工藝誤差下MEMS慣性觸發(fā)開(kāi)關(guān)的閾值特性研究

易振匯,曹 云,聶偉榮,席占穩(wěn)

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

0 引言

MEMS慣性觸發(fā)開(kāi)關(guān)作為一種典型的慣性傳感與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外MEMS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械加工的慣性開(kāi)關(guān)其優(yōu)勢(shì)明顯,并且在很多場(chǎng)合可以取代MEMS加速度計(jì)的復(fù)雜系統(tǒng),具有廣泛的應(yīng)用前景。在現(xiàn)在的MEMS器件設(shè)計(jì)中,通常采用參數(shù)化設(shè)計(jì)加仿真驗(yàn)證的方法,但在樣機(jī)加工出來(lái)后,其設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)際樣機(jī)的性能往往具有較大差異,除了由于工藝產(chǎn)生的加工誤差,在設(shè)計(jì)仿真時(shí),由于仿真參數(shù)與實(shí)際參數(shù)不一致產(chǎn)生的誤差也不可忽視。

不少學(xué)者從尺寸與材料特性角度分析了工藝誤差的來(lái)源與影響,文獻(xiàn)[1]研究了微彈簧各結(jié)構(gòu)參數(shù)的加工誤差對(duì)彈簧性能的影響;文獻(xiàn)[2]加工了用于拉伸測(cè)試的樣件,采用拉伸法與納米壓痕測(cè)試法對(duì)電鍍鎳的材料特性進(jìn)行了測(cè)量;文獻(xiàn)[3]研究了不同溫度下LIGA 鎳的材料特性;文獻(xiàn)[4]等研究了在電鍍金屬鎳時(shí)電流對(duì)彈性模量的影響;文獻(xiàn)[5]從微觀孔隙度分析了電鍍時(shí)對(duì)彈性模量的影響規(guī)律,并給出了經(jīng)驗(yàn)公式。

尺寸與彈性模量是影響MEMS器件性能的重要因素,而這種薄膜器件的性能十分依賴加工工藝,制造后的器件尺寸和彈性模量等參數(shù)往往與設(shè)計(jì)時(shí)相差較大,且不同批次下的同種樣機(jī)也會(huì)有所差異,同時(shí)加工出來(lái)用于測(cè)試的樣件與制造的MEMS器件材料參數(shù)有時(shí)也不一致。本文測(cè)試了采用UV-LIGA工藝制作的MEMS萬(wàn)向慣性開(kāi)關(guān)樣機(jī),發(fā)現(xiàn)測(cè)試后的實(shí)際閾值與當(dāng)初的設(shè)計(jì)閾值相差較大,測(cè)量了各主要尺寸結(jié)構(gòu)的參數(shù)與樣機(jī)的彈性模量,分析了結(jié)構(gòu)誤差與彈性模量誤差對(duì)閾值性能的影響與誤差來(lái)源。

1 器件設(shè)計(jì)與制作

本文設(shè)計(jì)的慣性開(kāi)關(guān)主要由彈簧、質(zhì)量塊、固定電極、止擋柱等部件組成。采用4個(gè)S形錐彈簧支承圓形質(zhì)量塊,這種彈簧具有良好的壓桿穩(wěn)定性與抗共振性能[6];周?chē)捎?個(gè)對(duì)稱布置的外接觸電極,保證各向接觸一致性;中間增加圓柱形止擋柱,可以有效提高器件的抗高過(guò)載性能。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中質(zhì)量塊具有加速度敏感性,在外界沖擊加速度載荷作用下,質(zhì)量塊產(chǎn)生與加速度方向相同的位移,當(dāng)載荷足夠大時(shí),質(zhì)量塊與固定電極碰撞形成導(dǎo)通的電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)外接電路的信號(hào)傳遞。

圖1 MEMS慣性開(kāi)關(guān)Fig.1 MEMS inertial switch

該開(kāi)關(guān)以非硅表面微加工技術(shù)為基礎(chǔ),采用成本較低且方便使用的多層UV-LIGA工藝制作,選擇銅作為種子層材料,SU-8膠作為犧牲層材料,鎳作為器件結(jié)構(gòu)材料,進(jìn)行多次涂膠、光刻、濺射和電鍍等步驟[7-8],最后得到如圖1所示的多層鎳基結(jié)構(gòu)器件。

