工藝誤差下MEMS慣性觸發開關的閾值特性研究

易振匯,曹 云,聶偉榮,席占穩

(南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京 210094)

0 引言

MEMS慣性觸發開關作為一種典型的慣性傳感與驅動機構,已經成為國內外MEMS領域的研究熱點。相對于傳統機械加工的慣性開關其優勢明顯,并且在很多場合可以取代MEMS加速度計的復雜系統,具有廣泛的應用前景。在現在的MEMS器件設計中,通常采用參數化設計加仿真驗證的方法,但在樣機加工出來后,其設計目標與實際樣機的性能往往具有較大差異,除了由于工藝產生的加工誤差,在設計仿真時,由于仿真參數與實際參數不一致產生的誤差也不可忽視。

不少學者從尺寸與材料特性角度分析了工藝誤差的來源與影響,文獻[1]研究了微彈簧各結構參數的加工誤差對彈簧性能的影響;文獻[2]加工了用于拉伸測試的樣件,采用拉伸法與納米壓痕測試法對電鍍鎳的材料特性進行了測量;文獻[3]研究了不同溫度下LIGA 鎳的材料特性;文獻[4]等研究了在電鍍金屬鎳時電流對彈性模量的影響;文獻[5]從微觀孔隙度分析了電鍍時對彈性模量的影響規律,并給出了經驗公式。

尺寸與彈性模量是影響MEMS器件性能的重要因素,而這種薄膜器件的性能十分依賴加工工藝,制造后的器件尺寸和彈性模量等參數往往與設計時相差較大,且不同批次下的同種樣機也會有所差異,同時加工出來用于測試的樣件與制造的MEMS器件材料參數有時也不一致。本文測試了采用UV-LIGA工藝制作的MEMS萬向慣性開關樣機,發現測試后的實際閾值與當初的設計閾值相差較大,測量了各主要尺寸結構的參數與樣機的彈性模量,分析了結構誤差與彈性模量誤差對閾值性能的影響與誤差來源。

1 器件設計與制作

本文設計的慣性開關主要由彈簧、質量塊、固定電極、止擋柱等部件組成。采用4個S形錐彈簧支承圓形質量塊,這種彈簧具有良好的壓桿穩定性與抗共振性能[6];周圍采用4個對稱布置的外接觸電極,保證各向接觸一致性;中間增加圓柱形止擋柱,可以有效提高器件的抗高過載性能。其具體結構如圖1所示,其中質量塊具有加速度敏感性,在外界沖擊加速度載荷作用下,質量塊產生與加速度方向相同的位移,當載荷足夠大時,質量塊與固定電極碰撞形成導通的電路,實現對外接電路的信號傳遞。

圖1 MEMS慣性開關Fig.1 MEMS inertial switch

該開關以非硅表面微加工技術為基礎,采用成本較低且方便使用的多層UV-LIGA工藝制作,選擇銅作為種子層材料,SU-8膠作為犧牲層材料,鎳作為器件結構材料,進行多次涂膠、光刻、濺射和電鍍等步驟[7-8],最后得到如圖1所示的多層鎳基結構器件。

2 加速度閾值測試實驗

動態特性實驗測試平臺由馬歇特擊錘系統和數據采集系統組成。被測開關和加速度計通過夾具固定于錘頭上;加速度計用于測量器件所受到的加速度沖擊,靈敏度為1 mV/g。被測開關、直流電源(5 V)和電阻(10 kΩ)按照分壓電路串聯,電荷放大器放大加速度計上的電信號,信號采集器采集電阻和信號放大器上的電信號反饋給計算機。當錘頭從一定高度落下與緩沖墊撞擊時,可以產生半正弦沖擊加速度,通過調節錘頭高度與緩沖墊厚度,可以產生幅值和脈寬不同的沖擊加速度。測試系統如圖2所示。測試時逐漸抬高每次馬歇特錘抬升的高度,以增加沖擊加速度大小,直到開關閉合,此次下落沖擊產生的半正弦加速度即為開關的閾值。

