一种具有高抗侧向过载的垂直敏感弹载MEMS惯性开关

任 超，武 强，付 博，刘峰华，戴旭涵，杨卓青

（1.上海交通大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室，上海 200240；2.淮海工业集团有限公司MEMS 中心， 长治 046012；3.西安机电信息技术研究所，西安 710065）

1 引 言

Zhang 等[15]提出了一种具有多方向约束结构的横向驱动惯性开关，其在开关中采用了约束套筒和反向阻挡块结构，降低了器件的离轴灵敏度，避免了设备在高冲击载荷下的损坏。Yang等[16]则同时引入双层弹簧和约束结构以限制质量块在离轴敏感方向上的位移，其中，对称分布的双层蛇形弹簧对于抵抗侧向的小加速度扰动具有重要作用，而约束结构能够抵抗大的侧向冲击。这些研究都很好地解决了侧向冲击可能引起的器件误触发和失效等问题，但复杂的微型结构设计给其工艺加工带来一定的难度。

本文则提出了一种结构简单的具有高抗侧向过载能力的MEMS 惯性开关，其可感知垂直方向上的加速度冲击。器件的弹簧设计为阿基米德螺旋线式，COMSOL 仿真结果显示，在高侧向冲击下，质量块发生极小幅度的旋转。设计的惯性开关通过简单的微加工工艺制作而成，并通过落锤系统对样品进行功能测试。实验结果证明该MEMS惯性开关具有较好的抗侧向冲击过载性能。

2 物理模型

该MEMS 惯性开关的物理模型为典型的弹簧-质量块系统。当有加速度作用在器件的敏感方向上时，开关的动态平衡方程可以表达为[17-18]

其中，c代表阻尼系数，k代表垂直方向上弹簧-质量块系统的整体刚度。在冲击过程中，加速度a常可表示为半正弦波，表达式如下：

其中，a0代表加速度冲击幅值，ω0代表冲击频率，t0表示冲击脉宽，且满足

该器件设计中，暂忽略压膜阻尼效应产生的影响，假设c=0。通过求解微分方程(1)，可得到质量块的相对位移表达式为

为了实现开关的触发，移动电极需要与固定电极接触，即质量块的最大运动距离需要大于等于两电极间的初始距离。据此，可推导得出惯性开关的加速度阈值

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根据式(4)，可以设计出具有一定阈值的垂直敏感MEMS 惯性开关。考虑到具体的应用场景，本文提出的MEMS 惯性开关的目标阈值为260g。

3 器件设计和仿真

3.1 器件设计

图1 展示了具有高抗侧向过载的垂直敏感MEMS 惯性开关的具体结构。器件主要由三部分组成：阿基米德螺旋线式弹簧悬挂支撑的圆形质量块、移动电极柔性触点和固定电极。其中，质量块被弹簧悬挂，并通过定距支撑结构固定在基底上；质量块与阿基米德螺旋线式弹簧厚度相同，在保证阈值加速度满足设计值的同时，消除质心差，使得开关具有优秀的抗侧向冲击能力，并简化器件结构和加工工艺；质量块的中央则嵌有柔性的接触点，在外界冲击作用下，质量块和固定电极发生碰撞，接触点将刚性碰撞转换为柔性碰撞，从而延长脉冲信号的脉宽；固定电极则固定于玻璃基底表面，并与定距支撑结构共同控制移动电极和固定电极间的距离，从而确定MEMS惯性开关的阈值加速度。器件的主要结构参数及其数值如表1 所示。

表1 MEMS 惯性开关器件的主要结构参数Table 1 Main structural parameters and specifications of the MEMS inertial switch device

图1 具有高抗侧向过载的MEMS 惯性开关设计示意图Fig.1 Structure diagram of the designed MEMS inertial switch with high resistance to lateral overload

3.2 有限元仿真

为了更好地掌握所设计的惯性开关的动态特性，评估其阈值加速度、接触时间、抗侧向过载能力等重要参数，利用COMSOL 软件对设计的器件进行了仿真研究。其中，弹簧的端部和固定电极的底面设置为固定约束；结构材料设置为金属镍，其弹性模量为170 GPa[16]，泊松比为0.3。考虑到压膜阻尼对器件动态响应的影响，仿真过程中还耦合了薄膜流场，以提高仿真结果的准确性；值得注意的是，质量块和固定电极之间存在静电力，但由于其正对面积很小，所以产生的静电力可忽略不计。

