基于微電鑄工藝的摩擦接觸式微型慣性開(kāi)關(guān)*

杜立群，楊曉臣，于 洋，王勝羿，劉蓬勃，趙 劍

（1.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024；2.大連理工大學(xué)遼寧省微納米及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024；3.大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，大連 116024）

MEMS（Micro-electro-mechanical systems，微機(jī)電系統(tǒng)）慣性開(kāi)關(guān)是一種微型慣性器件，具有體積小、成本低、抗電磁干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，在航空、航天、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1–3]。

傳統(tǒng)MEMS慣性開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間短暫，不利于集成系統(tǒng)的信號(hào)處理，為了提高系統(tǒng)可靠性，需要通過(guò)增加成本提高信號(hào)電路的分辨率。另外，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)往往伴隨著彈跳現(xiàn)象，引起電氣磨損和碰撞破損，影響開(kāi)關(guān)的使用壽命。

為增強(qiáng)接觸效果，常采用的方法有靜電力輔助[4]、引入壓膜阻尼[5]、電極柔性化[6–9]等。靜電力輔助雖然能夠有效地增強(qiáng)接觸效果，但是靜電力的引入，失去了純機(jī)械開(kāi)關(guān)抗電磁干擾的優(yōu)勢(shì)，所以在實(shí)際應(yīng)用中很少采用該方法[10]。引入壓膜阻尼需要制作懸空的大面積無(wú)孔質(zhì)量塊，制作工藝難度較大，且開(kāi)關(guān)的敏感方向只能為Z向，應(yīng)用環(huán)境受限。對(duì)比而言，電極柔性化是較優(yōu)方法。在本研究之前的設(shè)計(jì)中，采用柔性電極有效延長(zhǎng)了閉合時(shí)間，降低了接觸彈跳[2,11]。但在新設(shè)計(jì)的應(yīng)用于飛機(jī)安全監(jiān)測(cè)的慣性開(kāi)關(guān)中，受限于設(shè)備加工能力、開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸等，要進(jìn)一步降低接觸剛度存在很大的困難。本文提出一種新的接觸增強(qiáng)方法，在設(shè)備加工能力和開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸等因素受限時(shí)，仍然能夠有效地延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間，解決彈跳問(wèn)題。

為增強(qiáng)接觸效果，本文建立了MEMS慣性開(kāi)關(guān)的物理模型，研究了不同接觸類型慣性開(kāi)關(guān)的閉合性能，設(shè)計(jì)了一種新的摩擦接觸式MEMS慣性開(kāi)關(guān)。為了對(duì)比接觸性能，采用UV–LIGA疊層光刻和精密微電鑄工藝，制作了剛性接觸式、柔性接觸式、摩擦接觸式3種MEMS慣性開(kāi)關(guān)，并進(jìn)行落錘試驗(yàn)測(cè)試。

1 開(kāi)關(guān)物理模型及閉合性能

1.1 MEMS慣性開(kāi)關(guān)的物理模型

慣性開(kāi)關(guān)原理如圖1所示。錨區(qū)固定；支撐彈簧支撐質(zhì)量塊；質(zhì)量塊可移動(dòng)；電極間隙為x0。開(kāi)關(guān)初始斷開(kāi)，如圖1（a）所示。當(dāng)有x負(fù)方向加速度時(shí)，質(zhì)量塊受力如圖1（b）所示，F(xiàn)G為慣性力，F(xiàn)k為彈簧彈性力。開(kāi)關(guān)接通如圖1（c）所示，此時(shí)質(zhì)量塊除了受到慣性力、彈簧彈性力之外，還受到固定電極的反作用力FN，受力分析見(jiàn)圖1（d）所示。

在開(kāi)關(guān)閉合之前，外載慣性力作用下質(zhì)量塊的動(dòng)力學(xué)方程為：

其中，c為阻尼系數(shù)，m為開(kāi)關(guān)質(zhì)量。

當(dāng)支撐彈簧的剛度為k時(shí)，質(zhì)量塊受到的彈簧彈性力為：

開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，根據(jù)圖1（d），質(zhì)量塊的動(dòng)力學(xué)方程為：

其中，固定電極對(duì)質(zhì)量塊的反作用力FN與接觸剛度K呈線性關(guān)系：

其中，x0為電極間隙，根據(jù)式（1）和式（4）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可得到質(zhì)量塊的時(shí)間–位移曲線。

1.2 不同接觸類型慣性開(kāi)關(guān)的閉合性能分析

為研究MEMS慣性開(kāi)關(guān)的閉合性能，預(yù)設(shè)開(kāi)關(guān)質(zhì)量m=8.858mg，阻尼系數(shù)c=0.0175，彈簧剛度k=249 N/m，電極間隙x0=130μm，求得開(kāi)關(guān)閾值為370g，施加幅值a0=400g的外載加速度。