2 加速度閾值測(cè)試實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)由馬歇特?fù)翦N系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。被測(cè)開(kāi)關(guān)和加速度計(jì)通過(guò)夾具固定于錘頭上;加速度計(jì)用于測(cè)量器件所受到的加速度沖擊,靈敏度為1 mV/g。被測(cè)開(kāi)關(guān)、直流電源(5 V)和電阻(10 kΩ)按照分壓電路串聯(lián),電荷放大器放大加速度計(jì)上的電信號(hào),信號(hào)采集器采集電阻和信號(hào)放大器上的電信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)。當(dāng)錘頭從一定高度落下與緩沖墊撞擊時(shí),可以產(chǎn)生半正弦沖擊加速度,通過(guò)調(diào)節(jié)錘頭高度與緩沖墊厚度,可以產(chǎn)生幅值和脈寬不同的沖擊加速度。測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。測(cè)試時(shí)逐漸抬高每次馬歇特錘抬升的高度,以增加沖擊加速度大小,直到開(kāi)關(guān)閉合,此次下落沖擊產(chǎn)生的半正弦加速度即為開(kāi)關(guān)的閾值。

圖2 動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)與測(cè)試方向基準(zhǔn)Fig.2 Dynamic characteristics experimental test platform and test direction benchmark

以x軸方向?yàn)?°,y軸方向?yàn)?0°,從0°開(kāi)始,每間隔45°取一個(gè)方向,測(cè)量從0°～360°方向的8個(gè)方向閾值。圖3為被測(cè)樣機(jī)在0°,45°,90°,135° 4個(gè)方向的閾值動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)信號(hào)圖,其中CH1為加速度計(jì)反饋回來(lái)的加速度信號(hào),CH2為慣性開(kāi)關(guān)樣機(jī)反饋的電壓信號(hào)。圖3(e)與表1為所有方向的閾值測(cè)試結(jié)果。

表1 閾值測(cè)試結(jié)果Tab.1 Threshold test results

圖3 不同角度下的閾值測(cè)試結(jié)果Fig.3 Threshold test results at different angles

與設(shè)計(jì)值相對(duì)比,開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)閾值是300～424g,而測(cè)試得到的閾值范圍在361～763g,相對(duì)誤差在20%～80%,二者偏差較大;從分布上看,在圖3(d)中可以觀察出測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)閾值具有相近的分布結(jié)構(gòu),但在0°與180°方向上的實(shí)際閾值大小相似,在90°,225°與270°方向上的實(shí)際閾值卻相差較大,其散布中心明顯偏向于-Y軸方向。

由于這種薄膜類金屬制造技術(shù)的工藝特性,加工后的一些參數(shù)往往與當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)有出入,其顯著誤差通常在于尺寸與彈性模量?jī)蓚€(gè)方面,本文將從結(jié)構(gòu)工藝誤差和材料參數(shù)兩方面進(jìn)行誤差分析。

3 誤差分析

3.1 結(jié)構(gòu)尺寸誤差分析

使用高倍工具顯微鏡對(duì)樣機(jī)的徑向尺寸進(jìn)行測(cè)量,主要測(cè)量位置如圖4所示,分別測(cè)量了質(zhì)量塊外徑R1,質(zhì)量塊內(nèi)徑R2,質(zhì)量塊上的工藝孔半徑R3,電極質(zhì)量塊間隙d,彈簧短梁長(zhǎng)度L1,彈簧長(zhǎng)梁長(zhǎng)度L6,彈簧線寬b,彈簧轉(zhuǎn)彎內(nèi)徑r等尺寸,其中彈簧的參數(shù)測(cè)量在4個(gè)彈簧中各測(cè)量5組線寬與轉(zhuǎn)彎半徑數(shù)據(jù)后取平均值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)后得到主要尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 被測(cè)樣機(jī)主要尺寸的工藝誤差Tab.2 Process errors of the main sizes of the tested prototype