首先，我们研究了惯性开关在垂直方向上的动态特性。将具有不同幅值（220g，240g，260g，280g，300g）的半正弦冲击施加在弹簧-质量块系统上并作用在垂直方向，加速度1g=9.8 m/s2，脉宽为1 ms，图2 为可移动电极的动态响应曲线。通过前面的讨论已知，在某一加速度冲击作用下，可移动电极的最大位移达到两电极间的距离，则此加速度定义为开关的阈值加速度。由图2 可得，当半正弦冲击的幅值为240g时，可移动电极未与固定电极发生接触；而当冲击幅值增长到260g时，可移动电极与固定电极发生碰撞，因此，设计的MEMS 惯性开关的加速度阈值为260g。并且，随着冲击幅值的增加，两电极的接触时间延长。图3 显示了冲击幅值为300g时器件的应力分布情况，可以看到，最大应力值为87.2 MPa，远小于电镀镍的屈服应力317 MPa。

图2 不同幅值的加速度冲击下可移动电极 的动态响应曲线Fig.2 Simulated dynamic response displacement curves of the movable electrode under different amplitude shocks in the sensitive direction

图3 在垂直方向上施加300 g 冲击时弹簧-质量 块系统的应力分布图Fig.3 Stress distribution diagram of spring-mass system under acceleration of 300 g in the vertical direction

随后，我们研究了MEMS 惯性开关的抗侧向过载能力。将具有不同幅值（2000g，5000g，10000g，20000g）的半正弦冲击施加在弹簧-质量块系统上并作用在水平方向上，脉宽为0.1 ms。图4 为横向冲击幅值为20000g时，器件的位移分布图，可以观察到，质量块在垂直方向上的最大位移只有0.06 μm；图5 为在不同幅值的横向冲击下，柔性触点在垂直方向上侧翻时的位移响应曲线，可以看到，触点的位移远远小于移动电极和固定电极之间的距离10 μm，误触发未发生，设计的MEMS 惯性开关具有很好的抗侧向过载能力。

图4 横向冲击为20000 g 时器件的位移分布图Fig.4 The displacement distribution diagram of the device under lateral impact of 20000 g

图5 不同幅值的横向冲击下柔性触点在垂直 方向上的动态响应曲线Fig.5 Dynamic response curves of the flexible contact point in the vertical direction under different amplitudes of lateral impact

4 实验结果

4.1 器件工艺制作

具有高抗侧向过载的垂直敏感MEMS 惯性开关通过非硅表面微加工工艺制造而成。其中，选择铬/铜（Cr/Cu）作为种子层材料，正性光刻胶作为牺牲层材料，镍作为结构材料。制造工艺包括溅射、光刻、电镀和牺牲层释放等技术，所设计器件的主要制作步骤如图6 所示，具体阐述如下：

图6 MEMS 惯性开关制造工艺主要流程Fig.6 Main steps of the manufacturing process for the designed MEMS inertial switch

(a)和(b)选择1 mm 厚的玻璃片作为器件基底，并在其表面溅射一层Cr/Cu 金属层作为第一层种子层。

(c)和(d)对光刻胶进行光刻显影后，电镀金属镍以形成固定电极和移动电极的支撑层。

(e)和(f)再一次进行光刻、显影、电镀工艺，形成可移动电极的悬空层。

(g)溅射第二层Cr/Cu 金属种子层。

(h)和(i)在第二层种子层上进行光刻、显影后，电镀金属镍形成可移动的质量块及柔性触点。

(j)去除全部的光刻胶和多余的种子层，使得可移动电极被释放。

图7(a)为制作的MEMS 惯性开关的实物图，相应的完整器件的SEM 图（图7(b)）展示了电镀形成的阿基米德螺旋线式弹簧以及圆形质量块等微结构，图7(c)为位于质量块中心的柔性触点的放大图。器件的三维视图如图7(d)所示，可以观察到质量块被弹簧悬挂支撑，图7(e)则表明柔性触点被悬空位于固定电极的正上方。