傳統(tǒng)MEMS慣性開(kāi)關(guān)的固定電極為剛性電極，如圖2（a）所示，因?yàn)榻佑|剛度較大，故預(yù)設(shè)接觸剛度K=70kN/m，利用數(shù)值解法求出質(zhì)量塊的時(shí)間–位移曲線如圖2 （b）所示。質(zhì)量塊接觸剛性電極后被迅速?gòu)楅_(kāi)，開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間非常短暫，只有幾μs，質(zhì)量塊彈開(kāi)之后再次碰撞剛性電極，共發(fā)生了3次碰撞，開(kāi)關(guān)存在接觸彈跳問(wèn)題。

圖1 MEMS慣性開(kāi)關(guān)原理圖Fig.1 Schematic diagram of MEMS inertial switch

通常，為了增強(qiáng)接觸，將圖2（a）所示剛性電極置換為圖3（a）所示柔性電極，降低接觸剛度。假設(shè)接觸剛度為K=7kN/m，利用數(shù)值解法求出質(zhì)量塊的時(shí)間–位移曲線如圖3（b）所示。對(duì)比圖2（b）與圖3（b）可知，柔性接觸將開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間延長(zhǎng)至80μs，但作用效果較小，且同樣存在彈跳問(wèn)題。

為進(jìn)一步增強(qiáng)接觸效果，降低接觸剛度K為0.7kN/m，質(zhì)量塊時(shí)間–位移曲線如圖4（a）所示，可以看出，開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間相對(duì)于圖3（b）再次延長(zhǎng)，達(dá)到200μs，但是開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程中仍然存在彈跳問(wèn)題。值得注意的是，開(kāi)關(guān)兩次閉合之間的時(shí)間差較短，故考慮在電極接觸時(shí)引入接觸阻尼。設(shè)定接觸時(shí)阻尼系數(shù)cc=0.0875，得到開(kāi)關(guān)時(shí)間–位移曲線如圖4（b）所示，引入接觸阻尼后，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間大幅度延長(zhǎng)，閉合時(shí)間接近1ms，且不存在彈跳問(wèn)題。

綜上所述，剛度越低，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間越長(zhǎng)；引入適當(dāng)?shù)慕佑|阻尼可以解決彈跳問(wèn)題。所以，為了增強(qiáng)接觸效果，在設(shè)計(jì)新型慣性開(kāi)關(guān)時(shí)，需要同時(shí)降低接觸剛度和提高接觸阻尼。

圖2 剛性接觸式慣性開(kāi)關(guān)及閉合性能Fig.2 Schematic diagram and contact performance of rigid contact switch

圖3 柔性接觸式慣性開(kāi)關(guān)及閉合性能Fig.3 Schematic diagram and contact performance of flexible contact switch

圖4 增強(qiáng)接觸開(kāi)關(guān)的閉合性能Fig.4 Contact performance of enhancing contact switches

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剛性電極與柔性電極分別如圖5（a）和（b）所示，柔性電極雖然在一定程度上增強(qiáng)了接觸效果，但有時(shí)受限于設(shè)備加工能力與開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸等，進(jìn)一步降低接觸剛度存在很大困難，故在外形尺寸和線寬不變的情況下，設(shè)計(jì)了如圖5（c）所示的摩擦電極。由上文可知，為了增強(qiáng)接觸效果，在設(shè)計(jì)新型慣性開(kāi)關(guān)時(shí)，需要同時(shí)降低接觸剛度和提高接觸阻尼。摩擦電極能夠同時(shí)具有這兩種作用，質(zhì)量塊接觸摩擦電極時(shí)的受力分析如圖6所示，其中f=μN(yùn)為切向摩擦力，μ為摩擦系數(shù)，N為法向作用力。

圖5 3種不同的固定電極Fig.5 Three kinds of fixed electrodes

假定摩擦電極在y方向的剛度為k1，求得電極在x方向?qū)|(zhì)量塊的作用力為：

令μ=0可得接觸剛度：K=2tan2θ×k1。剩余項(xiàng)為接觸阻尼cc=FN/x–K。

通過(guò)計(jì)算可知，相對(duì)于剛性、柔性電極，摩擦電極通過(guò)調(diào)整接觸角θ，能夠在不改變最大外形尺寸及彈簧線寬的情況下降低接觸剛度，并引入了適當(dāng)?shù)哪Σ磷枘?，起到了接觸增強(qiáng)的作用。另外，摩擦接觸式開(kāi)關(guān)具有抗過(guò)載與自清潔能力，如圖7所示，摩擦電極與質(zhì)量塊的接觸部位可劃分為3個(gè)區(qū)域：低負(fù)載接觸區(qū)、過(guò)渡摩擦區(qū)、過(guò)載止動(dòng)區(qū)。當(dāng)較大的過(guò)載加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊劃過(guò)過(guò)渡摩擦區(qū)，與過(guò)載止動(dòng)區(qū)接觸。柔性的過(guò)載止動(dòng)區(qū)能夠防止劇烈碰撞損壞電極。質(zhì)量塊與摩擦電極在接觸時(shí)一直處于滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，可以將電弧損傷所產(chǎn)生的氧化層去除，降低接觸電阻。

