MEMS慣性開(kāi)關(guān)的原理及研究進(jìn)展

任 超， 劉峰華， 付 博， 康興國(guó)， 丁桂甫， 楊卓青*

(1.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240； 2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065； 3.淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司 MEMS中心，山西 長(zhǎng)治 046012)

微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,MEMS)慣性開(kāi)關(guān)又被稱(chēng)為沖擊傳感器、加速度開(kāi)關(guān)、振動(dòng)閾值傳感器或G開(kāi)關(guān)。最早的慣性開(kāi)關(guān)被用來(lái)關(guān)閉電動(dòng)燃油泵，避免燃油泵在碰撞或翻轉(zhuǎn)后繼續(xù)工作，但其尺寸和質(zhì)量較大。隨著半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)以及衍生出來(lái)的MEMS技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的慣性開(kāi)關(guān)朝著尺寸小、質(zhì)量輕、成本低、批量化的MEMS慣性開(kāi)關(guān)方向發(fā)展，并被廣泛地應(yīng)用于智能玩具、特殊或貴重物品運(yùn)輸、汽車(chē)和軍事等領(lǐng)域[1]。同為慣性傳感器的MEMS加速度計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度的情況，但需要加載持續(xù)的工作電壓；與加速度計(jì)相比，MEMS慣性開(kāi)關(guān)則為無(wú)源器件，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接口電路方便等優(yōu)點(diǎn)，且在未閉合時(shí)無(wú)功耗，這使得其在遠(yuǎn)程監(jiān)控、無(wú)人值守平臺(tái)等電量有限的場(chǎng)景下有著巨大的應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)。

此外，隨著近幾年物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展， MEMS慣性開(kāi)關(guān)等微型器件面臨更大的需求。例如，可將MEMS慣性開(kāi)關(guān)附著到可穿戴的衣物上，在老人摔倒時(shí)開(kāi)關(guān)閉合可觸發(fā)無(wú)線(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)，及時(shí)通知社區(qū)醫(yī)院采取救治。MEMS慣性開(kāi)關(guān)也可以用于監(jiān)測(cè)特殊貨物運(yùn)輸過(guò)程中可能發(fā)生的沖擊碰撞。如圖1所示，在貨物的運(yùn)輸過(guò)程中，一旦環(huán)境的沖擊超過(guò)了允許的閾值水平，慣性開(kāi)關(guān)就會(huì)觸發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，然后無(wú)線(xiàn)發(fā)送到信息控制中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)物流過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 MEMS慣性開(kāi)關(guān)在貨物運(yùn)輸過(guò)程中的監(jiān)控應(yīng)用

需求的增多必然會(huì)帶來(lái)要求的提高。為此，國(guó)內(nèi)外的科研工作者們不斷改進(jìn)MEMS慣性開(kāi)關(guān)的器件結(jié)構(gòu)和加工工藝，進(jìn)而優(yōu)化其重要的功能參數(shù)并改善開(kāi)關(guān)的工作性能?，F(xiàn)在國(guó)外的慣性開(kāi)關(guān)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，與其相比，國(guó)內(nèi)的慣性開(kāi)關(guān)生產(chǎn)仍存在一定差距。

1 慣性開(kāi)關(guān)工作原理

1.1 基本物理模型

MEMS慣性開(kāi)關(guān)的功能組件是由彈簧懸掛的質(zhì)量塊和固定電極組成，如果在慣性開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中考慮阻尼作用，則基本物理模型可以被看作是一個(gè)由“彈簧-集中質(zhì)量塊-阻尼”組成的慣性振動(dòng)傳感系統(tǒng)，如圖2所示[2]。圖2中的剛體表示器件的總質(zhì)量塊m，k表示具有彈性抗力的無(wú)重彈簧的剛度，阻尼器c表示能量的消耗。

圖2 慣性開(kāi)關(guān)的物理模型示意圖[2]

x(t)=y(t)-z(t)

(1)

對(duì)其求導(dǎo)：

(2)

(3)

質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方程可以由動(dòng)力平衡的牛頓定律得到：

(4)

將式(3)代入式(4)，得到慣性開(kāi)關(guān)單自由振動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程：

(5)

根據(jù)具體的場(chǎng)景，可對(duì)式(5)進(jìn)行不同程度的化簡(jiǎn)。當(dāng)慣性開(kāi)關(guān)可動(dòng)電極在載荷作用下達(dá)到平衡位置時(shí)，質(zhì)量塊受力大小為零，平衡方程可表達(dá)為

(6)

在恒定的外界加速度作用下，慣性開(kāi)關(guān)系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)，且由于阻尼對(duì)系統(tǒng)的作用非常小，可忽略，則運(yùn)動(dòng)方程為

kx=ma

(7)

但加速度往往不是一個(gè)恒定的數(shù)值，且運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常會(huì)受到阻尼的影響，所以，質(zhì)量塊m運(yùn)動(dòng)平衡方程更實(shí)際的表達(dá)式為

(8)

式中，ξ為系統(tǒng)的阻尼比；ωn為本征頻率。它們的表達(dá)式為

1.2 性能參數(shù)分析

1.2.1 慣性開(kāi)關(guān)的性能參數(shù)

圖3[2]展示了慣性開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，當(dāng)器件在敏感方向受到外界加速度沖擊且超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，質(zhì)量塊即移動(dòng)電極會(huì)在敏感方向上發(fā)生移動(dòng)，直至與固定電極接觸，開(kāi)關(guān)呈閉合狀態(tài)，此時(shí)，輸出信號(hào)為方形脈沖。閉合一定時(shí)間后，質(zhì)量塊反彈，移動(dòng)電極和固定電極分開(kāi)，最終在平衡位置處停止。

圖3 MEMS慣性開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)

衡量慣性開(kāi)關(guān)工作性能的主要參數(shù)如下[2]。

① 閾值加速度ath：以半正弦沖擊為例，恰好使移動(dòng)電極與固定電極發(fā)生碰撞的加速度幅值。

② 響應(yīng)時(shí)間tre：從可動(dòng)電極開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到與固定電極接觸所需的時(shí)間。

③ 接觸時(shí)間ton：移動(dòng)電極與固定電極發(fā)生碰撞接觸的時(shí)間段。

④ 最大過(guò)載加速度：在某個(gè)大的沖擊加速度下，慣性開(kāi)關(guān)恰好不會(huì)損壞并保持穩(wěn)定的可靠性，該加速度值定義為最大過(guò)載加速度。

⑤ 接觸電阻：可動(dòng)電極和固定電極接通時(shí)慣性開(kāi)關(guān)電極間的電阻。

下面將更詳細(xì)地描述慣性開(kāi)關(guān)的閾值加速度、響應(yīng)時(shí)間、接觸時(shí)間這3個(gè)重要的性能參數(shù)。

1.2.2 閾值加速度

閾值加速度(ath)受多種因素影響，包括可動(dòng)電極和固定電極間的距離x0以及本征頻率ωn等。此外，輸入加速度的形式也會(huì)影響閾值加速度的大小。常見(jiàn)的加速度形式有簡(jiǎn)諧振動(dòng)、矩形振動(dòng)、三角形振動(dòng)、階躍沖擊和半正弦沖擊等。因自然界的沖擊形式普遍為半正弦波，所以下面主要討論這種沖擊類(lèi)型下的閾值加速度。半正弦波形沖擊如圖4所示。