圖2 動態特性實驗測試平臺與測試方向基準Fig.2 Dynamic characteristics experimental test platform and test direction benchmark

以x軸方向為0°,y軸方向為90°,從0°開始,每間隔45°取一個方向,測量從0°～360°方向的8個方向閾值。圖3為被測樣機在0°,45°,90°,135° 4個方向的閾值動態特性實驗信號圖,其中CH1為加速度計反饋回來的加速度信號,CH2為慣性開關樣機反饋的電壓信號。圖3(e)與表1為所有方向的閾值測試結果。

表1 閾值測試結果Tab.1 Threshold test results

圖3 不同角度下的閾值測試結果Fig.3 Threshold test results at different angles

與設計值相對比,開關的設計閾值是300～424g,而測試得到的閾值范圍在361～763g,相對誤差在20%～80%,二者偏差較大;從分布上看,在圖3(d)中可以觀察出測試結果與設計閾值具有相近的分布結構,但在0°與180°方向上的實際閾值大小相似,在90°,225°與270°方向上的實際閾值卻相差較大,其散布中心明顯偏向于-Y軸方向。

由于這種薄膜類金屬制造技術的工藝特性,加工后的一些參數往往與當初設計時有出入,其顯著誤差通常在于尺寸與彈性模量兩個方面,本文將從結構工藝誤差和材料參數兩方面進行誤差分析。

3 誤差分析

3.1 結構尺寸誤差分析

使用高倍工具顯微鏡對樣機的徑向尺寸進行測量,主要測量位置如圖4所示,分別測量了質量塊外徑R1,質量塊內徑R2,質量塊上的工藝孔半徑R3,電極質量塊間隙d,彈簧短梁長度L1,彈簧長梁長度L6,彈簧線寬b,彈簧轉彎內徑r等尺寸,其中彈簧的參數測量在4個彈簧中各測量5組線寬與轉彎半徑數據后取平均值。經統計后得到主要尺寸參數如表2所示。

表2 被測樣機主要尺寸的工藝誤差Tab.2 Process errors of the main sizes of the tested prototype

圖4 質量塊和彈簧測量尺寸Fig.4 Measurement size of mass block and spring

由表2可知,開關的主要實體結構尺寸基本都為正偏差,絕對誤差大部分都在±10 μm以內,結構尺寸越大,則加工后的相對誤差越小,而關鍵尺寸(電極間隙寬度d、彈簧線寬b)的結構尺寸都比較小,相對誤差較大;其次對于長寬比較大的長梁L6,其長度尺寸不管是絕對誤差還是相對誤差都十分明顯。

(1)

由閾值公式[9]可以得出,質量塊主要通過質量大小影響閾值范圍,在總體質量較大的情況下,質量塊外徑R1,質量塊內徑R2,質量塊工藝孔孔徑R3尺寸在只有±10 μm的誤差下對總體質量影響十分微小,對閾值性能影響也十分小。而彈簧線寬b對彈簧剛度影響較大,彈簧剛度直接影響到器件的固有頻率,其對閾值有較大影響。電極間隙在式(1)中與閾值成正比例關系,故電極間隙誤差也將直接影響到閾值誤差[10]。

其中0°方向的電極間隙d1與180°方向的電極間隙d3偏差較為相近,偏差在3.5～6 μm之間,90°方向的電極間隙d2偏差較小,而270°方向的電極間隙較大,說明在Y軸方向質量塊存在偏心誤差,質量塊中心更靠近+Y軸方向,這與閾值實驗得到的結論一致。

3.2 材料參數誤差分析

本文采用納米壓痕儀直接測量法與微推力計倒推法兩種方法來測量樣機的彈性模量。由于電鍍鎳的加工工藝導致每一批次器件的彈性模量都有所差異,單獨加工出來用于測試的樣件與實際制造的器件材料屬性往往也有所出入,故本文直接對加工好的樣機進行彈性模量測量與分析。