圖4 質(zhì)量塊和彈簧測(cè)量尺寸Fig.4 Measurement size of mass block and spring

由表2可知,開(kāi)關(guān)的主要實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸基本都為正偏差,絕對(duì)誤差大部分都在±10 μm以內(nèi),結(jié)構(gòu)尺寸越大,則加工后的相對(duì)誤差越小,而關(guān)鍵尺寸(電極間隙寬度d、彈簧線寬b)的結(jié)構(gòu)尺寸都比較小,相對(duì)誤差較大;其次對(duì)于長(zhǎng)寬比較大的長(zhǎng)梁L6,其長(zhǎng)度尺寸不管是絕對(duì)誤差還是相對(duì)誤差都十分明顯。

(1)

由閾值公式[9]可以得出,質(zhì)量塊主要通過(guò)質(zhì)量大小影響閾值范圍,在總體質(zhì)量較大的情況下,質(zhì)量塊外徑R1,質(zhì)量塊內(nèi)徑R2,質(zhì)量塊工藝孔孔徑R3尺寸在只有±10 μm的誤差下對(duì)總體質(zhì)量影響十分微小,對(duì)閾值性能影響也十分小。而彈簧線寬b對(duì)彈簧剛度影響較大,彈簧剛度直接影響到器件的固有頻率,其對(duì)閾值有較大影響。電極間隙在式(1)中與閾值成正比例關(guān)系,故電極間隙誤差也將直接影響到閾值誤差[10]。

其中0°方向的電極間隙d1與180°方向的電極間隙d3偏差較為相近,偏差在3.5～6 μm之間,90°方向的電極間隙d2偏差較小,而270°方向的電極間隙較大,說(shuō)明在Y軸方向質(zhì)量塊存在偏心誤差,質(zhì)量塊中心更靠近+Y軸方向,這與閾值實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論一致。

3.2 材料參數(shù)誤差分析

本文采用納米壓痕儀直接測(cè)量法與微推力計(jì)倒推法兩種方法來(lái)測(cè)量樣機(jī)的彈性模量。由于電鍍鎳的加工工藝導(dǎo)致每一批次器件的彈性模量都有所差異,單獨(dú)加工出來(lái)用于測(cè)試的樣件與實(shí)際制造的器件材料屬性往往也有所出入,故本文直接對(duì)加工好的樣機(jī)進(jìn)行彈性模量測(cè)量與分析。

3.2.1納米壓痕儀測(cè)量法

納米壓痕技術(shù)能在微米甚至納米尺度下測(cè)量材料的性能[11-12],不需要制備單獨(dú)用于測(cè)試的樣件,很適合用于測(cè)量MEMS器件這種厚度只有幾百微米的微小型器件。納米壓痕技術(shù)是利用特定的剛性壓頭壓入被測(cè)對(duì)象表面,圖5(a)為納米壓痕儀整體照片,其原理為通過(guò)測(cè)量壓頭的載荷與位移,得到材料表面的載荷-位移曲線,可以有效測(cè)出材料的硬度、彈性模量等力學(xué)特性。為方便測(cè)量以及提高精準(zhǔn)度,測(cè)量位置均選取在寬度較寬的錨點(diǎn)上,4個(gè)測(cè)量點(diǎn)如圖5(b)所示,其中放大圖為測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的壓痕,圖5(c)為4次試驗(yàn)的載荷-位移曲線。

圖5 納米壓痕實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果Fig.5 Procedure and result of nano-indentation experiment

測(cè)量結(jié)果如表3所示,由表中可知本次試驗(yàn)的樣品彈性模量均值為161.7 GPa,但散布較大,影響其測(cè)量結(jié)果的主要原因有:1) 樣機(jī)由UV-LIGA工藝制作,材料為電鍍鎳,其表面粗糙度較大[13],當(dāng)探針壓頭尖端與粗糙表面高峰接觸時(shí),其測(cè)試結(jié)果會(huì)偏小,反之則測(cè)量結(jié)果會(huì)偏大,其粗糙度越高則測(cè)量結(jié)果的散布越大[14];2) 樣品表面在空氣中暴露的時(shí)間過(guò)久,表面形成松軟的氧化層,當(dāng)探針壓頭尖端壓到氧化層時(shí),同樣會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