圖4 半正弦波形沖擊

圖4中，a0和t0分別表示加速度的幅值和脈寬，且有t0=π/ω0，ω0是半正弦沖擊的頻率。該種沖擊的函數(shù)表達(dá)式為

(9)

將式(9)代入運(yùn)動(dòng)平衡方程(8)(為得到解析解，此處忽略阻尼的影響)，則有

(10)

(11)

通過(guò)運(yùn)算可得[2]

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

因此，閾值加速度與最大位移(此處皆為歸一化的參數(shù))呈倒數(shù)關(guān)系，再根據(jù)式(14)和式(15)，便可推得閾值加速度與本征頻率、沖擊脈寬等參數(shù)的關(guān)系。

1.2.3 響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間tre同樣是衡量慣性開(kāi)關(guān)工作性能的一個(gè)重要參數(shù)。一般情況下，tre越小越好[3]，例如，汽車(chē)側(cè)向安全氣囊系統(tǒng)等應(yīng)用環(huán)境要求開(kāi)關(guān)可以快速響應(yīng)，為了更好地對(duì)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析，忽略阻尼，并向系統(tǒng)施加一個(gè)簡(jiǎn)單的階躍沖擊(如圖5所示)。

圖5 階躍加速度

則運(yùn)動(dòng)平衡方程為

(17)

可解得該微分方程的通解為

(18)

(19)

假設(shè)移動(dòng)電極和固定電極間的距離x0為最大位移，且ath=a0，則求得慣性開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間為

(20)

可以看出，響應(yīng)時(shí)間由加速度值、本征頻率和兩電極間的距離共同決定。由于實(shí)際環(huán)境中存在阻尼，所以一般情況下，可對(duì)慣性開(kāi)關(guān)施加比其理論加速度閾值過(guò)載20%的加速度沖擊，再根據(jù)式(20)，可得到響應(yīng)時(shí)間與各個(gè)參數(shù)的關(guān)系(如圖6所示)[2]。

圖6 響應(yīng)時(shí)間與各個(gè)參數(shù)的關(guān)系[2]

由圖6(a)可看出，當(dāng)兩電極間的距離和本征頻率不變時(shí)，慣性開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間隨著加速度的增大而減?。欢?dāng)兩電極間的距離和加速度一定時(shí)，響應(yīng)時(shí)間則隨著本征頻率的增大而增加。圖6(b)則展示了當(dāng)加速度和本征頻率一定時(shí)，隨著兩電極間距離的增加，響應(yīng)時(shí)間也會(huì)隨之增加。以上討論均基于理想狀態(tài)下，實(shí)際情況下的加速度沖擊將更為復(fù)雜。

1.2.4 接觸時(shí)間

接觸時(shí)間是指可動(dòng)電極與固定電極保持接觸的時(shí)長(zhǎng)，即指慣性開(kāi)關(guān)處于閉合的時(shí)間段，這一參數(shù)在一定程度上反映了開(kāi)關(guān)工作的可靠性。接觸時(shí)間越長(zhǎng)，器件輸出的接通脈沖寬度越大，也能夠?yàn)槠浜罄m(xù)應(yīng)用系統(tǒng)的處理電路提供便利，從而在整體上提高系統(tǒng)的可靠性。

慣性開(kāi)關(guān)的接觸時(shí)間同樣受到多種因素的影響。沖擊加速度的大小和頻率皆為重要的影響因素，但其是由環(huán)境決定的，具有不確定性?？蓜?dòng)電極與固定電極的碰撞類(lèi)型也會(huì)影響接觸時(shí)間，但不同于前兩種影響因素，該因素可以通過(guò)慣性開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而延長(zhǎng)接觸時(shí)間?？烧{(diào)整的影響兩個(gè)電極接觸時(shí)間的參數(shù)如下。

① 可動(dòng)電極的剛度：可動(dòng)電極的剛度越大，接觸時(shí)間越短。

② 固定電極的剛度：固定電極的剛度越大，可動(dòng)電極反彈越嚴(yán)重，接觸時(shí)間越短。

③ 可動(dòng)電極的有效質(zhì)量：在固定電極剛度較小，即受到可動(dòng)電極碰撞時(shí)能有一定形變的情況下，質(zhì)量塊的有效質(zhì)量越大，接觸時(shí)間越長(zhǎng)。

④ 電極間距：同樣地，當(dāng)電極間碰撞能發(fā)生一定形變時(shí)，電極間距越小，接觸時(shí)間越長(zhǎng)。

2 MEMS慣性開(kāi)關(guān)的分類(lèi)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MEMS慣性開(kāi)關(guān)自1972年被首次提出后[4]，經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，器件的結(jié)構(gòu)和性能都有了很大提升。

MEMS慣性開(kāi)關(guān)依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)行不同的分類(lèi)，按照導(dǎo)通功能實(shí)現(xiàn)的方式，可被分為非接觸式、導(dǎo)電液體連接式和機(jī)械接觸式；根據(jù)開(kāi)關(guān)的敏感方向，又可被分為單軸敏感、雙軸敏感或面內(nèi)多向敏感、三軸敏感和全向敏感；根據(jù)敏感加速度閾值的大小，器件又可被分為低閾值慣性開(kāi)關(guān)、高閾值慣性開(kāi)關(guān)和多閾值慣性開(kāi)關(guān)；根據(jù)接觸增強(qiáng)的原理，MEMS慣性開(kāi)關(guān)可被分為壓膜阻尼接觸增強(qiáng)開(kāi)關(guān)、碳納米管接觸增強(qiáng)開(kāi)關(guān)、靜電吸附接觸增強(qiáng)開(kāi)關(guān)、鎖扣式接觸增強(qiáng)開(kāi)關(guān)和柔性結(jié)構(gòu)接觸增強(qiáng)開(kāi)關(guān)等。

下面根據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各種類(lèi)型MEMS慣性開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的介紹和分析。

2.1 慣性開(kāi)關(guān)導(dǎo)通方式

MEMS慣性開(kāi)關(guān)可根據(jù)導(dǎo)通的具體方式進(jìn)行分類(lèi)。其中，微機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械接觸式慣性開(kāi)關(guān)因其具有設(shè)計(jì)靈活性、快速響應(yīng)性等特點(diǎn)，成為較多研究人員關(guān)注的重點(diǎn)；而液體連接式慣性開(kāi)關(guān)雖然具有很長(zhǎng)的接觸時(shí)間，但由于其封裝和響應(yīng)時(shí)間等問(wèn)題，致力于該類(lèi)開(kāi)關(guān)的研究人員較少。此外，還有研究者提出了更為創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)——由非接觸式的慣性開(kāi)關(guān)來(lái)感應(yīng)加速度沖擊。

2.1.1 機(jī)械接觸式慣性開(kāi)關(guān)

在慣性開(kāi)關(guān)中，若未引入任何柔性結(jié)構(gòu)，在足夠大的加速度沖擊下，移動(dòng)電極將向固定電極運(yùn)動(dòng)并與其接觸，而兩電極接觸時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械式碰撞將導(dǎo)致移動(dòng)質(zhì)量塊反彈，圖7為二者的相互作用過(guò)程。為了減弱這種碰撞強(qiáng)度并延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間，研究者們不斷對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以使剛性碰撞轉(zhuǎn)化為柔性的機(jī)械碰撞，如Lee等[5]將碳納米管引入兩電極表面作為碰撞的緩沖，碰撞過(guò)程可轉(zhuǎn)化為圖8所示的過(guò)程。