3.2.1納米壓痕儀測量法

納米壓痕技術能在微米甚至納米尺度下測量材料的性能[11-12],不需要制備單獨用于測試的樣件,很適合用于測量MEMS器件這種厚度只有幾百微米的微小型器件。納米壓痕技術是利用特定的剛性壓頭壓入被測對象表面,圖5(a)為納米壓痕儀整體照片,其原理為通過測量壓頭的載荷與位移,得到材料表面的載荷-位移曲線,可以有效測出材料的硬度、彈性模量等力學特性。為方便測量以及提高精準度,測量位置均選取在寬度較寬的錨點上,4個測量點如圖5(b)所示,其中放大圖為測試過程中產生的壓痕,圖5(c)為4次試驗的載荷-位移曲線。

圖5 納米壓痕實驗過程及結果Fig.5 Procedure and result of nano-indentation experiment

測量結果如表3所示,由表中可知本次試驗的樣品彈性模量均值為161.7 GPa,但散布較大,影響其測量結果的主要原因有:1) 樣機由UV-LIGA工藝制作,材料為電鍍鎳,其表面粗糙度較大[13],當探針壓頭尖端與粗糙表面高峰接觸時,其測試結果會偏小,反之則測量結果會偏大,其粗糙度越高則測量結果的散布越大[14];2) 樣品表面在空氣中暴露的時間過久,表面形成松軟的氧化層,當探針壓頭尖端壓到氧化層時,同樣會影響測試結果。

表3 硬度和彈性模量測量結果Tab.3 Hardness and elastic modulus measurement results

3.2.2微推力計測量法

微推力計測量法是采用微推力計直接測量得到彈簧剛度,再結合前面測量得到的彈簧具體尺寸通過公式推算出該樣機的彈性模量。由于彈性模量的變化直接影響到彈簧的剛度,而樣機的閾值取決于彈簧的剛度與質量塊的質量,故從彈簧剛度變化推算其彈性模量變化具有一定的理論依據。

微推力計實驗平臺由顯微鏡、微推力計和控制電腦三部分組成,圖6(a)為微推力計與顯微鏡,右上角放大圖為微推力計上的力傳感器與被測器件,左下角為實驗過程的SEM圖。實驗原理及過程如下:控制微推力計針頭貼近質量塊上表面,讓針頭緩慢下移,向下推動懸空的質量塊,向下的加載速度為1 μm/s,通過針頭上的力傳感器測量針頭受力F,采樣速率為10 Hz,通過分析整體的彈簧質量系統的受力-位移曲線即可得到單個彈簧的剛度。

圖6 微推力計試驗平臺和結果Fig.6 Test platform and rusult of the microthrust meter

假設4個彈簧剛度一致且均為k,則可以得出k與F,x的關系式為

(2)

式(2)中,F為微推力計施加的力,x為微推力計測得的位移,R為質量塊半徑,D為受力點與中心的偏心距。S型錐形彈簧的剛度公式為[7]

(3)

式(3)中,E為彈性模量,h為彈簧厚度,b為彈簧寬度,n為彈簧段數,L1為第一段彈簧長度,Ln為第n段彈簧長度,r為彈簧轉彎半徑。聯立式(2)、式(3)即可根據F與x的關系得到彈性模量E:

(4)

兩次不同偏心距d測得的F-x曲線如圖6(b)所示,根據其曲線計算出來的彈性模量為155.6 GPa和149.3 GPa,與納米壓痕儀得到的彈性模量均值接近。

對該實驗進行有限元仿真驗證,仿真模型參數為實際測量尺寸,采用的材料參數為:彈性模量160 GPa,密度8 910 kg/m3,泊松比0.312。在離質量塊中心距離d處加載1 mN的載荷,得到變形曲線如圖6(b)所示,與試驗數據的一致性較高,故可以認為得到的彈性模量比較準確。

