一種具有高抗側(cè)向過載的垂直敏感彈載MEMS慣性開關(guān)

任 超，武 強，付 博，劉峰華，戴旭涵，楊卓青

（1.上海交通大學微米/納米加工技術(shù)國家級重點實驗室，上海 200240；2.淮海工業(yè)集團有限公司MEMS 中心， 長治 046012；3.西安機電信息技術(shù)研究所，西安 710065）

1 引 言

Zhang 等[15]提出了一種具有多方向約束結(jié)構(gòu)的橫向驅(qū)動慣性開關(guān)，其在開關(guān)中采用了約束套筒和反向阻擋塊結(jié)構(gòu)，降低了器件的離軸靈敏度，避免了設(shè)備在高沖擊載荷下的損壞。Yang等[16]則同時引入雙層彈簧和約束結(jié)構(gòu)以限制質(zhì)量塊在離軸敏感方向上的位移，其中，對稱分布的雙層蛇形彈簧對于抵抗側(cè)向的小加速度擾動具有重要作用，而約束結(jié)構(gòu)能夠抵抗大的側(cè)向沖擊。這些研究都很好地解決了側(cè)向沖擊可能引起的器件誤觸發(fā)和失效等問題，但復雜的微型結(jié)構(gòu)設(shè)計給其工藝加工帶來一定的難度。

本文則提出了一種結(jié)構(gòu)簡單的具有高抗側(cè)向過載能力的MEMS 慣性開關(guān)，其可感知垂直方向上的加速度沖擊。器件的彈簧設(shè)計為阿基米德螺旋線式，COMSOL 仿真結(jié)果顯示，在高側(cè)向沖擊下，質(zhì)量塊發(fā)生極小幅度的旋轉(zhuǎn)。設(shè)計的慣性開關(guān)通過簡單的微加工工藝制作而成，并通過落錘系統(tǒng)對樣品進行功能測試。實驗結(jié)果證明該MEMS慣性開關(guān)具有較好的抗側(cè)向沖擊過載性能。

2 物理模型

該MEMS 慣性開關(guān)的物理模型為典型的彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)。當有加速度作用在器件的敏感方向上時，開關(guān)的動態(tài)平衡方程可以表達為[17-18]

其中，c代表阻尼系數(shù)，k代表垂直方向上彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)的整體剛度。在沖擊過程中，加速度a常可表示為半正弦波，表達式如下：

其中，a0代表加速度沖擊幅值，ω0代表沖擊頻率，t0表示沖擊脈寬，且滿足

該器件設(shè)計中，暫忽略壓膜阻尼效應(yīng)產(chǎn)生的影響，假設(shè)c=0。通過求解微分方程(1)，可得到質(zhì)量塊的相對位移表達式為

為了實現(xiàn)開關(guān)的觸發(fā)，移動電極需要與固定電極接觸，即質(zhì)量塊的最大運動距離需要大于等于兩電極間的初始距離。據(jù)此，可推導得出慣性開關(guān)的加速度閾值

任何一種科技創(chuàng)新模式的商業(yè)化路徑都不是一帆風順的，面對發(fā)展中的困難，各家平臺都希望科技主管部門出臺專門的科技政策來進行扶持。但筆者認為，科研眾包的本質(zhì)是中小微企業(yè)集聚創(chuàng)新，是借助互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)精準、高效的科技成果產(chǎn)業(yè)化和技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。所以，科技主管部門完全可以將現(xiàn)有的針對中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新舉措和科技政策用于平臺，以此推動科研眾包平臺的快速發(fā)展和壯大。

根據(jù)式(4)，可以設(shè)計出具有一定閾值的垂直敏感MEMS 慣性開關(guān)。考慮到具體的應(yīng)用場景，本文提出的MEMS 慣性開關(guān)的目標閾值為260g。