圖7 兩電極剛性接觸的過(guò)程[5]

圖8 兩電極柔性接觸的過(guò)程[5]

2.1.2 液體連接式慣性開(kāi)關(guān)

韓國(guó)Yoo等[6]設(shè)計(jì)和制備了一種圖9所示的慣性開(kāi)關(guān)。該方案設(shè)計(jì)了一個(gè)用于放置可流動(dòng)液態(tài)金屬的V形凹槽，V字形的尖端有一個(gè)微流體通道和兩個(gè)電極。在外界加速度作用下，液態(tài)金屬汞在微流體通道中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加速度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，液體穿過(guò)微通道到達(dá)固定電極槽，實(shí)現(xiàn)電極之間的相互導(dǎo)通。采用這種方法實(shí)現(xiàn)閉合的慣性開(kāi)關(guān)具有可靠性高、接觸時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。但是，液態(tài)金屬汞是一種劇毒性金屬，使得器件的制作和封裝具有一定的危險(xiǎn)性；并且，廢棄的慣性開(kāi)關(guān)一旦回收遺漏，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。

基于類(lèi)似的原理，臺(tái)灣Huang等[7]設(shè)計(jì)了一種具有延遲效應(yīng)的慣性開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。其中，毛細(xì)管閥將固定電極與流體隔開(kāi)，在加速度的作用下，微流體通過(guò)毛細(xì)管閥的時(shí)間就是開(kāi)關(guān)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間。與Park等的研究相比，這一器件的優(yōu)點(diǎn)在于使用了加入甘油的微流體來(lái)代替有毒的金屬液體汞，但此設(shè)計(jì)中的封裝仍然較為復(fù)雜，而且器件的延時(shí)效應(yīng)不適合于要求響應(yīng)速度較快的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖9 使用液體作為可動(dòng)電極的慣性開(kāi)關(guān)[6]

圖10 具有時(shí)間延遲效應(yīng)的慣性開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖[7]

2.1.3 非接觸式慣性開(kāi)關(guān)

Ongkodjojo等[8]提出了一種非接觸式觸發(fā)的新型慣性開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，圖11展示了其設(shè)計(jì)概念的模型和工作原理。其中，懸臂梁為可動(dòng)電極并由雙壓電晶片和電鍍金組成，其與P型半導(dǎo)體面形成一個(gè)場(chǎng)發(fā)射晶體管。當(dāng)加速度沖擊作用在慣性開(kāi)關(guān)上時(shí)，懸臂梁的超絕緣層發(fā)生形變，這種形變將使源極S和漏極D之間的電流發(fā)生反轉(zhuǎn)，進(jìn)而可開(kāi)啟場(chǎng)發(fā)射晶體管。懸臂梁的形變量大小可通過(guò)設(shè)定開(kāi)啟晶體管的電流大小來(lái)檢測(cè)，進(jìn)而表征所受到?jīng)_擊加速度的大小。然而，文獻(xiàn)[8]僅提出了此種慣性開(kāi)關(guān)的一種新設(shè)計(jì)方法，并未見(jiàn)器件制作及其性能測(cè)試的相關(guān)報(bào)道。

2.2 慣性開(kāi)關(guān)敏感方向

隨著電子產(chǎn)品在體積上的逐漸小型化和集成度的不斷提高，為了節(jié)省器件的安裝空間，MEMS慣性開(kāi)關(guān)也逐漸從單軸敏感向多軸敏感發(fā)展，僅使用單個(gè)器件即可對(duì)多個(gè)方向上的沖擊加速度做出反應(yīng)，同時(shí)又可避免多個(gè)器件安裝在同一基板上時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)心誤差(實(shí)際質(zhì)心與理論質(zhì)心間存在誤差)。然而，慣性開(kāi)關(guān)敏感方向的增多勢(shì)必會(huì)給器件設(shè)計(jì)和制作工藝帶來(lái)一定的難度。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，慣性開(kāi)關(guān)敏感方向的設(shè)置及其敏感軸數(shù)的選擇，可根據(jù)具體情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與加工制作。

圖11 非接觸式慣性開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)[8]

2.2.1 單軸敏感慣性開(kāi)關(guān)

慣性開(kāi)關(guān)的研究最早主要集中于單軸敏感設(shè)計(jì)， 1972年，F(xiàn)robenius等[4]設(shè)計(jì)并制作了一種全金屬的微懸臂梁慣性開(kāi)關(guān)，自此，較多的研究機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)研究[9]。為了產(chǎn)生較大的慣性力以提高慣性開(kāi)關(guān)的方向敏感性，移動(dòng)電極即質(zhì)量塊必須有足夠的體積或者質(zhì)量，倘若采用電鍍金屬的方法在單晶硅晶圓上制作慣性開(kāi)關(guān)[10]，則電鍍產(chǎn)生的殘余應(yīng)力常常會(huì)導(dǎo)致硅晶圓的龜裂。為此上海交通大學(xué)Yang等[11]利用表面微加工技術(shù)在非硅襯底上設(shè)計(jì)并制作了一種多層金屬結(jié)構(gòu)的MEMS慣性開(kāi)關(guān)，圖12為器件結(jié)構(gòu)示意圖，其中，位于質(zhì)量塊上方的固定電極被設(shè)計(jì)為孔式的柔性橋式結(jié)構(gòu)。該開(kāi)關(guān)可感知垂直襯底方向上的沖擊加速度，且碰撞接觸過(guò)程中產(chǎn)生的柔性彈性變形可有效延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)的接觸時(shí)間。

圖12 具有橋式固定電極的單向敏感慣性開(kāi)關(guān)[11]

也有一些MEMS慣性開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為平面內(nèi)單向敏感的形式，為了消除開(kāi)關(guān)在非敏感軸方向上的運(yùn)動(dòng)并限制低頻振動(dòng)的擾動(dòng)，一些限位塊、限位梁[12-13]和限位套筒[14]等結(jié)構(gòu)也被引入到器件設(shè)計(jì)中。圖13為Xu等[14]設(shè)計(jì)的具有多方向約束結(jié)構(gòu)的單向敏感慣性開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)的敏感方向與基板平行并與y軸正方向一致，當(dāng)具有超過(guò)其閾值的外界加速度作用于器件敏感方向上時(shí)，附著在質(zhì)量塊上的彈性懸臂梁與固定電極碰撞，開(kāi)關(guān)發(fā)生閉合；而當(dāng)加速度作用于反向敏感方向上時(shí)，移動(dòng)質(zhì)量塊將首先與反向限位塊發(fā)生碰撞然后反彈，若回彈位移小于移動(dòng)電極與固定電極間的距離，則開(kāi)關(guān)不會(huì)發(fā)生誤觸發(fā)；當(dāng)有更復(fù)雜的沖擊作用于慣性開(kāi)關(guān)時(shí)，包圍著質(zhì)量塊的約束套筒可以限制質(zhì)量塊的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。該MEMS慣性開(kāi)關(guān)中的緊約束機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效降低器件的非軸向靈敏度并提高其抗沖擊能力，但不可避免地會(huì)給器件的制造帶來(lái)一定的難度。

圖13 具有多向約束結(jié)構(gòu)的單軸敏感慣性開(kāi)關(guān)[14]

2.2.2 雙軸敏感或面內(nèi)多向敏感慣性開(kāi)關(guān)

