微机电系统惯性电学开关的设计与制作

　　0　引言

　　基于微机电系统(micro-electro-mechani-cal system,MEMS)的惯性传感器已被广泛地应用于众多工业领域[1-3]。微型惯性电学开关作为一种特殊的惯性传感器,其基本工作原理是用弹簧(或悬臂梁)悬空的质量块作为可动电极,在有外界加速度作用时,质量块碰撞到另一固定电极,从而实现电路的通断[4]。由于现有的微加工技术大都是在传统的半导体制造技术的基础上不断发展而来的,因此上述传感器件通常是基于单晶硅基底设计并加工制作的[2]。在以“弹簧—质量块”结构设计的惯性开关中,因在硅片上电镀时不可避免地存在着残余应力,使得用于敏感外界加速度的质量块不可能被镀得很厚,以致于最终制成的器件不得不占据较大的面积,才能有足够的质量产生惯性力来保证其触发灵敏度。此外,以SOI(silicon-on-insulator)片为基础的开关制作成本也较高[5]。对于在竖直方向上敏感的惯性开关,大都采用直接固定在基底上的刚性块体作为其固定电极,因而在使用过程中两电极的碰撞往往会使悬空的质量块和弹簧强烈反弹,致使器件极易受损,而且两电极的接触效果不佳[2,3,5]。

        本文以非硅表面微加工技术为基础,给出了MEMS惯性电学开关的一种新式设计,并对其进行了微加工制作、有限元动力学仿真和试验测试。

   　1　器件设计与仿真

　　微型惯性开关器件设计制作在玻璃基片上,主要由三部分组成:①用来将质量块电极悬空的连体蛇形弹簧;②采用比弹簧厚得多的质量块作为可动电极;③由支座将多孔弹性梁悬空固定作为固定电极。整个器件及外接电路如图1所示。弹性梁电极与质量块电极有一定的距离,保持电路在通常状态下为断开,当器件在其敏感方向受到外界足够大的加速度作用时,可动的质量块电极快速撞向固定的弹性梁电极,随后又被弹簧迅速拉回,从而实现对外接电路的瞬间通断功能。

　　上述设计的微型惯性电学开关相对近期报道的类似开关[2,3,5]具有如下明显优势:①用来感应外界加速度的质量块的厚度约为蛇形弹簧的10倍多,这样不仅有足够的惯性力来驱动质量块电极,以保证开关的灵敏度,而且又不至于使器件占据太大的面积;②位于质量块两侧的弹簧采用连体蛇形结构,相比以往的周围分别使用单根弹簧的设计,更能保证弹簧和质量块同步协调运动,而且节省空间;③带有多孔结构的悬空弹性梁作为固定电极,较小的刚度能够增加可动电极与其碰撞过程中的接触时间,提高接触效果;④由矩形短柱阵列而成的支撑层与质量块仅有很小的间隙,此设计在便于去除牺牲层的同时,还可以限制碰撞接触后质量块及弹簧的过分偏离,有利于器件的抗冲击保护。