一种新型三维多方向敏感的非硅微机械惯性开关

Novel multidirectiona1.sensitive MEMS inertial switch manufacturedbased on non-silicon surface micromachining technologyZHU Bin，YANG Zhuo-qing，CHEN Wen-guo，DING Gui-fu，ZHAO Xiao-lin(National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)Abstract： Based on non-silicon surface micromachining technology，a novel three.dimension micro inertial switchwith muhidirectional-sensitive property has been designed and fabricated.Using typical mass-spring-damper model， theswitch mainly consists of mobile electrode (mass)with beam spring，flexible fixed planar electrode and verticalelectrodes.By finite element simulation。modal analysis of the device was made to determine the naturalequenev of thedevice；and dynamic collision simulation of the device was made to verify the working principle.Micro-switches fabricatedwere tested by using drop weight method.The results show that the threshold acceleration distributes between 50g and60g，which basicaly fulfills the requirement of being close to the expected value of 60g；and the response time to 1 mshalf.sine shock iS above 40 S。

Key words：inertial switch；MEMS；muhidirectiona1.sensibility微电子工业中冲击是较严重的失效机制，监视系统加速度可对冲击进行有效的信息反馈，便于及时控制防护。标准加速度计在无冲击情况下存在寄生功耗，因而在小尺寸与长寿命需求系统中受到限制。基于微机电系统(MEMS)技术制作的惯性开关具有体积孝重量轻、可靠性高、成本低、可反复使用、避免电磁误触发等优点，广泛应用于汽车安全气囊、特种运输、可靠性跌落试验及碰撞记录中 J。然而实际应用中，为满足某些特种监测要求，需使用三个或多个单向触发(敏感)的惯性开关组合，不但整体系统体积变大、质心难以重合，且测量精度低、可靠性差 J。杨拥军等 5 采用 MEMS体硅微加工工艺制造出的无源万向碰基金项目：十二五预先研究项 目(51308050304)；教育部重点支撑计划项目(625010105)收稿 日期：2011-11-03 修改稿收到日期：2012-04-11第-作者 朱 斌 男，硕士生，1987年生通讯作者 杨卓青 男，助理研究员，1982年生撞开关存在硅器件固有不耐冲击和导通时间短暂(～10 s)等缺点。非硅表面微加工技术可制造较高深宽比，较复杂的准三维结构，且电镀金属密度、机械性能、导电性能与硅相比具有-定优势。本文以非硅表面微加工技术为基础，利用多次叠层电镀镍、牺牲层技术及低温电泳等，开发出仅用-个敏感单元即可同时具有多向敏感特性及较长接触时间的三维微机械惯性开关。

1 器件设计与理论分析1.1 器件设计如图1所示，惯性开关器件主要由悬臂梁弹簧连接的质量块(可动电极)、柔性垂直固定电极及水平悬臂固定电极三部分组成，结构材料为电镀镍。质量块电极由八个对称悬臂梁弹簧悬浮，形成碰撞主体。当系统受到XOY水平面径向或竖直z方向上任意冲击并超过阈值时，质量块电极与固定电极碰撞接通，从而提供导通信号。此外，为延长开关接触时问，通过径向缓第 5期 朱 斌等 ：-种新型三维多方向敏感的非硅微机械惯性开关冲阵列代替刚性碰撞；同时，在垂直固定电极上电泳-层聚合物柔性材料，利用复合固定电极形变延长接触时间。

图 1 三维多方向敏感惯性开关器件结构示意图Fig.1 Scheme of the three-dimensionalmultidirectional sensitive inertial switch在复合固定电极制备中，利用低温电泳技术(通常约为40C)在电镀镍上形成复合悬臂结构，所用电泳漆材料(EP.polymer，Model HL-1507LB)与镍有较高的结合 强 度。表 1比较 了 EP-polymer、SU -8胶及Parylene C与电镀镍基底的结合强度，可以看 出 EP-polymer与镍基底的结合强度远高于其它两种材料。因此，利用低温电泳技术与镍层构成的复合结构作为开关的固定电极，不但在 MEMS加工工艺中能兼容，且具有较好的抗冲击特性。

表 1 EP-polymer、SU-8胶及 Parylene C与镍基底结合强度测试结果Tab.1 Tested adhesion strengths of EP-polymer，SU -8 and parylene C on Ni substrate/MPa1.2 理论分析微惯性开关可动悬浮系统可简化为弹簧 -质量块 -阻尼系统 分析，如 图 2所示，质量块运动方程为：m 。譬 ：-m口 fj式中：m为集中质量块质量：kg；C为阻尼系数：N ·s/m；k为弹簧系数：N/m；口(t)为随时间变化的外加加速度 ：m/s o方程中系统阻尼来源于弹簧移动过程中系统能量的损失，主要由空气对物体阻力(压膜阻尼)或弹簧内部微小塑性形变等造成的。若施加的加速度激励为半正弦波冲击，则物体也会以同样频率正弦波运动。设理想状态下无阻尼运动，即无外加加速度时，可推出系统无阻尼固有频率为 /m。系统品质因子 Q图2 弹簧 -质量块 -阻尼系统Fig.2 Mass spring damper systemno)。/c/ m/c ，经过拉氏变换得系统传递函数的幅值为：I l 击1磐- -1y 当 《 ∞。时Q 当 ：。时1 当 》。 时1- / t、、、H图3 典型系统增益响应图Fig.3 Responsivity of the switch for various damping factors图3为典型系统的增益响应图，激励频率远小于固有频率时，系统增益接近直流增益，大小为 1/w ；激励频率为 ∞。时，系统增益为直流响应的 Q倍；激励频率远大于固有频率时，系统增益为 1/oJ 。系统受到加速度载荷冲击时，质量块受激励运动，与距离上方‰的固定电极接触，外接电路导通。该分析对器件在水平径向运动及垂直敏感运动均适用。

2 惯性开关仿真分析2.1 弹簧-质量块系统刚度分析利用 ANSYS有限元软件对微惯性开关弹簧-质量块系统进行仿真分析，如图 4所示。图4右下角为简化的有限元模型， 为归-化因子，为水平各方向刚度与径向整体平均刚度(最大值与最小值平均值)的比值∩以看出随着悬臂弹簧数 目的增加，系统刚度分布越趋于均匀。然而，弹簧数 目过多会造成系统刚度过大，不但使开关阈值水平骤然升高，