雙軸敏感慣性開(kāi)關(guān)本質(zhì)上就是把兩個(gè)單方向敏感的慣性開(kāi)關(guān)整合到一起，北京大學(xué)Lin等[15]設(shè)計(jì)的雙軸慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖14所示，器件的移動(dòng)質(zhì)量塊被四角處的組合折疊式彈簧連接到基板上，并可在x軸和y軸方向上運(yùn)動(dòng)。

圖14 雙軸敏感的慣性開(kāi)關(guān)[15]

但雙軸敏感慣性開(kāi)關(guān)只對(duì)x軸和y軸兩個(gè)方向上的沖擊加速度敏感。為了使MEMS慣性開(kāi)關(guān)獲得良好的面內(nèi)全向敏感性，Du等[16]將徑向固定電極設(shè)計(jì)為有球面接觸的新型蛇形彈簧，以對(duì)xoy平面上各個(gè)方向的加速度沖擊敏感，如圖15所示。

圖15 面內(nèi)多向敏感的MEMS慣性開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)[16]

2.2.3 三軸敏感慣性開(kāi)關(guān)

三軸敏感慣性開(kāi)關(guān)可以用于感知x、y、z三個(gè)方向上的加速度，相當(dāng)于將3個(gè)對(duì)不同方向敏感的單軸慣性開(kāi)關(guān)集合到一起，但前者可避免靈敏度損失和安裝誤差等問(wèn)題，同時(shí)也可以降低制造成本。2013年美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的Currano等[17]設(shè)計(jì)并制造了圖16所示的三軸敏感MEMS慣性開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的環(huán)形質(zhì)量塊(mass)由4個(gè)螺旋彈簧(springs)懸掛支撐，且其周?chē)植贾?+x，-x，+y，-y，+z，-z)6個(gè)方向上的固定電極，其中，所采用的4根彈簧形狀為阿基米德螺線(xiàn)，且呈90°對(duì)稱(chēng)，使開(kāi)關(guān)在x軸和y軸上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能夠盡可能地保持一致。

圖16 Currano等設(shè)計(jì)的三軸敏感慣性開(kāi)關(guān)[17]

上述三軸敏感設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生反方向上的誤觸發(fā)，且軸向擾動(dòng)比較嚴(yán)重，2014年上海交通大學(xué)Chen等[18]設(shè)計(jì)了新的三軸敏感MEMS慣性開(kāi)關(guān)來(lái)克服這種問(wèn)題，如圖17所示。該器件的可動(dòng)電極被中心對(duì)稱(chēng)分布的蛇形彈簧懸掛支撐，可很好地避免軸向擾動(dòng)，而質(zhì)量塊的空心處設(shè)計(jì)有限位塊，可以有效減少反方向上加速度的擾動(dòng)。

圖17 Chen等設(shè)計(jì)的三軸敏感慣性開(kāi)關(guān)[18]

2.2.4 全向敏感慣性開(kāi)關(guān)

為了使慣性開(kāi)關(guān)能夠?qū)Χ鄠€(gè)方向上的振動(dòng)沖擊敏感，各研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)始設(shè)計(jì)并制作能夠?qū)崿F(xiàn)全向敏感的慣性開(kāi)關(guān)[19-24]。這種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)一般由水平面上的多向敏感慣性開(kāi)關(guān)單元和垂直方向上的單軸敏感慣性開(kāi)關(guān)單元組成，且兩組單元共享一個(gè)移動(dòng)電極。圖18為Yang等[19]設(shè)計(jì)的全向敏感慣性開(kāi)關(guān)，其固定電極位于質(zhì)量塊空心處且被分為兩組——由中心圓柱體支撐的一組懸臂作為水平面內(nèi)360°周向固定電極和位于質(zhì)量塊頂部的楓葉狀T形結(jié)構(gòu)作為垂直方向固定電極。

Cao等[22]則將水平面的固定電極設(shè)計(jì)為8根懸

圖18 Yang等設(shè)計(jì)的全向敏感慣性開(kāi)關(guān)[19]

臂梁，并使其對(duì)稱(chēng)地圍繞在質(zhì)量塊四周；同時(shí)，質(zhì)量塊上方的環(huán)狀結(jié)構(gòu)作為垂直方向上的柔性固定電極，以使慣性開(kāi)關(guān)能夠感應(yīng)半球上任意方向的沖擊加速度。此外，與上述設(shè)計(jì)類(lèi)似，還可將慣性開(kāi)關(guān)中的周向固定電極分布設(shè)置在質(zhì)量塊外圍，從而通過(guò)確定質(zhì)量塊與哪個(gè)電極接觸來(lái)判斷所受到外界沖擊加速度的方向[23]。

圖19 8根懸臂梁圍繞著移動(dòng)電極的全向敏感慣性開(kāi)關(guān)[22]

2.3 加速度閾值

前述部分已簡(jiǎn)要分析了 MEMS慣性開(kāi)關(guān)的閾值加速度與各種參數(shù)間的關(guān)系，以此為基本理論，根據(jù)器件的應(yīng)用場(chǎng)景，研究者們相繼開(kāi)展了高閾值慣性開(kāi)關(guān)和低閾值慣性開(kāi)關(guān)的研究工作，而且，隨著近年來(lái)電子器件向微型化與集成化的方向發(fā)展，具有多閾值的慣性開(kāi)關(guān)也逐漸成為研究的重點(diǎn)。

2.3.1 高閾值慣性開(kāi)關(guān)

研究初期，慣性開(kāi)關(guān)主要被用于監(jiān)測(cè)和預(yù)警作用于大物件的慣性沖擊，所監(jiān)測(cè)的沖擊加速度通常高于30g[25]。例如在特種物品的運(yùn)輸過(guò)程中，當(dāng)沖擊加速度小于30g時(shí)，集裝箱通常能對(duì)運(yùn)輸物品起到保護(hù)作用，而沖擊加速度高于30g時(shí)，慣性開(kāi)關(guān)需閉合發(fā)揮作用；而在武器彈丸發(fā)射的過(guò)程中，常常會(huì)產(chǎn)生幾千g到十幾萬(wàn)g的后座過(guò)載和離心過(guò)載，這種環(huán)境下，就需要使用更高閾值的慣性開(kāi)關(guān)。

為使慣性開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)高的閾值，許多研究者對(duì)移動(dòng)電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使器件的固有頻率達(dá)到kHz級(jí)別[26-27]。例如，楊會(huì)玲等[27]設(shè)計(jì)的圖20所示的懸臂梁式慣性開(kāi)關(guān)，其主模態(tài)的頻率為5.6 kHz，能使開(kāi)關(guān)閉合的閾值加速度達(dá)到3000g。還有一些研究機(jī)構(gòu)通過(guò)增加移動(dòng)電極與固定電極之間的間距來(lái)獲得更高的閾值。

圖20 懸臂梁式的高閾值慣性開(kāi)關(guān)[27]

