基于MEMS技术的低g值微惯性开关的设计与制作

　　惯性开关是一种感受惯性加速度，执行开关机械动作的精密惯性装置，低g 值是指惯性开关闭合阈值范围为1gn ～ 30gn( gn: 标准重力加速度，1gn =9. 8 m/s2 ) ，在汽车安全气囊、工业安全控制和航空航天等领域有着广泛的应用[1 ～ 2]。惯性开关大多采用典型的“弹簧- 质量- 阻尼”结构，要求具有无源、小体积、机械滤波等特点。对低g 值惯性开关而言，应该响应的信号是准静态的、频率近乎为零的线性加速度信号，试验中这种信号一般由离心机产生。

　　除了这种应该响应的信号外，惯性开关工作环境中还必然存在一些由冲击或振动产生的各种高频干扰信号。设计时，低g 值惯性开关的“弹簧- 质量”结构必须具备较低的固有频率，并辅以适当的阻尼条件[3]，从而使其结构本身可实现机械滤波，降低对振动或冲击等干扰信号的响应，避免惯性开关的误动作。传统的低g 值惯性开关一般采用精密机械加工，存在零件较多、装配复杂、体积较大等不足。MEMS 技术的发展和微加工水平的提高为研制体积小、综合性能更优的微惯性开关提供了技术支撑，因此采用MEMS 技术实现低g 值惯性开关具有重要的研究价值。

　　目前报导的大部分微惯性开关的闭合阈值均大于50gn，主要应用于高g 值加速度的冲击环境条件下[4 ～ 7]，关于低g 值微惯性开关的文献报道相对较少。郭涛[8]等人为解决金属接触可能导致的开关工作失灵，提出了一种低驱动电压的非接触式微加速度开关( 闭合阈值为5gn) ，进行了力电耦合理论计算和仿真分析验证，但并未给出试验验证。

　　Kwanghun Yoo 等人[9]利用金属液体( 水银) 密度大、导电性好等优点，研制了一种微液滴开关，通过改变微通道结构尺寸，可实现各种闭合阈值的设计。微液滴开关成功解决了常见机械触点式开关存在的接触电阻大、接触不可靠等问题，但体积仍相对较大，同时水银是剧毒材料，对人体和环境都具有较大的伤害。陈光焱等人[10]采用UV - LIGA 工艺成功研制了一种基于阿基米德螺旋线的低g 值微惯性开关，闭合阈值约为21. 3gn。但是，微电铸工艺制作的螺旋梁存在针孔和积瘤等缺陷、以及结构的机械强度和内应力等问题[11]，产品的成品率较低。本文采用缺陷非常少的单晶硅作为结构材料，结合MEMS 体硅加工工艺的特点，开发了一种基于平面矩形螺旋梁结构的低g 值微惯性开关，并进行了理论设计和分析。采用MEMS 体硅加工工艺和圆片级封装技术，完成了微惯性开关的制作，并对试验样品进行了离心试验测试和导通电阻测试。

　　1 结构设计

　　基于平面矩形螺旋梁结构的低g 值微惯性开关采用双触点结构，如图1 所示，由封盖、管芯、台阶和基底四部分组成。管芯为惯性敏感单元，是整个结构的核心部件，包括悬空的感知惯性加速度的方形质量块，和两根结构完全相同的低刚度平面矩形螺旋梁，三者组成低频的“弹簧- 质量”结构。带有浅槽的封盖用于限制质量块的反向运动，保护“弹簧- 质量”结构。台阶形成质量块和基底的初始间距Z0。平面矩形螺旋梁位于质量块厚度方向上的中心平面内，从而大大降低在非敏感方向上的加速度信号对惯性开关工作的干扰。考虑结构的加工工艺性，通过增加平面矩形螺旋梁的弯折圈数即梁的长度，从而有效地降低了梁在OZ 方向上的刚度，实现低频“弹簧- 质量”结构的设计。惯性开关的工作原理为: 在OZ 方向上惯性加速度的作用下，可动质量块向固定基底运动，当加速度达到闭合阈值时，质量块底面上的金属层与基底上的两个金属触点同时接触，从而提供开关导通信号。