基于非硅衬底微机电系统惯性开关研制

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1、学兔兔www.xuetutu.com第45卷第3期机械工程学报VO1．45NO．32009年3月JOURNAL0FMECHANICALENGINEERINGMar．2009DoI：10．3901／JME．2009．03．156基于非硅衬底的微机电系统惯性开关的研制水蔡豪刚杨卓青丁桂甫刘瑞f上海交通大学微纳科学技术研究院上海200240)摘要：以非硅表面微加工技术为基础，在玻璃衬底上设计和制造一种简单可靠并有反向冲击保护的单向一次触发微机电系统(Microelectro．mechanicalsystem，MEMS)惯性电学开关。该设计采

2、用连体蛇形弹簧将可动电极(质量块)悬空固定，用挡块作为反向冲击保护，其敏感方向为平行于衬底面的水平方向，整个器件使用成本较低而又方便的叠层电镀镍工艺制作。通过对弹簧一质量块系统运动过程的理论分析和有限元仿真，研究器件阈值加速度与其质量块厚度的关系，并用落锤试验对封装器件的阈值加速度以及峰值为1O(g一9．8m／s)半正弦冲击下的响应进行了测试，得到该微开关的阈值加速度分布在58g～72g，基本符合预期设计的60g阈值加速度要求，响应时间约为10-4S量级，与有限元仿真结果吻合较好。关键词：惯性开关微机电系统非硅表面微加工阈值加速度仿真

3、中图分类号：TH703DevelopmentofaMEMSElectricalInertiaMicro-switchBasedonNon．siliconSubstrateCAIHaogangYANGZhuoqingDINGGuifuLIURui(ResearchInstituteofMicro／NanometerScienceandTechnology,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240)Abstract：Basedonnon-siliconsur~cemieromachiningtec

4、hnology,asimplebutreliablemicroelectro-mechanicalsystem(MEMS)electricalinertiamicro—switchwithsinglesensitivedirectionandreverseimpactprotectionisdesignedandfabricatedonglasssubstrate．Inthisdesign，conjoinedserpentinespringsareusedtofixandsuspendthemobileelectrode(mass)a

5、ndblocksareusedtoprotectthedeviceagainstreverseimpulse．Theswitchislaterallydriven(i．e．itssensitivedirectionisparalleltothesubstrate)．Fabricationiscarriedoutbylow-·costandconvenientmulti·-layerelectroplatingtechnology．Therelationshipbetweenthresholdaccelerationandmassthi

6、cknesshasbeeninvestigatedbytheoreticalanalysisandfiniteelementanalysis(FEA)simulation．Afterfabricationandpackaging，micro-switchesaretestedbyusingdropweight．Theresultsshowthatthethresholdaccelerationsdistributebetween58gand72g，whichbasicallyfulfilstheexpected60g；andthere

7、sponsetimeto100ghalf-sinewavedshockisintheorderof10S，whichisina~eementwithsimulationresult．Keywords：Inertiamicro—switchMicroelectro—mechanicalsystemNon-siliconsurfacemicromachiningThresholdaccelerationSimulation度作用下沿其敏感方向快速运动，碰向固定电极，0前言从而实现对外接电路的通断。采用微机电系统(Microelectro-

8、mechanicalsystem，MEMS)技术制造惯性开关作为一种特殊的加速度传感器，已被的惯性开关具有体积小、成本低以及批量生产的优广泛地应用于玩具、附件、汽车等工业领域卜以及点，其常见的制造工艺有以下两种。一种采用