對(duì)于高閾值慣性開(kāi)關(guān)的研究，還有一些研究者著眼于解決反向高加速度沖擊的問(wèn)題，以提高開(kāi)關(guān)的抗過(guò)載能力。如前文提到的采用限位塊的設(shè)計(jì)，不但能夠限制慣性開(kāi)關(guān)在非敏感軸方向上的運(yùn)動(dòng)，還可以增強(qiáng)器件在反向敏感方向上的抗過(guò)載能力。圖21為上海交通大學(xué)Xu等[28]設(shè)計(jì)的水平驅(qū)動(dòng)的慣性開(kāi)關(guān)，當(dāng)有反敏感度方向的沖擊作用于器件時(shí)，彈簧的變形會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量塊反彈并向固定電極運(yùn)動(dòng)，這可能導(dǎo)致誤觸發(fā)，而限位塊的引入可以避免這種情況的發(fā)生。將剛好導(dǎo)致誤觸發(fā)的反敏感方向的加速度值定義為反向抗過(guò)載閾值加速度(athr)，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，athr隨移動(dòng)電極的質(zhì)量m及其與限位塊間間隙x2的增大而減小，但隨著系統(tǒng)剛度k的增大而增大。

圖21 Xu等設(shè)計(jì)的具有限位塊的慣性開(kāi)關(guān)[28]

2.3.2 低閾值慣性開(kāi)關(guān)

在航空航天領(lǐng)域，特別是飛行器的上升和下降過(guò)程中， 30g以下的沖擊加速度通常需要被監(jiān)測(cè)[29]，且隨著可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，慣性器件作為人體防護(hù)和慣性監(jiān)測(cè)的重要元件之一，其設(shè)計(jì)閾值也通常小于5g[8]。因而，越來(lái)越多的研究者著眼于高精度、低閾值慣性開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和研究。

為降低慣性開(kāi)關(guān)的閾值，大多數(shù)方案是對(duì)移動(dòng)電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，或者降低系統(tǒng)的剛度、增加有效質(zhì)量，從而降低器件整體固有頻率。Chen等[25]對(duì)慣性開(kāi)關(guān)彈簧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將常規(guī)的半圓彈簧改進(jìn)為節(jié)圓彈簧，如圖22所示，很好地降低了彈簧的剛度，器件的加速度閾值降低為25g，閉合時(shí)間為650 μs；Du等[16]則將彈簧形狀設(shè)計(jì)為阿基米德螺旋線(xiàn)且為中心對(duì)稱(chēng)分布，與傳統(tǒng)彈簧相比，這種新型設(shè)計(jì)有效地降低了彈簧的剛度且實(shí)現(xiàn)了水平面內(nèi)任意方向加速度閾值的均勻性，器件結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖22 包含節(jié)圓彈簧結(jié)構(gòu)的慣性開(kāi)關(guān)[25]

通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整質(zhì)量塊的厚度，也可以將慣性開(kāi)關(guān)的加速度閾值精確控制在某一低閾值處，Du等[16]提出了“厚度補(bǔ)償”的方法對(duì)器件進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)慣性開(kāi)關(guān)閾值的精確控制；Zhang等[29]則在SOI(Silicon On Insulator)晶圓上通過(guò)精確定義器件的厚度制作了閾值為5.5g的慣性開(kāi)關(guān)。

除了采用上述方法來(lái)降低慣性開(kāi)關(guān)的閾值外，一些方案則采用在器件中引入靜電力來(lái)實(shí)現(xiàn)低閾值的目標(biāo)。Kim等[30]設(shè)計(jì)了梳齒狀的結(jié)構(gòu)作為閾值調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖23所示，在梳齒上施加30 V的電壓時(shí)，其閾值可從10.25g降低到2.0g；除此之外，前述提到的液體連接式慣性開(kāi)關(guān)同樣可以實(shí)現(xiàn)較低的閾值，韓國(guó)Yoo[6]等設(shè)計(jì)和制備的慣性開(kāi)關(guān)(如圖9所示)的閾值就在5g～20g的范圍內(nèi)。

2.3.3 多閾值慣性開(kāi)關(guān)

為了提高應(yīng)用系統(tǒng)的集成度，多閾值慣性開(kāi)關(guān)已成為近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。器件對(duì)不同大小加速度的感知可使其整體應(yīng)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌潭鹊臎_擊做出相應(yīng)的反應(yīng)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的人性化和對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

設(shè)計(jì)多閾值慣性開(kāi)關(guān)的一種方法為在單個(gè)芯片上集成多個(gè)具有不同閾值的慣性開(kāi)關(guān)器件。例如，Currano等[17]將5個(gè)三軸慣性開(kāi)關(guān)集成到1個(gè)芯片上，其包含有30個(gè)獨(dú)立的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)如圖24所示，且每個(gè)開(kāi)關(guān)的閾值在50g～250g之間，為了簡(jiǎn)化布線(xiàn)，該研究還開(kāi)發(fā)了一種串聯(lián)各開(kāi)關(guān)的電阻器梯形電路。

圖23 梳齒狀慣性開(kāi)關(guān)[30]

圖24 由電阻階梯連接的多閾值慣性開(kāi)關(guān)[17]

除此之外，通過(guò)調(diào)整慣性開(kāi)關(guān)中引入的靜電力大小，單個(gè)器件也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)閾值。前述提到的Kim等[30]利用靜電梳齒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)慣性開(kāi)關(guān)在低閾值范圍內(nèi)的適當(dāng)調(diào)節(jié)。相比于前一種思路，利用靜電力調(diào)整開(kāi)關(guān)閾值的方法更加精確連續(xù)且芯片占用面積更小。

2.4 慣性開(kāi)關(guān)接觸增強(qiáng)設(shè)計(jì)

若不對(duì)慣性開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在較大的加速度沖擊下，移動(dòng)電極會(huì)與固定電極發(fā)生碰撞并反彈，更強(qiáng)烈的碰撞可能會(huì)導(dǎo)致器件結(jié)構(gòu)的損壞，為了避免這些情況，研究者們對(duì)慣性開(kāi)關(guān)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)其接觸時(shí)間。雖然優(yōu)化的設(shè)計(jì)可能在一定程度上會(huì)增加加工難度，但這些改進(jìn)的結(jié)構(gòu)在延長(zhǎng)兩電極接觸時(shí)間的同時(shí)，還可有效減弱電極間的碰撞強(qiáng)度，進(jìn)而延長(zhǎng)器件的使用壽命。

2.4.1 壓膜阻尼接觸增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)

1999年，日本曙光制動(dòng)器工業(yè)株式會(huì)社的傳感器公司在Transducers’99會(huì)議中報(bào)道了一種利用壓膜阻尼效應(yīng)增加接觸時(shí)間的MEMS慣性開(kāi)關(guān)，并在后續(xù)的研究中對(duì)這種設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的報(bào)道[31]。該慣性開(kāi)關(guān)具有“玻璃-硅-玻璃”三層結(jié)構(gòu)，硅層的構(gòu)造如圖25(a)所示，由內(nèi)環(huán)質(zhì)量塊、里側(cè)懸臂梁(Inside Beams)、外環(huán)質(zhì)量塊、外側(cè)懸臂梁(Outside Beams)結(jié)構(gòu)組成，其中內(nèi)環(huán)質(zhì)量塊作為接觸電極，外環(huán)質(zhì)量塊則用來(lái)產(chǎn)生壓膜阻尼效應(yīng)。當(dāng)外界提供足夠大的加速度時(shí)，內(nèi)環(huán)、外環(huán)質(zhì)量塊都向下或向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接觸電極與glass層的金彈簧結(jié)構(gòu)(如圖25(b)所示)接觸時(shí)，開(kāi)關(guān)發(fā)生閉合。由于外圍質(zhì)量塊與glass板之間的狹小間隙產(chǎn)生了壓膜阻尼效應(yīng)，所以在外界加速度消失后開(kāi)關(guān)仍然可以保持長(zhǎng)時(shí)間的閉合狀態(tài)。開(kāi)關(guān)的具體工作過(guò)程如圖26所示。測(cè)試結(jié)果顯示接觸電阻為600 mΩ，開(kāi)關(guān)反應(yīng)速度快，且接觸時(shí)間長(zhǎng)短與加速度值有關(guān)，在特定條件下，接觸時(shí)間可達(dá)6 ms。

