基于MEMS技术的低g值微惯性开关的设计与制作*

王 超，陈光焱，吴嘉丽

(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621900)

惯性开关是一种感受惯性加速度，执行开关机械动作的精密惯性装置，低g值是指惯性开关闭合阈值范围为1gn～30gn(gn:标准重力加速度，1gn=9.8 m/s2)，在汽车安全气囊、工业安全控制和航空航天等领域有着广泛的应用［1～2］。惯性开关大多采用典型的“弹簧－质量－阻尼”结构，要求具有无源、小体积、机械滤波等特点。对低g值惯性开关而言，应该响应的信号是准静态的、频率近乎为零的线性加速度信号，试验中这种信号一般由离心机产生。除了这种应该响应的信号外，惯性开关工作环境中还必然存在一些由冲击或振动产生的各种高频干扰信号。设计时，低g值惯性开关的“弹簧－质量”结构必须具备较低的固有频率，并辅以适当的阻尼条件［3］，从而使其结构本身可实现机械滤波，降低对振动或冲击等干扰信号的响应，避免惯性开关的误动作。传统的低g值惯性开关一般采用精密机械加工，存在零件较多、装配复杂、体积较大等不足。MEMS技术的发展和微加工水平的提高为研制体积小、综合性能更优的微惯性开关提供了技术支撑，因此采用MEMS技术实现低g值惯性开关具有重要的研究价值。

目前报导的大部分微惯性开关的闭合阈值均大于50gn，主要应用于高g值加速度的冲击环境条件下［4～7］，关于低g值微惯性开关的文献报道相对较少。郭涛［8］等人为解决金属接触可能导致的开关工作失灵，提出了一种低驱动电压的非接触式微加速度开关(闭合阈值为5gn)，进行了力电耦合理论计算和仿真分析验证，但并未给出试验验证。Kwanghun Yoo等人［9］利用金属液体(水银)密度大、导电性好等优点，研制了一种微液滴开关，通过改变微通道结构尺寸，可实现各种闭合阈值的设计。微液滴开关成功解决了常见机械触点式开关存在的接触电阻大、接触不可靠等问题，但体积仍相对较大，同时水银是剧毒材料，对人体和环境都具有较大的伤害。陈光焱等人［10］采用UV－LIGA工艺成功研制了一种基于阿基米德螺旋线的低g值微惯性开关，闭合阈值约为21.3gn。但是，微电铸工艺制作的螺旋梁存在针孔和积瘤等缺陷、以及结构的机械强度和内应力等问题［11］，产品的成品率较低。本文采用缺陷非常少的单晶硅作为结构材料，结合MEMS体硅加工工艺的特点，开发了一种基于平面矩形螺旋梁结构的低g值微惯性开关，并进行了理论设计和分析。采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装技术，完成了微惯性开关的制作，并对试验样品进行了离心试验测试和导通电阻测试。

1 结构设计

图1 基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关结构示意图

基于平面矩形螺旋梁结构的低g值微惯性开关采用双触点结构，如图1所示，由封盖、管芯、台阶和基底四部分组成。管芯为惯性敏感单元，是整个结构的核心部件，包括悬空的感知惯性加速度的方形质量块，和两根结构完全相同的低刚度平面矩形螺旋梁，三者组成低频的“弹簧－质量”结构。带有浅槽的封盖用于限制质量块的反向运动，保护“弹簧－质量”结构。台阶形成质量块和基底的初始间距Z0。平面矩形螺旋梁位于质量块厚度方向上的中心平面内，从而大大降低在非敏感方向上的加速度信号对惯性开关工作的干扰。考虑结构的加工工艺性，通过增加平面矩形螺旋梁的弯折圈数即梁的长度，从而有效地降低了梁在OZ方向上的刚度，实现低频“弹簧－质量”结构的设计。惯性开关的工作原理为:在OZ方向上惯性加速度的作用下，可动质量块向固定基底运动，当加速度达到闭合阈值时，质量块底面上的金属层与基底上的两个金属触点同时接触，从而提供开关导通信号。

在OZ方向上惯性加速度a(t)的作用下，惯性开关的力学平衡方程可以表示为［4］:

其中z(t)为质量块相对基底的运动位移;ξ为系统阻尼比;Ω=2πf为“弹簧－质量”结构固有角频率;k、m、β分别为系统的有效刚度、有效质量和阻尼系数。由于低gn值惯性开关敏感的惯性加速度信号是准静态的、频率近乎为零，采用准静态分析方法［13］，忽略方程(1)的导数项，惯性开关的闭合阈值可以表示为:

