。本慣性開關(guān)設(shè)計的應(yīng)用場景是振動檢測，一般來說坦克壓過地面時在地表產(chǎn)生的振動頻率范圍大概為25～50 Hz，由此可見，在生活實際場景中很難達到100 Hz的頻率，所以設(shè)定的測試環(huán)境不會與慣性開關(guān)產(chǎn)生共振。

可動電極的彈性系數(shù)對于慣性開關(guān)器件的性能(如閾值加速度)有很重要的意義，通過COMSOL仿真計算可動電極整體結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)。仿真計算結(jié)果表明，所設(shè)計的器件可動電極的彈性系數(shù)約為11.36 N/m，如圖7所示。

由于實際工作過程中需要考慮空氣阻尼對器件運動的影響，因此對器件在考慮空氣壓膜阻尼和不考慮空氣壓膜阻尼兩種情況下分別進行了仿真。在不考慮空氣壓膜阻尼的情況下，仿真設(shè)定的上下極板間距(可動電極與固定電極的間距)為100 μm，通過仿真得到此時開關(guān)的閾值加速度為65g(g為重力加速度，g=9.8 m/s2)，如圖8所示，即在不考慮空氣阻尼的情況下，當(dāng)加速度達到65g時，可動電極和固定電極接通。

圖6 MEMS慣性開關(guān)可動電極的前6階模態(tài)

圖7 仿真得到可動電極整體結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)

圖8 無阻尼下器件在加速度為65g時可動電極的位移曲線

但在實際工作過程中要考慮流體阻力的存在，具體來說就是空氣壓膜阻尼。因為空氣阻尼在決定器件性能的過程中具有至關(guān)重要的作用，對器件的各種性能都有比較大的影響，如閾值加速度、接觸時間等[12]。首先進行阻尼作用下器件的可動電極應(yīng)力分布仿真，如圖9所示，空氣阻尼對器件彈簧影響較大，在彈簧彎折處受到的應(yīng)力大概為0.5 MPa，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達到未達到器件的屈服強度18.36 MPa(屈服強度測試過程和原理在楊氏模量測試部分解釋)，因此設(shè)計是可行的。

圖9 在受到阻尼的情況下器件的應(yīng)力分布圖

而在有阻尼的情況下，器件往復(fù)運動相對較慢，在5 ms的時間內(nèi)無法完成一個周期的運動，如圖10所示。

圖10 有阻尼情況下器件可動電極在65g時的位移曲線

在外界加速度為65g的條件下進行沿敏感方向的運動，當(dāng)運動時間為0.9 ms時，可動電極沿著敏感方向的運動位移為54 μm，隨后由于回復(fù)力的作用便沿著敏感方向相反方向運動，因此可以得出在考慮空氣阻尼的實際條件下，在外界加速度為65g的條件下，可動電極沿敏感方向最大位移為54 μm。因此需要根據(jù)仿真情況調(diào)整器件實際的設(shè)計制作情況，將上下極板間距由100 μm更改到50 μm，這里體現(xiàn)出仿真對實驗的指導(dǎo)作用。

2 工藝制作

工藝制作主要包括上層器件和下層器件的制作以及SiC摻雜工藝，其中，上、下層器件制作的工藝流程如圖11所示。

圖11 器件制作的工藝流程圖

(1) 上層器件部分。

① 在玻璃基片上旋涂13.6 μm厚度的光刻膠，并在100 ℃熱板上放置8 min進行烘膠處理。

② 隨熱板冷卻之后，在光刻膠犧牲層上旋涂SU-8光刻膠，在室溫下靜置1 h時后進行烘膠，65 ℃、15 min后，95 ℃繼續(xù)烘膠2 h。

③ 烘膠結(jié)束后在光刻機下曝光顯影，曝光時長60 s。靜置10 min后進行后烘，烘膠條件為65 ℃并保溫20 min，再以95 ℃保溫40 min。

④ 待后烘結(jié)束后將基體放置在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaOH溶液中去除光刻膠犧牲層，待可動電極掉落后用乙醇洗滌。