圖25 壓膜阻尼接觸增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)[31]

圖26 壓膜阻尼接觸增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)工作原理示圖

然而，由于該類(lèi)型的慣性開(kāi)關(guān)需要較大的接觸面來(lái)產(chǎn)生壓膜阻尼，所以質(zhì)量塊的尺寸較大，不利于器件的微型化；其次，慣性開(kāi)關(guān)的接觸時(shí)間受多種因素的影響，特別是對(duì)于高閾值的慣性開(kāi)關(guān)，阻尼吸附力相對(duì)于可動(dòng)電極的彈性恢復(fù)力而言會(huì)變得較弱，這時(shí)就需要采用更大的阻尼吸附作用以延長(zhǎng)接觸時(shí)間，而這在微機(jī)械結(jié)構(gòu)中也是極具挑戰(zhàn)性的。

2.4.2 碳納米管接觸增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)

韓國(guó)延世大學(xué)Lee等[5]提出了在慣性開(kāi)關(guān)電極間引入可形變的碳納米管(Carbon Nano Tubes，CNT)來(lái)增強(qiáng)接觸時(shí)間的方案，如圖27所示。CNT具有優(yōu)異的機(jī)械彈性、回彈性和導(dǎo)電性，可用于作為機(jī)電導(dǎo)電材料，在外界沖擊作用下，移動(dòng)電極向固定電極移動(dòng)，CNT接觸板發(fā)生彈性變形，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間得以延長(zhǎng)，甚至可達(dá)114 μs，從而確保輸出信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性。雖然嵌入CNT的慣性開(kāi)關(guān)適合長(zhǎng)期重復(fù)使用，其接觸位置也不容易發(fā)生疲勞破壞，然而，所引入的CNT織布工藝無(wú)疑會(huì)給器件的加工制作帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

圖27 利用CNT實(shí)現(xiàn)接觸增強(qiáng)的慣性開(kāi)關(guān)[5]

2.4.3 靜電吸附接觸增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)

上海微系統(tǒng)所的Jia等[32]提出將靜電力引入微懸臂梁形式的慣性開(kāi)關(guān)，其工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別如圖28和圖29所示。靜電力引起的靜電拉入現(xiàn)象可以保證開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，這種狀態(tài)甚至可以保持到?jīng)_擊消失結(jié)束后。

圖28 引入靜電力的慣性開(kāi)關(guān)原理圖[32]

圖29 使用懸臂梁作為可動(dòng)電極的靜電吸附型慣性開(kāi)關(guān)[33]

2011年，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院(KAIST)報(bào)道了一種可被應(yīng)用于集成電路的懸臂梁形式的慣性開(kāi)關(guān)[33]，研究者在懸臂梁電極下端引入了柵極和漏極，且使柵極和懸臂梁的長(zhǎng)度相等，如圖30所示。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，電磁吸附力可以抑制碰撞時(shí)的反彈現(xiàn)象，以延長(zhǎng)可動(dòng)電極與漏極的接觸時(shí)間，但需要注意的是電磁干擾可能導(dǎo)致該器件的吸附失效。

圖30 應(yīng)用于集成電路且防反彈的懸臂式慣性開(kāi)關(guān)[33]

2.4.4 鎖扣式接觸增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)

為了增強(qiáng)開(kāi)關(guān)的接觸，多家研究機(jī)構(gòu)考慮在慣性開(kāi)關(guān)中設(shè)計(jì)鎖扣結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更為可靠的較長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)關(guān)閉合。這類(lèi)開(kāi)關(guān)的原理和結(jié)構(gòu)組成基本相似，以Currano等[34]研究的插鎖機(jī)制沖擊慣性開(kāi)關(guān)為例，其結(jié)構(gòu)如圖31所示。器件整體為雙重對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，質(zhì)量塊被4個(gè)彈簧懸掛支撐并對(duì)y軸上的加速度敏感，且質(zhì)量塊上附著有可與插鎖結(jié)構(gòu)相配合的部件。插鎖結(jié)構(gòu)則被設(shè)計(jì)為懸臂式，使其在敏感方向上具有較高的剛度，而在敏感方向的垂直方向上具有較低的剛度；對(duì)應(yīng)于質(zhì)量塊向y軸正方向或負(fù)方向運(yùn)動(dòng)的兩種情況，4個(gè)插銷(xiāo)結(jié)構(gòu)被分為兩組，當(dāng)質(zhì)量塊向正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，正方向上的一組插銷(xiāo)結(jié)構(gòu)被接通，反之則另外一組被接通。開(kāi)關(guān)閉合后，為了使其重置以實(shí)現(xiàn)器件的重復(fù)使用，還引入了V形梁式熱執(zhí)行器，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的焦耳熱引起導(dǎo)電梁產(chǎn)生熱膨脹形變，進(jìn)而推動(dòng)插鎖結(jié)構(gòu)與質(zhì)量塊解鎖，使質(zhì)量塊恢復(fù)原位。顯然，該慣性開(kāi)關(guān)的解鎖復(fù)位過(guò)程比較復(fù)雜，從而導(dǎo)致器件的可靠性降低，制造成本增加。

圖31 鎖扣式接觸增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)[34]

2.4.5 柔性結(jié)構(gòu)接觸增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)

當(dāng)可動(dòng)電極與固定電極發(fā)生剛性碰撞時(shí)，兩電極的反彈現(xiàn)象勢(shì)必導(dǎo)致二者接觸時(shí)間較短，且很容易破壞開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，降低器件的可靠性。為了減弱這種剛性碰撞，研究人員在兩個(gè)電極的接觸位置處設(shè)計(jì)了柔性結(jié)構(gòu)。雖然柔性結(jié)構(gòu)的引入增加了器件制作的難度，但使開(kāi)關(guān)的壽命得以延長(zhǎng)。上海交通大學(xué)Yang等[35-36]先后提出在移動(dòng)電極質(zhì)量塊上引入由彈簧懸掛支撐的接觸點(diǎn)、柔彈性懸臂梁結(jié)構(gòu)，以消除電極間碰撞時(shí)的彈跳現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)分別如圖32和圖33所示。

圖32 帶有可移動(dòng)接觸點(diǎn)的質(zhì)量塊[35]

圖33 質(zhì)量塊上的彈性懸臂梁元件[36]

類(lèi)似地，北京大學(xué)微電子研究所Deng等[37]則在可動(dòng)電極與固定電極上分別引入動(dòng)觸點(diǎn)和級(jí)聯(lián)梁這兩種非線(xiàn)性彈簧止動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖34所示。該方案更大程度地減弱了碰撞時(shí)的反彈現(xiàn)象，從而延長(zhǎng)了慣性開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間并提高了器件的可靠性，其在加速度閾值為600g的條件下，器件的接觸時(shí)間可達(dá)450 μs。