3 器件設(shè)計和仿真

3.1 器件設(shè)計

圖1 展示了具有高抗側(cè)向過載的垂直敏感MEMS 慣性開關(guān)的具體結(jié)構(gòu)。器件主要由三部分組成：阿基米德螺旋線式彈簧懸掛支撐的圓形質(zhì)量塊、移動電極柔性觸點和固定電極。其中，質(zhì)量塊被彈簧懸掛，并通過定距支撐結(jié)構(gòu)固定在基底上；質(zhì)量塊與阿基米德螺旋線式彈簧厚度相同，在保證閾值加速度滿足設(shè)計值的同時，消除質(zhì)心差，使得開關(guān)具有優(yōu)秀的抗側(cè)向沖擊能力，并簡化器件結(jié)構(gòu)和加工工藝；質(zhì)量塊的中央則嵌有柔性的接觸點，在外界沖擊作用下，質(zhì)量塊和固定電極發(fā)生碰撞，接觸點將剛性碰撞轉(zhuǎn)換為柔性碰撞，從而延長脈沖信號的脈寬；固定電極則固定于玻璃基底表面，并與定距支撐結(jié)構(gòu)共同控制移動電極和固定電極間的距離，從而確定MEMS慣性開關(guān)的閾值加速度。器件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及其數(shù)值如表1 所示。

表1 MEMS 慣性開關(guān)器件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Main structural parameters and specifications of the MEMS inertial switch device

圖1 具有高抗側(cè)向過載的MEMS 慣性開關(guān)設(shè)計示意圖Fig.1 Structure diagram of the designed MEMS inertial switch with high resistance to lateral overload

3.2 有限元仿真

為了更好地掌握所設(shè)計的慣性開關(guān)的動態(tài)特性，評估其閾值加速度、接觸時間、抗側(cè)向過載能力等重要參數(shù)，利用COMSOL 軟件對設(shè)計的器件進行了仿真研究。其中，彈簧的端部和固定電極的底面設(shè)置為固定約束；結(jié)構(gòu)材料設(shè)置為金屬鎳，其彈性模量為170 GPa[16]，泊松比為0.3?？紤]到壓膜阻尼對器件動態(tài)響應(yīng)的影響，仿真過程中還耦合了薄膜流場，以提高仿真結(jié)果的準確性；值得注意的是，質(zhì)量塊和固定電極之間存在靜電力，但由于其正對面積很小，所以產(chǎn)生的靜電力可忽略不計。

首先，我們研究了慣性開關(guān)在垂直方向上的動態(tài)特性。將具有不同幅值（220g，240g，260g，280g，300g）的半正弦沖擊施加在彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)上并作用在垂直方向，加速度1g=9.8 m/s2，脈寬為1 ms，圖2 為可移動電極的動態(tài)響應(yīng)曲線。通過前面的討論已知，在某一加速度沖擊作用下，可移動電極的最大位移達到兩電極間的距離，則此加速度定義為開關(guān)的閾值加速度。由圖2 可得，當半正弦沖擊的幅值為240g時，可移動電極未與固定電極發(fā)生接觸；而當沖擊幅值增長到260g時，可移動電極與固定電極發(fā)生碰撞，因此，設(shè)計的MEMS 慣性開關(guān)的加速度閾值為260g。并且，隨著沖擊幅值的增加，兩電極的接觸時間延長。圖3 顯示了沖擊幅值為300g時器件的應(yīng)力分布情況，可以看到，最大應(yīng)力值為87.2 MPa，遠小于電鍍鎳的屈服應(yīng)力317 MPa。

圖2 不同幅值的加速度沖擊下可移動電極 的動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.2 Simulated dynamic response displacement curves of the movable electrode under different amplitude shocks in the sensitive direction

圖3 在垂直方向上施加300 g 沖擊時彈簧-質(zhì)量 塊系統(tǒng)的應(yīng)力分布圖Fig.3 Stress distribution diagram of spring-mass system under acceleration of 300 g in the vertical direction

隨后，我們研究了MEMS 慣性開關(guān)的抗側(cè)向過載能力。將具有不同幅值（2000g，5000g，10000g，20000g）的半正弦沖擊施加在彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)上并作用在水平方向上，脈寬為0.1 ms。圖4 為橫向沖擊幅值為20000g時，器件的位移分布圖，可以觀察到，質(zhì)量塊在垂直方向上的最大位移只有0.06 μm；圖5 為在不同幅值的橫向沖擊下，柔性觸點在垂直方向上側(cè)翻時的位移響應(yīng)曲線，可以看到，觸點的位移遠遠小于移動電極和固定電極之間的距離10 μm，誤觸發(fā)未發(fā)生，設(shè)計的MEMS 慣性開關(guān)具有很好的抗側(cè)向過載能力。