其中负号取决于参考方向。可以看出:①惯性开关“弹簧－质量”结构参数(k，m)由设计输入:惯性开关的机械滤波能力(f)决定;②惯性开关台阶高度参数(Z0)由设计输入:惯性开关的机械滤波能力(f)和闭合阈值(ath)共同决定;③式中没有阻尼系数项，因此准静态方法近似认为系统是一个零阻尼系统，忽略了阻尼因素对系统响应特性的影响，但这种影响在对系统进行动力学响应分析是不能忽略的;④通过实验测得台阶高度和惯性开关的闭合阈值，可近似求得惯性开关“弹簧－质量”结构的固有频率。

2 仿真分析

为研制一种闭合阈值为5gn的低g值微惯性开关，设计质量块尺寸为 1 800 μm × 1 800 μm ×300 μm，平面矩形螺旋梁宽为 100 μm，厚度为30 μm，梁间空隙宽度为100 μm，梁的总节数为 11。结构材料为体硅，杨氏模量E=130 GPa，泊松比v=0.22，密度 ρ=2 330 kg·m－3。

采用ANSYS有限元软件，对微惯性开关的“弹簧－质量”结构进行仿真分析。模态分析结果如图2所示，一阶模态的固有频率为94.6 Hz，振型为沿Z轴运动;二阶模态的固有频率微273 Hz，振型为绕Y轴转动;三阶模态的固有频率为283 Hz，振型为绕X轴转动。由于采用双触点设计，惯性开关只会在一阶模态的谐振情况下实现导通，从而在理论上将具有良好的机械滤波性能，避免冲击或振动等干扰信号造成惯性开关的误动作。

图2 低g值微惯性开关“弹簧－质量”结构ANSYS模态分析

同时，对微惯性开关的“弹簧－质量”结构进行了静态仿真分析，加载条件为在OZ方向上大小为5gn的惯性加速度。分析结果表明，质量块的位移为 144.7 μm。最大剪切应变为 0.000 154，出现在平面矩形螺旋梁的弯折位置。

表1给出了在微惯性开关非敏感方向上(OXY平面内)的惯性加速度速度对其性能的影响，其中MaxUZ和MinUZ分别表示质量块底面在OZ方向上的最大位移和最小位移。可以看出，在OX、OY方向上的惯性加速度为50gn(加载条件4)时，质量块底面上最大位移和最小位移仅仅相差0.24 μm，质量块底面的金属层仍能与基底上的两个金属触点实现同时接触。同时相对只有OZ方向的载荷情况(加载条件1)下，质量块的位移变化量约为0.21 μm，对惯性开关闭合阈值精度的影响可以忽略。因此，基于平面矩形螺旋梁的微惯性开关能够有效地降低非敏感方向上的耦合效应，具有较好的抗干扰性能。

表1 低g值微惯性开关抗干扰性能分析

3 制作工艺

基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关采用玻璃(封盖)－硅(管芯、台阶)－玻璃(基底)结构，通过阳极键合工艺实现芯片的圆片级封装。

玻璃封盖的工艺流程为:①选取硼硅玻璃基片，双面溅射Cr/Au，并且双面旋途光刻胶，然后单面光刻出图形，如图3(g1.1)所示;②以光刻胶和Cr/Au为双层掩膜，采用HF/HCl混合溶液腐蚀出深度约为50 μm的槽，最后去除光刻胶和Cr/Au，将制作完成的玻璃封盖清洗处理后烘干，留待键合，如图3(g1.2)所示。

图3 低g值微惯性开关工艺流程

玻璃基底的工艺流程为:①选取硼硅玻璃基片，单面光刻出图形，采用BHF溶液腐蚀浅槽，如图3(g2.1)所示;②溅射Cr/Au，采用超声剥离工艺去除光刻胶，将制作完成的玻璃基底清洗处理后烘干，留待键合，如图3(g2.2)所示。

