基于MEMS技術的低g值微慣性開關的設計與制作*

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)

慣性開關是一種感受慣性加速度，執行開關機械動作的精密慣性裝置，低g值是指慣性開關閉合閾值范圍為1gn～30gn(gn:標準重力加速度，1gn=9.8 m/s2)，在汽車安全氣囊、工業安全控制和航空航天等領域有著廣泛的應用［1～2］。慣性開關大多采用典型的“彈簧－質量－阻尼”結構，要求具有無源、小體積、機械濾波等特點。對低g值慣性開關而言，應該響應的信號是準靜態的、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產生。除了這種應該響應的信號外，慣性開關工作環境中還必然存在一些由沖擊或振動產生的各種高頻干擾信號。設計時，低g值慣性開關的“彈簧－質量”結構必須具備較低的固有頻率，并輔以適當的阻尼條件［3］，從而使其結構本身可實現機械濾波，降低對振動或沖擊等干擾信號的響應，避免慣性開關的誤動作。傳統的低g值慣性開關一般采用精密機械加工，存在零件較多、裝配復雜、體積較大等不足。MEMS技術的發展和微加工水平的提高為研制體積小、綜合性能更優的微慣性開關提供了技術支撐，因此采用MEMS技術實現低g值慣性開關具有重要的研究價值。

目前報導的大部分微慣性開關的閉合閾值均大于50gn，主要應用于高g值加速度的沖擊環境條件下［4～7］，關于低g值微慣性開關的文獻報道相對較少。郭濤［8］等人為解決金屬接觸可能導致的開關工作失靈，提出了一種低驅動電壓的非接觸式微加速度開關(閉合閾值為5gn)，進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、導電性好等優點，研制了一種微液滴開關，通過改變微通道結構尺寸，可實現各種閉合閾值的設計。微液滴開關成功解決了常見機械觸點式開關存在的接觸電阻大、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，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、以及結構的機械強度和內應力等問題［11］，產品的成品率較低。本文采用缺陷非常少的單晶硅作為結構材料，結合MEMS體硅加工工藝的特點，開發了一種基于平面矩形螺旋梁結構的低g值微慣性開關，并進行了理論設計和分析。采用MEMS體硅加工工藝和圓片級封裝技術，完成了微慣性開關的制作，并對試驗樣品進行了離心試驗測試和導通電阻測試。

1 結構設計

圖1 基于平面矩形螺旋梁的低g值微慣性開關結構示意圖

基于平面矩形螺旋梁結構的低g值微慣性開關采用雙觸點結構，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，是整個結構的核心部件，包括懸空的感知慣性加速度的方形質量塊，和兩根結構完全相同的低剛度平面矩形螺旋梁，三者組成低頻的“彈簧－質量”結構。帶有淺槽的封蓋用于限制質量塊的反向運動，保護“彈簧－質量”結構。臺階形成質量塊和基底的初始間距Z0。平面矩形螺旋梁位于質量塊厚度方向上的中心平面內，從而大大降低在非敏感方向上的加速度信號對慣性開關工作的干擾。考慮結構的加工工藝性，通過增加平面矩形螺旋梁的彎折圈數即梁的長度，從而有效地降低了梁在OZ方向上的剛度，實現低頻“彈簧－質量”結構的設計。慣性開關的工作原理為:在OZ方向上慣性加速度的作用下，可動質量塊向固定基底運動，當加速度達到閉合閾值時，質量塊底面上的金屬層與基底上的兩個金屬觸點同時接觸，從而提供開關導通信號。

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

其中z(t)為質量塊相對基底的運動位移;ξ為系統阻尼比;Ω=2πf為“彈簧－質量”結構固有角頻率;k、m、β分別為系統的有效剛度、有效質量和阻尼系數。由于低gn值慣性開關敏感的慣性加速度信號是準靜態的、頻率近乎為零，采用準靜態分析方法［13］，忽略方程(1)的導數項，慣性開關的閉合閾值可以表示為:

其中負號取決于參考方向。可以看出:①慣性開關“彈簧－質量”結構參數(k，m)由設計輸入:慣性開關的機械濾波能力(f)決定;②慣性開關臺階高度參數(Z0)由設計輸入:慣性開關的機械濾波能力(f)和閉合閾值(ath)共同決定;③式中沒有阻尼系數項，因此準靜態方法近似認為系統是一個零阻尼系統，忽略了阻尼因素對系統響應特性的影響，但這種影響在對系統進行動力學響應分析是不能忽略的;④通過實驗測得臺階高度和慣性開關的閉合閾值，可近似求得慣性開關“彈簧－質量”結構的固有頻率。

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，設計質量塊尺寸為 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，梁的總節數為 11。結構材料為體硅，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，對微慣性開關的“彈簧－質量”結構進行仿真分析。模態分析結果如圖2所示，一階模態的固有頻率為94.6 Hz，振型為沿Z軸運動;二階模態的固有頻率微273 Hz，振型為繞Y軸轉動;三階模態的固有頻率為283 Hz，振型為繞X軸轉動。由于采用雙觸點設計，慣性開關只會在一階模態的諧振情況下實現導通，從而在理論上將具有良好的機械濾波性能，避免沖擊或振動等干擾信號造成慣性開關的誤動作。