图7 (a) 具有高侧向过载的MEMS 惯性开关的实物图；(b) 完整的器件SEM 图；(c) 柔性触点；(d)由弹簧悬 挂支撑的质量块的三维视图；(e)位于柔性 触点正下方的固定电极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 器件测试

为了测试所制作MEMS 惯性开关器件的阈值加速度以及抗侧向过载能力，拟使用标准的落锤冲击系统。落锤冲击系统包括由程序控制的落锤、多通道示波器（Agilent 6000 MSO6034A）、标准加速度计、恒压电源、分压电阻、待测试的惯性开关器件。其中，待测试的惯性开关通过夹 具固定在落锤上，且使待测试的方向与地面垂直；同时，将器件两端与恒压电源、电阻串联，当可移动电极与固定电极碰撞时，电路导通，电阻两端输出脉冲信号；加速度计同样被固定在落锤上，用来标定落锤产生的冲击加速度；多通道示波器则用来收集加速度计和分压电阻两端的输出信号。值得强调的是，半正弦冲击的幅值由落锤的初始高度决定，而冲击信号的脉宽受底座的硬度影响。

4.2.1 阈值加速度测试

首先，对制作的MEMS 惯性开关在垂直方向上的阈值加速度进行测试，安装器件时，使得质量块的上表面与地面平行，并将半正弦冲击的脉宽控制在1 ms 左右。图8 为测试结果，其中，黄色信号显示了加速度冲击的波形，紫色信号反映了移动电极与固定电极的接触情况。如图8(a)所示，当冲击加速度幅值为212g时，移动电极和固定电极间没有接触信号；如图8(b)所示，当加速度幅值为237g时，器件被触发，且接触时间为320 μs。测试结果与设计结果存在8.46 %的误差。产生误差的主要原因有微加工过程中的误差以及电镀过程中形成的残余应力。

图8 制作的惯性开关的阈值加速度测试: (a) 当 加速度幅值为212 g 时无触发信号；(b) 当加速度 幅值为237 g 时开关被触发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 抗侧向过载性能

确定MEMS 惯性开关的加速度阈值后，接下来对器件的抗侧向过载性能进行测试。由于测试所需的冲击加速度较大，实验中使用了如图9 所示的带有二次冲击的落锤冲击台。同时，安装器件时，质量块的上表面应与地面垂直，保证落锤施加在器件上的冲击是侧向的，并将加速度脉宽控制在100 μs 内，以模拟较大的横向冲击环境。如图10 所示，分别向器件施加幅值为5250g和8750g的横向冲击，均未观察到开关的触发信号，即超高的侧向冲击并未引起器件的误触发；而后，我们进行了多次超高侧向加载测试，均未触发。实验结果证明，设计的MEMS 惯性开关具有良好的抗侧向过载性能。

图9 带有二次冲击的落锤测试系统Fig.9 Drop hammer test system with secondary impact

图10 器件的抗侧向过载性能测试：当冲击幅值为 (a) 5250 g 和(b) 8750 g 时开关均无触发信号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

为了标定器件的抗侧向过载性能，本文拟定义一个表征器件抗侧向过载能力的参数——抗侧向过载因子ε，其数值等于不引起误触发的最大横向加速度与器件在敏感方向上的阈值加速度的比值。由于落锤可提供的最大冲击有限，本文所制作的MEMS 惯性开关的抗侧向过载因子ε至少为36.9。

5 结 论

本文设计了一种具有高抗侧向过载的垂直敏感MEMS 惯性开关，将阿基米德螺旋线式弹簧引入器件中，与质量块共同构成加速度的敏感单元。COMSOL 仿真结果表明，所设计的器件在垂直方向上的阈值加速度为260g；当开关受到20000g的横向冲击时，质量块在垂直方向上的最大位移只有0.06 μm。最后，通过较为简单的非硅表面微加工工艺制作了所设计的惯性开关原型器件，并使用落锤系统对其进行了测试。实验结果表明，所制作的MEMS 惯性开关的阈值加速度为237g，接触时间为320 μs；使用带有二次冲击的落锤系统对器件施加了8750g的侧向冲击加速度后，器件未被误触发，并仍然可以正常工作。所提出的MEMS 惯性开关设计，可有效克服实际应用环境中高侧向冲击导致的误触发和结构损伤缺陷，将为MEMS 惯性开关在复杂环境下的实际应用提供重要参考。