采用(100)双抛硅片制作管芯和台阶结构，其工艺流程如下:①热氧化生成厚度约3 μm的SiO2氧化层，双面光刻出图形后，以SiO2为掩膜层采用KOH溶液双面腐蚀出深度约为140 μm的槽，然后去除SiO2，如图3(s.1)所示;②在基片正面采用喷涂工艺，在深槽里光刻出图形，以光刻胶为掩膜层进行ICP刻蚀，然后去除光刻胶，如图3(s.2)所示;③和制作完成的玻璃封盖进行阳极键合，如图3(s.3)所示;④在基片背面采用喷涂工艺，在深槽里光刻出图形，以光刻胶为掩膜层采取ICP刻蚀方法将剩余的硅结构层刻蚀穿通，得到悬空的“弹簧－质量”结构，如图3(s.4)所示;⑤采取夹具工装方式，并以开有小孔的不锈钢板为掩膜，在质量块底面溅射Cr/Au形成金属层，如图3(s.5)所示;

如何把这样一项政策性强，涉及到社会多方利益广泛的工作做好。解决医疗服务价格长期偏离医疗服务成本变，服务价格内容与服务成本结构不符，影响服务成本补偿和医务人员分配利益及价值取向的问题。医疗服务价格既不能简单地理解为纯公益性，也不能单纯理解为经营性，而是坚持具有一定福利的公益性的事业这一前提。做好与财政补助，医保支付，患者需求，医疗服务提供，物价水平，支付能力，三医联动等相关部门沟通与政策因素协调。

采用该工艺流程，最终成功制作出基于平面矩形螺旋梁结构的低g值微惯性开关，“弹簧－质量”结构如图4所示。划片后微惯性开关芯片的尺寸为7 mm ×7 mm ×1.5 mm，如图5所示。

图4 微惯性开关“弹簧－质量”结构的SEM照片

图5 微惯性开关圆片级封装照片

4 实验测试

基于离心原理，对制作的惯性开关样品进行了离心实验测试以获得闭合阈值，设置离心加速度从0gn经60 s增大到10gn，保持5 s，然后经60 s减小到0gn。数据采集系统(采样周期0.02 s)同时记录离心加速度和开关电信号(“1”为断开状态，“0”为导通状态)，通过两条曲线的比对得到惯性开关的闭合阈值，如图6所示。5次测试的结果分别为4.53gn、4.34gn、4.01gn、3.81gn、4.73gn，平均值为4.28gn，具有优于±0.5gn的闭合精度。实际测试台阶的高度约为143 μm，根据式(2)，惯性开关“弹簧－质量”结构的固有频率约为86.2 Hz。

图6 微惯性开关离心实验测试

接触弹跳是在机械触点式惯性开关导通瞬间出现的瞬通和瞬断现象。由图6可以看出，惯性开关样品在39.98 s至40.16 s之间出现了接触弹跳现象，对应离心加速度为4.30gn至4.34gn。当惯性开关负载较大电流时，接触弹跳易打火烧毁电极触点，造成惯性开关的失效。导致接触弹跳现象的影响因素较多，包括系统阻尼特性、触点材料、质量块质量、以及应用环境下的惯性加速度等等。合适的系统阻尼设计［4］，增大质量块质量，将触点设计为具有缓冲特性的柔性结构［14］，使用较软的金属材料做触点，均有助于减少接触弹跳的次数，提高机械触点式惯性开关的接触可靠性。

接触电阻是衡量低g值微惯性开关导通性能的一项重要指标。在离心试验测试过程中采用示波器监测微惯性开关状态，测试等效电路图如图7所示，其中R0为4.7 Ω的分压电阻，R1为电路连接电缆的等效电阻，Rx为微惯性开关的导通电阻。用示波器监测开关闭合导通后A点的电压Vx。根据串联电路分压原理，Rx可以表示为:

测试结果表明，惯性开关的导通电阻约为9.3 Ω。

图7 微惯性开关导通电阻测试等效电路图

5 结论

通过仿真分析和实验测试，本文成功研制了基于平面矩形螺旋梁结构的低g值微惯性开关。采用平面矩形螺旋梁结构，实现了低g值微惯性开关的低频设计，对类似微惯性器件的设计具有参考意义。采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装技术，成功制作了微惯性开关，划片后芯片尺寸为7 mm×7 mm×1.5 mm。原理样品在离心实验测试中成功闭合，初步满足设计目标，论证了方案的可行性。为实现该器件的工程实用化，尚需优化结构设计，完善工艺方案，提高结构尺寸的加工精度，并对器件的的成品率和可靠性开展深入研究。

致谢:感谢电子工程研究所传感器与执行器中心MEMS工艺组同志在加工工艺方面给予的帮助和支持。

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