表3 硬度和彈性模量測(cè)量結(jié)果Tab.3 Hardness and elastic modulus measurement results

3.2.2微推力計(jì)測(cè)量法

微推力計(jì)測(cè)量法是采用微推力計(jì)直接測(cè)量得到彈簧剛度,再結(jié)合前面測(cè)量得到的彈簧具體尺寸通過(guò)公式推算出該樣機(jī)的彈性模量。由于彈性模量的變化直接影響到彈簧的剛度,而樣機(jī)的閾值取決于彈簧的剛度與質(zhì)量塊的質(zhì)量,故從彈簧剛度變化推算其彈性模量變化具有一定的理論依據(jù)。

微推力計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由顯微鏡、微推力計(jì)和控制電腦三部分組成,圖6(a)為微推力計(jì)與顯微鏡,右上角放大圖為微推力計(jì)上的力傳感器與被測(cè)器件,左下角為實(shí)驗(yàn)過(guò)程的SEM圖。實(shí)驗(yàn)原理及過(guò)程如下:控制微推力計(jì)針頭貼近質(zhì)量塊上表面,讓針頭緩慢下移,向下推動(dòng)懸空的質(zhì)量塊,向下的加載速度為1 μm/s,通過(guò)針頭上的力傳感器測(cè)量針頭受力F,采樣速率為10 Hz,通過(guò)分析整體的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的受力-位移曲線即可得到單個(gè)彈簧的剛度。

圖6 微推力計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)和結(jié)果Fig.6 Test platform and rusult of the microthrust meter

假設(shè)4個(gè)彈簧剛度一致且均為k,則可以得出k與F,x的關(guān)系式為

(2)

式(2)中,F為微推力計(jì)施加的力,x為微推力計(jì)測(cè)得的位移,R為質(zhì)量塊半徑,D為受力點(diǎn)與中心的偏心距。S型錐形彈簧的剛度公式為[7]

(3)

式(3)中,E為彈性模量,h為彈簧厚度,b為彈簧寬度,n為彈簧段數(shù),L1為第一段彈簧長(zhǎng)度,Ln為第n段彈簧長(zhǎng)度,r為彈簧轉(zhuǎn)彎半徑。聯(lián)立式(2)、式(3)即可根據(jù)F與x的關(guān)系得到彈性模量E:

(4)

兩次不同偏心距d測(cè)得的F-x曲線如圖6(b)所示,根據(jù)其曲線計(jì)算出來(lái)的彈性模量為155.6 GPa和149.3 GPa,與納米壓痕儀得到的彈性模量均值接近。

對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有限元仿真驗(yàn)證,仿真模型參數(shù)為實(shí)際測(cè)量尺寸,采用的材料參數(shù)為:彈性模量160 GPa,密度8 910 kg/m3,泊松比0.312。在離質(zhì)量塊中心距離d處加載1 mN的載荷,得到變形曲線如圖6(b)所示,與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性較高,故可以認(rèn)為得到的彈性模量比較準(zhǔn)確。

3.2.3彈性模量誤差對(duì)開(kāi)關(guān)閾值特性的影響分析

1) 彈性模量誤差來(lái)源

在電鍍過(guò)程中,電鍍的溫度、溶液濃度以及電流密度都會(huì)影響到被鍍薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能[4]。由于電鍍溫度的升高與電流密度的加大,容易電解出更多的硫酸鹽與銨離子,會(huì)在電鍍薄膜內(nèi)形成大量空隙,其空隙越多彈性模量越小。在電鍍溫度為60 ℃、電流密度在2 mA/cm2時(shí),其電鍍層的彈性模量與塊狀鎳相近,可以達(dá)到205 GPa;而當(dāng)電鍍溫度為80 ℃或電流密度為30 mA/cm2時(shí),其彈性模量會(huì)迅速降低到100 GPa以下。這種變化會(huì)嚴(yán)重影響到加工器件的性能。

2) 彈性模量誤差對(duì)慣性開(kāi)關(guān)閾值的影響

采用有限元仿真分析彈性模量材料參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)閾值的影響,所用材料參數(shù)與3.2.2節(jié)材料參數(shù)一致。開(kāi)關(guān)模型參數(shù)與3.1節(jié)初始基準(zhǔn)模型一致。