⑤ 在可動電極一側(cè)濺射Cr/Cu種子層，用于后續(xù)的電路接通。

(2) 下層器件部分。

① 旋涂30 μm光刻膠，圖形化后，得到接觸支撐結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)與上層器件緊密接觸。

② 濺射Cr/Cu種子層以進行后續(xù)的電鍍處理。

③ 旋涂15 μm光刻膠并圖形化。

④ 電鍍Ni，制成電極結(jié)構(gòu)。

⑤ 在基片上旋涂15 μm光刻膠并圖形化。

⑥ 去除光刻膠以及Cr/Cu 種子層。

⑦ 可動電極和固定電極分別制作好后，利用環(huán)氧樹脂將上下層兩部分進行封裝組合。

(3) SiC摻雜工藝。

聚合物的摻雜工藝主要包括溶液混合法、熔融混合法和原位聚合法等[13]，其中溶液混合法是最常見的方法，本文亦采用選擇溶液混合法，選擇材料是SU-8光刻膠、碳化硅晶須和硅烷偶聯(lián)劑，工藝流程步驟如下。

① 超聲處理。采用無水乙醇∶水∶硅烷偶聯(lián)=72∶8∶20的體積比例準(zhǔn)備溶液，另外放入1 g的SiC納米線，采用超聲波乳化分散處理。

② 冷凝回流。首先搭建冷凝回流裝置，并將超聲之后的溶液倒入冷凝回流裝置中，冷凝回流6～8 h。反應(yīng)完成后采用2000 r/s的速度離心處理6 min；之后將上層清液倒出，再次用乙醇洗滌余下物質(zhì)，最后用濾紙吸干，并在60 ℃的條件下烘干。

③ SiC晶須的分散環(huán)節(jié)。這個步驟主要用來消除SiC晶須的團聚效應(yīng)，由于實驗特殊性，除了常規(guī)的球磨分散或者超聲分散的方法外[14-15]，采用升溫攪拌的形式，取用10 g SU-8光刻膠，將烘干后的0.2 g SiC晶須放入其中，將混合體放在45 ℃的條件下進行水浴攪拌，轉(zhuǎn)速為800 r/s。攪拌處理40 min后，進行超聲處理。待超聲結(jié)束之后對混合溶液抽真空，以徹底去除夾雜的氣泡。最終制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 wt%的前驅(qū)體，并對前驅(qū)體通過SEM掃描電鏡進行了表征，圖12為摻雜了SiC晶須之后的SU-8膠的掃描電鏡照片。

圖12 SU-8膠摻雜SiC后的掃描電鏡照片

3 結(jié)果測試

3.1 摻雜SiC晶須前后SU-8膠楊氏模量對比

楊氏模量是用于描述固體材料抵抗形變能力的物理量。楊氏模量是彈性模量的一種，它的定義是在胡克定律適用的范圍內(nèi)，單軸應(yīng)力和單軸形變的比。

屈服強度是指材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時候的屈服極限，即在發(fā)生微量塑性變形時候的應(yīng)力。根據(jù)定義可知，彈性形變和屈服現(xiàn)象都發(fā)生在材料的拉伸過程中，材料受到的拉力超過超過彈性極限時，就會發(fā)生塑性變形，即屈服現(xiàn)象。因此通過拉伸測試同時得到器件的楊氏模量和屈服強度。

為了確定前驅(qū)體摻雜的效果，特意將摻雜前后的SU-8器件使用動態(tài)熱機械分析儀采用靜態(tài)拉伸法進行拉伸測試，這是此類聚合物靜態(tài)表征方面最為簡單有效的方法之一[16]。測試使用的儀器是上海交通大學(xué)分析測試中心的動態(tài)熱機械分析儀，設(shè)備編號DMA Q850，該儀器主要用于研究器件在應(yīng)力或交變應(yīng)力下的響應(yīng)、應(yīng)力松弛、熱機械性能等，也可用于恒定應(yīng)力和應(yīng)變測試，如圖13所示，測試過程為取一片可動電極器件，將其夾緊放于夾具中進行拉伸測試，得出器件的應(yīng)力應(yīng)變曲線。根據(jù)儀器輸出的測試結(jié)果，未摻雜SiC之前材料的屈服強度為18.62 MPa，摻雜SiC之后的材料屈服強度為18.96 MPa。