摩擦電極為摩擦接觸式開(kāi)關(guān)的重要結(jié)構(gòu)，另外，開(kāi)關(guān)選用兩側(cè)彈簧支撐的結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，質(zhì)量塊均勻開(kāi)孔以防止殘余應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)翹曲變形，固定電極為摩擦電極。摩擦接觸式MEMS慣性開(kāi)關(guān)的三維模型如圖8所示，主要尺寸見(jiàn)表1。

圖6 摩擦接觸時(shí)受力分析Fig.6 Analysis of forces on frictional contact

圖7 過(guò)載時(shí)的接觸分析Fig.7 Analysis of overload contact

圖8 MEMS慣性開(kāi)關(guān)三維模型Fig.8 3D model of designed MEMS inertial switch

3 開(kāi)關(guān)制作

通過(guò)第2節(jié)分析可知，3種開(kāi)關(guān)的接觸效果對(duì)比為：摩擦接觸式優(yōu)于柔性接觸式，剛性接觸式開(kāi)關(guān)最差。對(duì)剛性、柔性、摩擦接觸式MEMS慣性開(kāi)關(guān)均進(jìn)行制作，在制作過(guò)程中，保持關(guān)鍵尺寸不變，開(kāi)關(guān)的重要結(jié)構(gòu)及布局不變，與開(kāi)關(guān)閾值相關(guān)的參數(shù)不變，只改變固定電極的結(jié)構(gòu)，3種不同開(kāi)關(guān)的三維模型如圖9所示。

3種MEMS慣性開(kāi)關(guān)只有固定電極的區(qū)別，且固定電極均處于第2層，故可以采用UV–LIGA工藝在金屬基底上一批制作完成。開(kāi)關(guān)一共分為3層，第1層為支撐輔助層，起支撐質(zhì)量塊與懸空彈簧的作用。第2層是懸空結(jié)構(gòu)的制作，主要完成彈簧的制作。為了獲得較大質(zhì)量的質(zhì)量塊并保證開(kāi)關(guān)的閾值精度，通過(guò)第3層進(jìn)行質(zhì)量補(bǔ)償[10]。

開(kāi)關(guān)制作工藝見(jiàn)圖10，使用負(fù)性光刻膠SU–8作為電鑄用母模具，選用添加氯化鎳、硼酸等添加劑的氨基磺酸鎳溶液作為電鑄液，采用銅作為導(dǎo)電種子層，進(jìn)行3次光刻、電鑄。

主要工藝流程如下：

（1）基板預(yù)處理。首先對(duì)金屬基板進(jìn)行研磨拋光至鏡面，然后用丙酮、乙醇依次進(jìn)行清洗，最終用去離子水沖洗、氮?dú)獯蹈伞?/p>

表1 MEMS慣性開(kāi)關(guān)關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of MEMS inertial switch

圖9 3種MEMS慣性開(kāi)關(guān)三維模型Fig.9 3D model of three kinds of MEMS inertial switch

（2）SU–8膠光刻。使用勻膠機(jī)將SU–8膠均勻旋涂，3層膠膜厚度分別為70μm、80μm、150μm。然后置于85℃烘箱中適當(dāng)時(shí)間烘干。將完全冷卻的膠膜進(jìn)行曝光，紫外曝光劑量分別為：300mJ/cm2、400mJ/cm2、600mJ/cm2。再次烘焙少許時(shí)間，隨后將其置入顯影液中低頻攪拌3min，最終得到所需的光刻膠母模具。

（3）電鑄。電鑄液由Ni（NH2SO3）2·4H2O（550g/L）、NiCl2（10g/L）、H3BO3（35g/L）組成。電鑄液溫度50℃、pH=3.8~4.2，電鑄電流密度1A/dm2。3次電鑄的時(shí)間分別為10h、10h、20h。

（4）濺射。使用濺射儀在第1層結(jié)構(gòu)的表面濺射薄薄的一層銅。

（5）去膠釋放結(jié)構(gòu)。使用無(wú)機(jī)酸將SU–8膠等去除干凈，制得的3種不同接觸類型的開(kāi)關(guān)局部圖見(jiàn)圖11。