在不改變其他尺寸的情況下僅改變彈性模量參數(shù)觀察樣機(jī)模型的閾值變化。彈性模量參數(shù)變化對(duì)閾值的影響如圖7所示。

圖7 彈性模量與閾值關(guān)系圖Fig.7 Relation between elastic modulus and threshold value

由圖7可知彈性模量對(duì)閾值影響較大,且彈性模量越大閾值越大。所用工藝彈性模量在100～220 GPa波動(dòng)時(shí),在0°方向上閾值的變化會(huì)到達(dá)±90g,在45°方向上閾值的變化會(huì)到達(dá)±120g。這種由于工藝產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致設(shè)計(jì)性能與實(shí)際性能相差較大,極大地增加了MEMS器件的二次設(shè)計(jì)與制造的成本。

4 誤差下的動(dòng)態(tài)仿真分析

從尺寸誤差與彈性模量誤差兩方面對(duì)MEMS慣性開(kāi)關(guān)的閾值特性進(jìn)行測(cè)試與分析后,采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的參數(shù)對(duì)于其進(jìn)行建模與仿真,檢驗(yàn)仿真與試驗(yàn)的一致性。所用材料參數(shù)與3.2.2節(jié)材料參數(shù)一致,尺寸參數(shù)采用表2中的測(cè)量均值。仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試值對(duì)比如表4所示,圖8給出了設(shè)計(jì)值,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖。

表4 仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試值對(duì)比Tab.4 Comparison between simulation results and actual test values

圖8 實(shí)際測(cè)量閾值、設(shè)計(jì)閾值與修正誤差后仿真閾值對(duì)比圖Fig.8 Comparison of the actual measured threshold,the design threshold and the simulated threshold after error correction

可以從圖表中看出在經(jīng)過(guò)重新測(cè)量參數(shù)優(yōu)化后的仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果具有一致性,除了225°方向存在異常,其誤差均在5%以內(nèi),屬于可以接受的范圍。在225°方向產(chǎn)生較大誤差的原因可能有以下幾點(diǎn):1) 在計(jì)算推導(dǎo)時(shí)假設(shè)4根支撐彈簧完全一致,但實(shí)際情況與假設(shè)并不完全相符,4根彈簧的剛度有所差異,且單個(gè)彈簧的每一段線寬也會(huì)有所差異;2) 由于電極與質(zhì)量塊并不在同一平面,無(wú)法使兩邊同時(shí)對(duì)焦,容易產(chǎn)生測(cè)量誤差;3) 電極末端有微小突起,在實(shí)際接觸時(shí)可能會(huì)虛接,電極與質(zhì)量塊之間的壓力較小時(shí)電路可能不會(huì)導(dǎo)通。

5 結(jié)論

本文對(duì)MEMS慣性觸發(fā)開(kāi)關(guān)存在的工藝誤差進(jìn)行了研究。從結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)兩方面分析了其誤差來(lái)源與產(chǎn)生機(jī)理,并進(jìn)行了考慮工藝尺寸與彈性模量的仿真分析,得到的仿真結(jié)果準(zhǔn)確性較高。得到如下結(jié)論:

1) MEMS慣性開(kāi)關(guān)在設(shè)計(jì)時(shí)的閾值與實(shí)際加工后的閾值明顯具有較大偏差,其誤差主要來(lái)源于結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差與材料參數(shù)誤差,其中電極間隙、彈簧線寬與彈性模量誤差對(duì)該誤差具有較大影響,而其他參數(shù)的誤差影響較小;

2) 所測(cè)試的MEMS慣性開(kāi)關(guān)工藝尺寸偏差基本為正偏差,使得加工后開(kāi)關(guān)得實(shí)際閾值明顯大于設(shè)計(jì)值,且在Y軸方向具有明顯偏心誤差;

3) 實(shí)際測(cè)量得到的材料屬性彈性模量在160 GPa,比設(shè)計(jì)時(shí)所用的塊狀鎳彈性模量低,會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)的實(shí)際閾值降低,在一定程度上抵消了由于工藝尺寸產(chǎn)生的偏差。