SiC晶須和SU-8復合增強的MEMS慣性開關研究

鄭 瑋， 李亞輝， 劉 揚， 張浩東， 楊卓青

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

MEMS慣性開關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：當外界加速度超過閾值加速度后，MEMS慣性開關的可動電極與固定電極碰撞，從而電路導通，慣性開關閉合。MEMS慣性開關目前在測試控制、汽車電子、消費電子、生物醫療等領域都有廣泛應用。

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

(1) 遍植碳納米管。

韓國延世大學Lee等[1-2]在慣性開關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為柔性碰撞的形式有效增強了慣性開關的接觸時間。圖1(a)和圖1(b)分別為遍植碳納米管的慣性開關結構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結構示意圖和接觸電極與碳納米管的SEM示意圖

(2) 利用可導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、導電性液體作為可動電極制成新型慣性開關，圖2為MEMS慣性開關結構示意圖。當開關受到的加速度未達到閾值前，可動液滴無法穿過狹縫，此時開關無法導通。而當加速度超過閾值后，可動電極與固定電極接觸，開關導通。

圖2 慣性開關結構示意圖和實物圖

在MEMS慣性開關的發展過程中，也出現了很多創新用途的MEMS慣性開關，例如多閾值和多敏感方向的慣性開關。

韓國首爾大學Kim等[5-6]利用梳齒結構設計出一種可調閾值的MEMS慣性開關，可動電極通過和梳齒狀結構之間的調諧電壓來調整位置，處于梳齒不同位置時候慣性開關的閾值電壓也不同，慣性開關結構如圖3所示。

南京理工大學席占穩研究員設計出一種多敏感方向的MEMS慣性開關[7],其結構如圖4所示，結構的主要部分包括支撐彈簧、錨點、質量快、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80年代左右被研發并投入到實驗室應用的光刻膠[8]，由于它具有力學性能好、耐腐蝕性強等優點，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的電學性能，改性后的SU-8光刻膠具有壓阻效應，這是SU-8經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，它是一種常用的優質復合材料增強劑，同時也具有耐熱強度高、耐腐蝕等特性[11]。由于SiC晶須結構縱橫比高，且具有比聚合物基體高很多的彈性模量。因而，由晶須組成的網絡可提高聚合物的內聚強度，減少內部缺陷，分散應力，形成的復合材料機械強度比單純聚合物顯著提高。

圖3 具有梳齒驅動結構的慣性開關

圖4 多敏感方向慣性開關結構

綜上所述，MEMS慣性開關在之前的發展過程中較多關注接觸時間或敏感方向等性能方面，而對于開關本身的材料創新關注較少。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據輸入到COMSOL仿真軟件中對設計器件的性能進行初步仿真。通過微加工技術中的犧牲層制作、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測試慣性開關的閾值加速度。根據此原理制作一種由SiC晶須摻雜SU-8膠復合增強的MEMS慣性開關，研究結果證明了SiC晶須摻雜的SU-8膠有潛力在MEMS慣性開關的新型材料中發揮更重要的應用，并為后續慣性開關的其他聚合物材料或增強體的應用提供了參考。

1 仿真分析

圖5為MEMS慣性開關的結構圖和正視圖，慣性開關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慣性開關的結構圖和正視圖

利用多物理場仿真軟件COMSOL進行仿真，根據仿真結果來初步判斷器件的性能，仿真的內容主要包括可動電極的各階模態、彈性系數和器件的閾值加速度等。器件內部質量塊為正方形，邊長5.58 mm，單個彈簧長1.88 mm。慣性開關的仿真一般在固體力學物理層中進行，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構+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，并且將可動電極變為原來的1/4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格劃分等。