圖13 動態(tài)熱機械分析儀DMA Q850

通過拉伸測試來測定材料的楊氏模量。圖14為拉伸測試結(jié)果，未添加SiC晶須之前的SU-8光刻膠的楊氏模量為802.2 MPa，添加了SiC晶須之后的SU-8光刻膠楊氏模量為908.7 MPa，由此可見SiC晶須的加入有效增強了慣性開關(guān)敏感單元(即可動電極)的結(jié)構(gòu)強度。

圖14 摻雜SiC晶須前后測試得的SU-8光刻膠結(jié)構(gòu)楊氏模量

3.2 慣性開關(guān)性能測試

圖15為組裝好的MEMS慣性開關(guān)器件，上層橙色部分為SU-8制成的可動電極，下層部分為固定電極和延伸出來的電極引腳。

圖15 制作的MEMS慣性開關(guān)器件

利用落錘系統(tǒng)對制作的MEMS慣性開關(guān)的加速度閾值進行測試，落錘系統(tǒng)是將落錘平臺上升至一定高度，然后落下與平面接觸時產(chǎn)生瞬間的沖擊加速度，從而導(dǎo)致可動電極沿敏感方向移動。因此通過檢測開關(guān)受到的加速度并觀察電路信息便可測得到開關(guān)的閾值加速度。

圖16、圖17為采用純SU-8光刻膠結(jié)構(gòu)作為MEMS慣性開關(guān)可動電極時的測試結(jié)果。如圖16所示，在加速度為65g情況下開關(guān)未導(dǎo)通；而當(dāng)外加加速度達到72g時開關(guān)導(dǎo)通，如圖17所示，此時MEMS慣性開的閾值加速度為72g。 這與前面的仿真結(jié)果有一定差異，分析其原因主要來自于器件進行微加工時的誤差所致。

圖16 開關(guān)測試結(jié)果(可動電極為純SU-8光刻膠)

圖17 開關(guān)測試結(jié)果(可動電極為純SU-8光刻膠)

而在SU-8光刻膠里摻雜了2 wt%的SiC晶須之后，所制作的MEMS慣性開關(guān)器件其可動電極結(jié)構(gòu)強度顯著提高，因而其閾值加速度也將增大，在圖18所示加速度為72g的情況下器件已經(jīng)無法閉合。當(dāng)外加加速度提高到88g時器件才實現(xiàn)閉合，如圖19所示。經(jīng)過多次重復(fù)測試，采用SiC晶須增強SU-8光刻膠作為MEMS慣性開關(guān)的可動電極時其閾值加速度為88g，比之前提高了約20%。

圖18 開關(guān)測試結(jié)果(可動電極為SiC增強的SU-8光刻膠結(jié)構(gòu))

圖19 開關(guān)測試結(jié)果(可動電極為SiC增強的SU-8光刻膠結(jié)構(gòu))

4 結(jié)束語

通過SiC晶須摻入SU-8光刻膠來有效提高慣性開關(guān)的強度，測試結(jié)果表明復(fù)合增強后材料的楊氏模量有所提高。采用復(fù)合增強的SU-8光刻膠作為MEMS慣性開關(guān)的可動電極，對制作后的器件進行了閾值加速度測試，結(jié)果表明，相比未采用SiC晶須進行復(fù)合增強的器件，帶有SiC增強SU-8光刻膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的MEMS慣性開關(guān)其閾值加速度增大了約20%，可使器件在實際應(yīng)用中具有承受更高外界加速度沖擊的能力，這也為MEMS領(lǐng)域中研制具有抗高沖擊能力的器件提供了一種新的技術(shù)途徑。