3 MEMS慣性開(kāi)關(guān)的加工工藝

MEMS器件的加工是由微機(jī)械加工發(fā)展而來(lái)的工藝方法，是在集成電路制造工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。通常， MEMS慣性開(kāi)關(guān)的工藝基本可分為兩大類(lèi)：體硅微加工工藝和非硅表面微加工工藝。體硅微加工工藝較為成熟，一般在硅片或絕緣體上硅(SOI)晶片上形成開(kāi)關(guān)的可動(dòng)結(jié)構(gòu)，可通過(guò)深硅刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)較大的深寬比，但制作的慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)層數(shù)有限。非硅表面微加工工藝則結(jié)合了犧牲層技術(shù)和微結(jié)構(gòu)電鍍技術(shù)來(lái)構(gòu)造開(kāi)關(guān)中的可動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中，光刻膠可被用作犧牲層在非硅基底上鑄模，并與微金屬電鍍工藝結(jié)合使用，非硅表面微加工工藝可實(shí)現(xiàn)多層懸空金屬結(jié)構(gòu)的疊層制造，并完成高深寬比的精細(xì)加工。表1對(duì)MEMS慣性開(kāi)關(guān)的兩種加工工藝進(jìn)行了比較。

3.1 體硅微加工工藝

MEMS慣性開(kāi)關(guān)的體硅微加工工藝一般是在硅晶圓或SOI晶片上進(jìn)行的，其利用SiO2、光刻膠等材料作為掩膜，通過(guò)濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching，RIE)或深反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)等方法對(duì)硅層(器件層)進(jìn)行刻蝕以形成慣性開(kāi)關(guān)中的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊，該工藝過(guò)程還常常涉及形成SiO2層的熱氧化或化學(xué)氣相沉積工藝、在硅基板或玻璃基板上形成電極的濺射工藝，以及為了改變電阻率或形成腐蝕自停止層而進(jìn)行的摻雜工藝等。

表1 MEMS慣性開(kāi)關(guān)的兩種加工工藝比較

Jia等[32]利用典型的體硅微加工工藝制作了微懸臂式的慣性開(kāi)關(guān)，圖35展示了其涉及的主要微加工工藝步驟。

圖35 微懸臂式慣性開(kāi)關(guān)的主要加工工藝[32]

3.2 金屬基表面微加工工藝

用于制作MEMS慣性開(kāi)關(guān)的非硅微加工工藝實(shí)際上是以金屬基表面微加工工藝為主。與體硅微加工工藝不同，它結(jié)合了犧牲層技術(shù)和微結(jié)構(gòu)電鍍技術(shù)，并在石英或玻璃基底上完成慣性開(kāi)關(guān)的制造。隨著慣性開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、層數(shù)越來(lái)越多，金屬基表面微加工工藝展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖36展示了慣性開(kāi)關(guān)表面微加工工藝的基本制備路線(xiàn)。首先，使用物理或化學(xué)方法對(duì)玻璃或石英基片進(jìn)行清潔，然后在基底上濺射一層復(fù)合金屬薄膜用作電鍍時(shí)的種子層，而后再旋涂一層光刻膠到基底上，對(duì)其烘烤固化后通過(guò)UV-LIGA工藝進(jìn)行光刻；顯影后，掩膜版上的圖形就轉(zhuǎn)移到了光刻膠上；然后通過(guò)微結(jié)構(gòu)電鍍技術(shù)將鎳等金屬電鍍到種子層上，便形成了慣性開(kāi)關(guān)的第一層微結(jié)構(gòu)，然后再重復(fù)如上的工藝過(guò)程。若制作過(guò)程中出現(xiàn)上一層圖形的開(kāi)口比下一層的大時(shí)，則需要先在下一層的光刻膠上濺射一層新的種子層，而后再進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)工藝步驟，制作器件的工藝過(guò)程還涉及表面整平、等離子表面清洗等處理步驟?？傊?，金屬基表面微加工工藝主要涉及了清洗非硅基片、濺射金屬種子層、旋涂光刻膠、光刻和顯影、微結(jié)構(gòu)電鍍和釋放等[2]。

圖36 MEMS慣性開(kāi)關(guān)金屬基表面微加工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)[2]

依據(jù)具體功能設(shè)計(jì)好慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)后，靈活應(yīng)用上述各項(xiàng)工藝，即可形成一套完整的金屬基慣性開(kāi)關(guān)加工工藝流程。圖37為上海交通大學(xué)Cai等[38]設(shè)計(jì)的用于制作具有可動(dòng)觸點(diǎn)接觸增強(qiáng)型非硅MEMS慣性開(kāi)關(guān)的工藝流程。

圖37 具有可動(dòng)觸點(diǎn)的接觸增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)制造工藝流程[38]

3.3 異質(zhì)集成微加工工藝

近年來(lái)，一些研究人員將體硅微加工工藝同非硅表面微加工工藝結(jié)合到一起，設(shè)計(jì)了一種新型工藝——異質(zhì)集成微加工工藝。上海交通大學(xué)Zhang等[39]利用硅片的干法刻蝕、多層金屬電鍍和Au-Sn鍵合等工藝制作了具有靜電吸合功能的MEMS慣性開(kāi)關(guān)。圖38為其所設(shè)計(jì)慣性開(kāi)關(guān)的基本物理模型。在兩個(gè)平行板電極上加載適當(dāng)?shù)钠珘海闷洚a(chǎn)生的靜電力來(lái)延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)的接觸時(shí)間；通過(guò)調(diào)整偏壓的大小，慣性開(kāi)關(guān)的閾值也可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖39展示了這種基于異質(zhì)集成制造MEMS慣性開(kāi)關(guān)的主要工藝步驟。器件的移動(dòng)電極即質(zhì)量塊主要通過(guò)體硅微加工工藝制成，并以金屬表面微電電鍍作為輔助工藝制成彈簧結(jié)構(gòu)；器件的上層結(jié)構(gòu)完成后，需在側(cè)壁濺射Cr/Au薄層以降低接觸電阻；然后，在玻璃基片上采用表面微加工工藝來(lái)制作器件的下層結(jié)構(gòu)，具體的工藝步驟需要根據(jù)具體的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。需要注意的是，在下層結(jié)構(gòu)的最頂部需電鍍一層錫用于鍵合，再電鍍一層金用來(lái)抑制錫的氧化。制作該MEMS慣性開(kāi)關(guān)的最后一步是將上下兩部分結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)加壓，然后將它們放入加熱至250 ℃的甘油中保持10 min，再進(jìn)行冷卻、沖洗和超臨界干燥等工藝步驟，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的可靠鍵合。

圖38 Zhang等設(shè)計(jì)慣性開(kāi)關(guān)的物理模型[39]

圖39 異質(zhì)集成慣性開(kāi)關(guān)制造工藝流程[39]

異質(zhì)集成微加工工藝集合了體硅微加工工藝和金屬基表面微加工工藝的優(yōu)點(diǎn)，但工藝步驟有所增加，工藝難度也有一定提升。

4 MEMS慣性開(kāi)關(guān)的測(cè)試

MEMS慣性開(kāi)關(guān)制作完成后，可對(duì)其進(jìn)行加速度沖擊測(cè)試，應(yīng)合理控制沖擊的波形、脈寬和幅值，并利用電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)或光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其工作性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。

4.1 MEMS慣性開(kāi)關(guān)的測(cè)試裝置

為了產(chǎn)生特定的沖擊加速度進(jìn)而評(píng)價(jià)慣性開(kāi)關(guān)的工作性能，常被使用到的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置有離心機(jī)(如圖40所示)、馬希特錘(如圖41所示)和沖擊落錘等。