3.2.3彈性模量誤差對開關閾值特性的影響分析

1) 彈性模量誤差來源

在電鍍過程中,電鍍的溫度、溶液濃度以及電流密度都會影響到被鍍薄膜的微觀結構與力學性能[4]。由于電鍍溫度的升高與電流密度的加大,容易電解出更多的硫酸鹽與銨離子,會在電鍍薄膜內形成大量空隙,其空隙越多彈性模量越小。在電鍍溫度為60 ℃、電流密度在2 mA/cm2時,其電鍍層的彈性模量與塊狀鎳相近,可以達到205 GPa;而當電鍍溫度為80 ℃或電流密度為30 mA/cm2時,其彈性模量會迅速降低到100 GPa以下。這種變化會嚴重影響到加工器件的性能。

2) 彈性模量誤差對慣性開關閾值的影響

采用有限元仿真分析彈性模量材料參數對開關閾值的影響,所用材料參數與3.2.2節材料參數一致。開關模型參數與3.1節初始基準模型一致。

在不改變其他尺寸的情況下僅改變彈性模量參數觀察樣機模型的閾值變化。彈性模量參數變化對閾值的影響如圖7所示。

圖7 彈性模量與閾值關系圖Fig.7 Relation between elastic modulus and threshold value

由圖7可知彈性模量對閾值影響較大,且彈性模量越大閾值越大。所用工藝彈性模量在100～220 GPa波動時,在0°方向上閾值的變化會到達±90g,在45°方向上閾值的變化會到達±120g。這種由于工藝產生的誤差導致設計性能與實際性能相差較大,極大地增加了MEMS器件的二次設計與制造的成本。

4 誤差下的動態仿真分析

從尺寸誤差與彈性模量誤差兩方面對MEMS慣性開關的閾值特性進行測試與分析后,采用實驗測量得到的參數對于其進行建模與仿真,檢驗仿真與試驗的一致性。所用材料參數與3.2.2節材料參數一致,尺寸參數采用表2中的測量均值。仿真結果與實際測試值對比如表4所示,圖8給出了設計值,仿真結果與實驗結果的對比圖。

表4 仿真結果與實際測試值對比Tab.4 Comparison between simulation results and actual test values

圖8 實際測量閾值、設計閾值與修正誤差后仿真閾值對比圖Fig.8 Comparison of the actual measured threshold,the design threshold and the simulated threshold after error correction

可以從圖表中看出在經過重新測量參數優化后的仿真結果與實際測量結果具有一致性,除了225°方向存在異常,其誤差均在5%以內,屬于可以接受的范圍。在225°方向產生較大誤差的原因可能有以下幾點:1) 在計算推導時假設4根支撐彈簧完全一致,但實際情況與假設并不完全相符,4根彈簧的剛度有所差異,且單個彈簧的每一段線寬也會有所差異;2) 由于電極與質量塊并不在同一平面,無法使兩邊同時對焦,容易產生測量誤差;3) 電極末端有微小突起,在實際接觸時可能會虛接,電極與質量塊之間的壓力較小時電路可能不會導通。

5 結論

本文對MEMS慣性觸發開關存在的工藝誤差進行了研究。從結構與材料參數兩方面分析了其誤差來源與產生機理,并進行了考慮工藝尺寸與彈性模量的仿真分析,得到的仿真結果準確性較高。得到如下結論:

1) MEMS慣性開關在設計時的閾值與實際加工后的閾值明顯具有較大偏差,其誤差主要來源于結構參數誤差與材料參數誤差,其中電極間隙、彈簧線寬與彈性模量誤差對該誤差具有較大影響,而其他參數的誤差影響較小;

2) 所測試的MEMS慣性開關工藝尺寸偏差基本為正偏差,使得加工后開關得實際閾值明顯大于設計值,且在Y軸方向具有明顯偏心誤差;

3) 實際測量得到的材料屬性彈性模量在160 GPa,比設計時所用的塊狀鎳彈性模量低,會導致開關的實際閾值降低,在一定程度上抵消了由于工藝尺寸產生的偏差。