圖2 低g值微慣性開關“彈簧－質量”結構ANSYS模態分析

同時，對微慣性開關的“彈簧－質量”結構進行了靜態仿真分析，加載條件為在OZ方向上大小為5gn的慣性加速度。分析結果表明，質量塊的位移為 144.7 μm。最大剪切應變為 0.000 154，出現在平面矩形螺旋梁的彎折位置。

表1給出了在微慣性開關非敏感方向上(OXY平面內)的慣性加速度速度對其性能的影響，其中MaxUZ和MinUZ分別表示質量塊底面在OZ方向上的最大位移和最小位移。可以看出，在OX、OY方向上的慣性加速度為50gn(加載條件4)時，質量塊底面上最大位移和最小位移僅僅相差0.24 μm，質量塊底面的金屬層仍能與基底上的兩個金屬觸點實現同時接觸。同時相對只有OZ方向的載荷情況(加載條件1)下，質量塊的位移變化量約為0.21 μm，對慣性開關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能夠有效地降低非敏感方向上的耦合效應，具有較好的抗干擾性能。

表1 低g值微慣性開關抗干擾性能分析

3 制作工藝

基于平面矩形螺旋梁的低g值微慣性開關采用玻璃(封蓋)－硅(管芯、臺階)－玻璃(基底)結構，通過陽極鍵合工藝實現芯片的圓片級封裝。

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構，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構層刻蝕穿通，得到懸空的“彈簧－質量”結構，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，涉及到社會多方利益廣泛的工作做好。解決醫療服務價格長期偏離醫療服務成本變，服務價格內容與服務成本結構不符，影響服務成本補償和醫務人員分配利益及價值取向的問題。醫療服務價格既不能簡單地理解為純公益性，也不能單純理解為經營性，而是堅持具有一定福利的公益性的事業這一前提。做好與財政補助，醫保支付，患者需求，醫療服務提供，物價水平，支付能力，三醫聯動等相關部門溝通與政策因素協調。

采用該工藝流程，最終成功制作出基于平面矩形螺旋梁結構的低g值微慣性開關，“彈簧－質量”結構如圖4所示。劃片后微慣性開關芯片的尺寸為7 mm ×7 mm ×1.5 mm，如圖5所示。

圖4 微慣性開關“彈簧－質量”結構的SEM照片

圖5 微慣性開關圓片級封裝照片

4 實驗測試

基于離心原理，對制作的慣性開關樣品進行了離心實驗測試以獲得閉合閾值，設置離心加速度從0gn經60 s增大到10gn，保持5 s，然后經60 s減小到0gn。數據采集系統(采樣周期0.02 s)同時記錄離心加速度和開關電信號(“1”為斷開狀態，“0”為導通狀態)，通過兩條曲線的比對得到慣性開關的閉合閾值，如圖6所示。5次測試的結果分別為4.53gn、4.34gn、4.01gn、3.81gn、4.73gn，平均值為4.28gn，具有優于±0.5gn的閉合精度。實際測試臺階的高度約為143 μm，根據式(2)，慣性開關“彈簧－質量”結構的固有頻率約為86.2 Hz。

圖6 微慣性開關離心實驗測試

接觸彈跳是在機械觸點式慣性開關導通瞬間出現的瞬通和瞬斷現象。由圖6可以看出，慣性開關樣品在39.98 s至40.16 s之間出現了接觸彈跳現象，對應離心加速度為4.30gn至4.34gn。當慣性開關負載較大電流時，接觸彈跳易打火燒毀電極觸點，造成慣性開關的失效。導致接觸彈跳現象的影響因素較多，包括系統阻尼特性、觸點材料、質量塊質量、以及應用環境下的慣性加速度等等。合適的系統阻尼設計［4］，增大質量塊質量，將觸點設計為具有緩沖特性的柔性結構［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，提高機械觸點式慣性開關的接觸可靠性。

接觸電阻是衡量低g值微慣性開關導通性能的一項重要指標。在離心試驗測試過程中采用示波器監測微慣性開關狀態，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為微慣性開關的導通電阻。用示波器監測開關閉合導通后A點的電壓Vx。根據串聯電路分壓原理，Rx可以表示為:

測試結果表明，慣性開關的導通電阻約為9.3 Ω。

圖7 微慣性開關導通電阻測試等效電路圖

5 結論

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構的低g值微慣性開關。采用平面矩形螺旋梁結構，實現了低g值微慣性開關的低頻設計，對類似微慣性器件的設計具有參考意義。采用MEMS體硅加工工藝和圓片級封裝技術，成功制作了微慣性開關，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，初步滿足設計目標，論證了方案的可行性。為實現該器件的工程實用化，尚需優化結構設計，完善工藝方案，提高結構尺寸的加工精度，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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