模態分析在工程振動領域有廣泛的應用，通過分析機械結構的固有振動特性，防止器件在類似頻率下進行工作。首先對器件的六階模態進行仿真，圖6為器件的前6階模態，其6階特征頻率分別為271.29，1473.4，1665.1，1831.7，1833，2341 Hz。本慣性開關設計的應用場景是振動檢測，一般來說坦克壓過地面時在地表產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，所以設定的測試環境不會與慣性開關產生共振。

可動電極的彈性系數對于慣性開關器件的性能(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構的彈性系數。仿真計算結果表明，所設計的器件可動電極的彈性系數約為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慣性開關可動電極的前6階模態

圖7 仿真得到可動電極整體結構的彈性系數

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力大概為0.5 MPa，但是遠遠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)，因此設計是可行的。

圖9 在受到阻尼的情況下器件的應力分布圖

而在有阻尼的情況下，器件往復運動相對較慢，在5 ms的時間內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。因此需要根據仿真情況調整器件實際的設計制作情況，將上下極板間距由100 μm更改到50 μm，這里體現出仿真對實驗的指導作用。

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 ℃繼續烘膠2 h。

③ 烘膠結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 待后烘結束后將基體放置在質量分數為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 在可動電極一側濺射Cr/Cu種子層，用于后續的電路接通。

(2) 下層器件部分。

① 旋涂30 μm光刻膠，圖形化后，得到接觸支撐結構以實現與上層器件緊密接觸。

② 濺射Cr/Cu種子層以進行后續的電鍍處理。

③ 旋涂15 μm光刻膠并圖形化。

④ 電鍍Ni，制成電極結構。

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=72∶8∶20的體積比例準備溶液，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，最后用濾紙吸干，并在60 ℃的條件下烘干。

③ SiC晶須的分散環節。這個步驟主要用來消除SiC晶須的團聚效應，由于實驗特殊性，除了常規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，轉速為800 r/s。攪拌處理40 min后，進行超聲處理。待超聲結束之后對混合溶液抽真空，以徹底去除夾雜的氣泡。最終制成質量分數為2 wt%的前驅體，并對前驅體通過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，單軸應力和單軸形變的比。

屈服強度是指材料發生屈服現象時候的屈服極限，即在發生微量塑性變形時候的應力。根據定義可知，彈性形變和屈服現象都發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，就會發生塑性變形，即屈服現象。因此通過拉伸測試同時得到器件的楊氏模量和屈服強度。

為了確定前驅體摻雜的效果，特意將摻雜前后的SU-8器件使用動態熱機械分析儀采用靜態拉伸法進行拉伸測試，這是此類聚合物靜態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分析測試中心的動態熱機械分析儀，設備編號DMA Q850，該儀器主要用于研究器件在應力或交變應力下的響應、應力松弛、熱機械性能等，也可用于恒定應力和應變測試，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，得出器件的應力應變曲線。根據儀器輸出的測試結果，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敏感單元(即可動電極)的結構強度。

圖14 摻雜SiC晶須前后測試得的SU-8光刻膠結構楊氏模量

3.2 慣性開關性能測試

圖15為組裝好的MEMS慣性開關器件，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慣性開關器件

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

圖16、圖17為采用純SU-8光刻膠結構作為MEMS慣性開關可動電極時的測試結果。如圖16所示，在加速度為65g情況下開關未導通；而當外加加速度達到72g時開關導通，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 開關測試結果(可動電極為純SU-8光刻膠)

圖17 開關測試結果(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慣性開關器件其可動電極結構強度顯著提高，因而其閾值加速度也將增大，在圖18所示加速度為72g的情況下器件已經無法閉合。當外加加速度提高到88g時器件才實現閉合，如圖19所示。經過多次重復測試，采用SiC晶須增強SU-8光刻膠作為MEMS慣性開關的可動電極時其閾值加速度為88g，比之前提高了約20%。

圖18 開關測試結果(可動電極為SiC增強的SU-8光刻膠結構)

圖19 開關測試結果(可動電極為SiC增強的SU-8光刻膠結構)

4 結束語

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