圖40 離心機(jī)[40]

圖41 馬希特錘[31]

Field等[40]利用離心機(jī)來(lái)模擬沖擊環(huán)境，將265g的加速度加載到MEMS慣性開(kāi)關(guān)上； Matsunaga等[31]則利用馬希特錘來(lái)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)閉合所需的沖擊加速度，當(dāng)擺錘與制動(dòng)器發(fā)生碰撞時(shí)，慣性開(kāi)關(guān)器件將被施加一定的沖擊加速度作用。

除了上面所說(shuō)的兩種實(shí)驗(yàn)裝置外，更多的研究人員選擇沖擊落錘來(lái)模擬環(huán)境加速度，圖42為落錘裝置的示意圖。落錘從某一高度被自由釋放后下落，最后與固定平臺(tái)碰撞，固定平臺(tái)上放置的兩塊緩沖墊使得落錘與固定平臺(tái)碰撞時(shí)產(chǎn)生半正弦波形的沖擊加速度，加速度幅值隨落錘和固定平臺(tái)之間的高度H變化而變化，且二者呈正向關(guān)系。此外，基臺(tái)剛度可以通過(guò)改變緩沖墊的厚度和材質(zhì)來(lái)調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整產(chǎn)生的加速度的沖擊脈寬。

圖42 落錘沖擊測(cè)試系統(tǒng)[32]

4.2 MEMS慣性開(kāi)關(guān)的測(cè)試方法

MEMS慣性開(kāi)關(guān)的測(cè)試方法一般可分為兩種：電學(xué)測(cè)量和光學(xué)測(cè)量。這里以落錘測(cè)試裝置為例。電學(xué)測(cè)量的原理如圖43所示，制作的慣性開(kāi)關(guān)與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)都被安裝在落錘上，其中，加速度計(jì)用于作為慣性開(kāi)關(guān)測(cè)試過(guò)程中的標(biāo)定。將慣性開(kāi)關(guān)與一個(gè)固定電阻和直流電源串聯(lián)形成回路，將電阻的高電平與低電平兩端接入示波器通道的高、低電平端，標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的高、低電平也分別連接示波器通道二的高、低電平端；當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，示波器可以同時(shí)捕捉到加速度計(jì)和慣性開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)。

標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)可實(shí)時(shí)輸出加速度信號(hào)來(lái)作為慣性開(kāi)關(guān)測(cè)試過(guò)程中的標(biāo)定，當(dāng)沖擊加速度大于慣性開(kāi)關(guān)的閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合進(jìn)而輸出脈沖信號(hào)，且只要開(kāi)關(guān)閉合，回路就會(huì)有導(dǎo)通信號(hào)，反之則無(wú)信號(hào)輸出。據(jù)此原理，研究者們可以根據(jù)脈沖信號(hào)的特征來(lái)分析閾值、響應(yīng)時(shí)間、接觸時(shí)間等慣性開(kāi)關(guān)的重要性能參數(shù)。

圖43 慣性開(kāi)關(guān)的電學(xué)測(cè)量方法原理示意圖

然而，電學(xué)測(cè)量方法只可以通過(guò)輸出的電學(xué)信號(hào)間接地判斷MEMS慣性開(kāi)關(guān)的工作情況，不能準(zhǔn)確、具體地反映器件移動(dòng)電極、固定電極等部件的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)和形變過(guò)程。一些研究人員則利用光學(xué)測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)慣性開(kāi)關(guān)工作過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以彌補(bǔ)電學(xué)測(cè)量方式的不足。圖44為Currano等[41]搭建的帶有視頻捕捉的沖擊測(cè)試系統(tǒng)示意圖，一臺(tái)高速攝像機(jī)被安裝在顯微鏡上，該顯微鏡懸置于振動(dòng)臺(tái)上，當(dāng)有加速度沖擊產(chǎn)生時(shí)，加速度計(jì)的輸出信號(hào)可經(jīng)示波器來(lái)觸發(fā)高速攝像機(jī)，從而開(kāi)始記錄慣性開(kāi)關(guān)的詳細(xì)工作過(guò)程，圖45為該實(shí)驗(yàn)臺(tái)拍攝的鎖扣式接觸增強(qiáng)慣性開(kāi)關(guān)的閉合過(guò)程。

5 總結(jié)與展望

MEMS慣性開(kāi)關(guān)是集傳感與執(zhí)行器為一體的MEMS無(wú)源器件，既可以作為傳感器進(jìn)行加速度閾值的檢測(cè)，又可以作為執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的閉合動(dòng)作，具有體積小、質(zhì)量輕、制造成本低和近零功耗等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于玩具、貨物運(yùn)輸監(jiān)測(cè)、安全氣囊約束系統(tǒng)以及軍事等領(lǐng)域，特別是在遠(yuǎn)程監(jiān)控、無(wú)人值守平臺(tái)等電量有限的應(yīng)用場(chǎng)景中，慣性開(kāi)關(guān)展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)也為MEMS慣性開(kāi)關(guān)提供了更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間，同時(shí)也提出了更高的要求。本綜述主要從工作原理、器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其功能、加工工藝及測(cè)試等方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外的MEMS慣性開(kāi)關(guān)研究工作進(jìn)行了較為全面的闡述，旨在讓有意置身于MEMS慣性開(kāi)關(guān)研究的人員對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行快速全面的了解并找到合適且感興趣的研究方向，進(jìn)而加速該MEMS器件的進(jìn)步與發(fā)展。最后對(duì)MEMS慣性開(kāi)關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)做如下概括。

圖44 帶有高速視頻捕獲的沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)[41]

① 就單軸敏感MEMS慣性開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，其接下來(lái)的研究重點(diǎn)主要是如何提高軸向靈敏度并降低非敏感方向上的擾動(dòng)影響。但總體來(lái)說(shuō)，慣性開(kāi)關(guān)的敏感方向有著從單軸向多軸的發(fā)展趨勢(shì)，以減小器件占用的空間，拓寬其應(yīng)用范圍。

② 為了提高集成度，MEMS慣性開(kāi)關(guān)的閾值檢測(cè)由單一閾值向多閾值方向發(fā)展。多閾值的慣性開(kāi)關(guān)可以對(duì)不同程度的沖擊做出相應(yīng)的反應(yīng)，如多層碰炸檢測(cè)等，從而使器件能夠適用于更復(fù)雜的環(huán)境，不斷提高其智能化。

③ 隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展，需要檢測(cè)的加速度閾值通常小于5g甚至1g，低閾值逐漸成為MEMS慣性開(kāi)關(guān)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

④ 繼續(xù)優(yōu)化MEMS慣性開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，或引入新的材料體系，尤其是各類(lèi)非硅金屬材料、納米材料、聚合物材料，甚至二維材料等，以從響應(yīng)時(shí)間、接觸時(shí)間和抗過(guò)載能力等重要參數(shù)上去提高器件的工作性能。

⑤ 隨著設(shè)備的小型化發(fā)展，以及市場(chǎng)對(duì)高集成度傳感與檢測(cè)的需求，MEMS慣性開(kāi)關(guān)在向著MEMS/CMOS集成的方向發(fā)展，感知元件與信號(hào)處理單元集成于同一個(gè)芯片上，以縮小整個(gè)系統(tǒng)的體積，不斷提高集成度和多功能化。