最后連接外部電路，完成封裝，為下一步的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試做準(zhǔn)備。

4 開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)的靜態(tài)閾值為370g，根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]中的閾值公式（3）計(jì)算可知，開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)閾值在200~400g之間浮動(dòng)。故為了測(cè)試開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)性能，在200~400g范圍內(nèi)施加外載加速度。當(dāng)加速度低于200g時(shí)，3種開(kāi)關(guān)均沒(méi)有閉合，在大于210g加速度時(shí)開(kāi)關(guān)閉合。

當(dāng)外載加速度為210g時(shí)，剛性、柔性、摩擦接觸式開(kāi)關(guān)的測(cè)試結(jié)果分別如圖12（a）、（b）、（c）所示。圖12中上方信號(hào)顯示了外載加速度的變化規(guī)律，下方信號(hào)為慣性開(kāi)關(guān)的通、斷信號(hào)。低電平為斷開(kāi)，高電平為閉合，高電平持續(xù)的時(shí)間為閉合時(shí)間。

3種不同類型開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間的對(duì)比如圖12（d）所示。在210g、3ms半正弦加速度下，剛性、柔性、摩擦接觸式微型慣性開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間分別為13μs、80μs、200μs。摩擦接觸式慣性開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間最長(zhǎng)。

圖10 開(kāi)關(guān)的制作工藝Fig.10 MEMS inertial switch manufacturing process

施加400g的外載加速度，剛性、柔性、摩擦接觸式開(kāi)關(guān)的測(cè)試結(jié)果分別如圖13（a）、（b）、（c）所示。

從測(cè)試結(jié)果可知，剛性、柔性、摩擦接觸式MEMS慣性開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間分別為10μs、80μs、620μs，摩擦接觸式慣性開(kāi)關(guān)明顯優(yōu)于其他兩種開(kāi)關(guān)。閉合時(shí)間對(duì)比如圖13（d）所示。當(dāng)外載慣性加速度相同時(shí)，剛性接觸式開(kāi)關(guān)閉合了4次，柔性接觸式開(kāi)關(guān)閉合了兩次，均存在彈跳問(wèn)題。而具有摩擦電極的摩擦接觸式開(kāi)關(guān)只閉合了一次，沒(méi)出現(xiàn)彈跳問(wèn)題。摩擦電極能夠有效解決接觸彈跳問(wèn)題，摩擦接觸式微型慣性開(kāi)關(guān)在增強(qiáng)接觸效果方面具有很大的優(yōu)越性。

將摩擦接觸的方式引入慣性開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，一方面提升了開(kāi)關(guān)的閉合性能，另一方面也會(huì)影響開(kāi)關(guān)的使用壽命。電極間的摩擦可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)磨損，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)壽命降低，但摩擦也可能會(huì)提升開(kāi)關(guān)的使用壽命。這是因?yàn)槟Σ岭姌O降低了碰撞時(shí)的相互作用力，防止了劇烈碰撞而導(dǎo)致的電極損壞。由于剛性或柔性開(kāi)關(guān)電極間的接觸多為點(diǎn)接觸，較大的瞬間電流容易導(dǎo)致電弧損傷，電極接觸表面的氧化層加厚，閉合電阻逐漸提高，直至開(kāi)關(guān)失去工作能力。而摩擦接觸本身具有自清潔作用，可將氧化層去除，從這方面考慮，摩擦接觸又有助于提高開(kāi)關(guān)壽命。

圖11 3種不同接觸類型慣性開(kāi)關(guān)局部圖Fig.11 Three kinds of fixed electrodes of manufactured inertial switches

圖12 210g加速度的測(cè)試結(jié)果Fig.12 Tested results under 210g acceleration

圖13 400g加速度的測(cè)試結(jié)果Fig.13 Tested results under 400g acceleration

5 結(jié)論

基于微電鑄工藝，本文提出了帶有摩擦電極的摩擦接觸式MEMS慣性開(kāi)關(guān)。采用理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)比了摩擦接觸式慣性開(kāi)關(guān)與其他接觸類型開(kāi)關(guān)之間的區(qū)別。試驗(yàn)結(jié)果表明，剛性、柔性、摩擦接觸式微型慣性開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間分別為10μs、80μs、620μs；在慣性開(kāi)關(guān)中引入摩擦電極，既能延長(zhǎng)閉合時(shí)間，又能解決彈跳問(wèn)題。研究結(jié)果表明，摩擦接觸式微型慣性開(kāi)關(guān)在增強(qiáng)接觸效果方面顯示出了很大的優(yōu)越性。