圖4 橫向沖擊為20000 g 時器件的位移分布圖Fig.4 The displacement distribution diagram of the device under lateral impact of 20000 g

圖5 不同幅值的橫向沖擊下柔性觸點在垂直 方向上的動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.5 Dynamic response curves of the flexible contact point in the vertical direction under different amplitudes of lateral impact

4 實驗結(jié)果

4.1 器件工藝制作

具有高抗側(cè)向過載的垂直敏感MEMS 慣性開關(guān)通過非硅表面微加工工藝制造而成。其中，選擇鉻/銅（Cr/Cu）作為種子層材料，正性光刻膠作為犧牲層材料，鎳作為結(jié)構(gòu)材料。制造工藝包括濺射、光刻、電鍍和犧牲層釋放等技術(shù)，所設(shè)計器件的主要制作步驟如圖6 所示，具體闡述如下：

圖6 MEMS 慣性開關(guān)制造工藝主要流程Fig.6 Main steps of the manufacturing process for the designed MEMS inertial switch

(a)和(b)選擇1 mm 厚的玻璃片作為器件基底，并在其表面濺射一層Cr/Cu 金屬層作為第一層種子層。

(c)和(d)對光刻膠進行光刻顯影后，電鍍金屬鎳以形成固定電極和移動電極的支撐層。

(e)和(f)再一次進行光刻、顯影、電鍍工藝，形成可移動電極的懸空層。

(g)濺射第二層Cr/Cu 金屬種子層。

(h)和(i)在第二層種子層上進行光刻、顯影后，電鍍金屬鎳形成可移動的質(zhì)量塊及柔性觸點。

(j)去除全部的光刻膠和多余的種子層，使得可移動電極被釋放。

圖7(a)為制作的MEMS 慣性開關(guān)的實物圖，相應(yīng)的完整器件的SEM 圖（圖7(b)）展示了電鍍形成的阿基米德螺旋線式彈簧以及圓形質(zhì)量塊等微結(jié)構(gòu)，圖7(c)為位于質(zhì)量塊中心的柔性觸點的放大圖。器件的三維視圖如圖7(d)所示，可以觀察到質(zhì)量塊被彈簧懸掛支撐，圖7(e)則表明柔性觸點被懸空位于固定電極的正上方。

圖7 (a) 具有高側(cè)向過載的MEMS 慣性開關(guān)的實物圖；(b) 完整的器件SEM 圖；(c) 柔性觸點；(d)由彈簧懸 掛支撐的質(zhì)量塊的三維視圖；(e)位于柔性 觸點正下方的固定電極Fig.7 (a) The picture of the completed device; (b) SEM Intact inertial switch; (c) Flexible contact point; (d) 3D view of mass suspended by springs; (e) Fixed electrode directly below flexible contact point

4.2 器件測試

為了測試所制作MEMS 慣性開關(guān)器件的閾值加速度以及抗側(cè)向過載能力，擬使用標準的落錘沖擊系統(tǒng)。落錘沖擊系統(tǒng)包括由程序控制的落錘、多通道示波器（Agilent 6000 MSO6034A）、標準加速度計、恒壓電源、分壓電阻、待測試的慣性開關(guān)器件。其中，待測試的慣性開關(guān)通過夾 具固定在落錘上，且使待測試的方向與地面垂直；同時，將器件兩端與恒壓電源、電阻串聯(lián)，當可移動電極與固定電極碰撞時，電路導通，電阻兩端輸出脈沖信號；加速度計同樣被固定在落錘上，用來標定落錘產(chǎn)生的沖擊加速度；多通道示波器則用來收集加速度計和分壓電阻兩端的輸出信號。值得強調(diào)的是，半正弦沖擊的幅值由落錘的初始高度決定，而沖擊信號的脈寬受底座的硬度影響。

4.2.1 閾值加速度測試

首先，對制作的MEMS 慣性開關(guān)在垂直方向上的閾值加速度進行測試，安裝器件時，使得質(zhì)量塊的上表面與地面平行，并將半正弦沖擊的脈寬控制在1 ms 左右。圖8 為測試結(jié)果，其中，黃色信號顯示了加速度沖擊的波形，紫色信號反映了移動電極與固定電極的接觸情況。如圖8(a)所示，當沖擊加速度幅值為212g時，移動電極和固定電極間沒有接觸信號；如圖8(b)所示，當加速度幅值為237g時，器件被觸發(fā)，且接觸時間為320 μs。測試結(jié)果與設(shè)計結(jié)果存在8.46 %的誤差。產(chǎn)生誤差的主要原因有微加工過程中的誤差以及電鍍過程中形成的殘余應(yīng)力。

圖8 制作的慣性開關(guān)的閾值加速度測試: (a) 當 加速度幅值為212 g 時無觸發(fā)信號；(b) 當加速度 幅值為237 g 時開關(guān)被觸發(fā)Fig.8 Threshold-level acceleration of fabricated inertial switch: (a) There is no triggering signal when the applied acceleration amplitude is 212 g; (b) Tested inertial switch is triggered when the applied acceleration amplitude is 237 g

4.2.2 抗側(cè)向過載性能

確定MEMS 慣性開關(guān)的加速度閾值后，接下來對器件的抗側(cè)向過載性能進行測試。由于測試所需的沖擊加速度較大，實驗中使用了如圖9 所示的帶有二次沖擊的落錘沖擊臺。同時，安裝器件時，質(zhì)量塊的上表面應(yīng)與地面垂直，保證落錘施加在器件上的沖擊是側(cè)向的，并將加速度脈寬控制在100 μs 內(nèi)，以模擬較大的橫向沖擊環(huán)境。如圖10 所示，分別向器件施加幅值為5250g和8750g的橫向沖擊，均未觀察到開關(guān)的觸發(fā)信號，即超高的側(cè)向沖擊并未引起器件的誤觸發(fā)；而后，我們進行了多次超高側(cè)向加載測試，均未觸發(fā)。實驗結(jié)果證明，設(shè)計的MEMS 慣性開關(guān)具有良好的抗側(cè)向過載性能。

圖9 帶有二次沖擊的落錘測試系統(tǒng)Fig.9 Drop hammer test system with secondary impact

圖10 器件的抗側(cè)向過載性能測試：當沖擊幅值為 (a) 5250 g 和(b) 8750 g 時開關(guān)均無觸發(fā)信號Fig.10 Anti-lateral overload performance test of the device: there is no triggering signal when the impact amplitude is (a) 5250 g and (b) 8750 g respectively

為了標定器件的抗側(cè)向過載性能，本文擬定義一個表征器件抗側(cè)向過載能力的參數(shù)——抗側(cè)向過載因子ε，其數(shù)值等于不引起誤觸發(fā)的最大橫向加速度與器件在敏感方向上的閾值加速度的比值。由于落錘可提供的最大沖擊有限，本文所制作的MEMS 慣性開關(guān)的抗側(cè)向過載因子ε至少為36.9。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種具有高抗側(cè)向過載的垂直敏感MEMS 慣性開關(guān)，將阿基米德螺旋線式彈簧引入器件中，與質(zhì)量塊共同構(gòu)成加速度的敏感單元。COMSOL 仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的器件在垂直方向上的閾值加速度為260g；當開關(guān)受到20000g的橫向沖擊時，質(zhì)量塊在垂直方向上的最大位移只有0.06 μm。最后，通過較為簡單的非硅表面微加工工藝制作了所設(shè)計的慣性開關(guān)原型器件，并使用落錘系統(tǒng)對其進行了測試。實驗結(jié)果表明，所制作的MEMS 慣性開關(guān)的閾值加速度為237g，接觸時間為320 μs；使用帶有二次沖擊的落錘系統(tǒng)對器件施加了8750g的側(cè)向沖擊加速度后，器件未被誤觸發(fā)，并仍然可以正常工作。所提出的MEMS 慣性開關(guān)設(shè)計，可有效克服實際應(yīng)用環(huán)境中高側(cè)向沖擊導致的誤觸發(fā)和結(jié)構(gòu)損傷缺陷，將為MEMS 慣性開關(guān)在復雜環(huán)境下的實際應(yīng)用提供重要參考。