撰稿| 由课题组供稿
A Novel Low-g MEMS Bistable Inertial Switch With Self-Locking and Reverse-Unlocking Functions：
Min Liu†1, Yingmin Zhu†1, Chao Wang1, Yu Chen, Yongle Wu, Hong Zhang, Yijia Du*, Weidong Wang*1
1 School of Mechano-Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China
Journal of Microelectromechanical Systems. 1057-7157 © 2020 IEEE.
https://doi.org/10.1109/JMEMS.2020.3032586.
本文亮点
1. 提出了一种纯机械两级结构的低g值（<10 g）MEMS惯性开关，驱动力为纯惯性力（无源驱动）,有效提高了惯性开关的抗电磁干扰能力。
2. 基于双稳态机制，实现了MEMS惯性开关的自锁和反向解锁的双重功能。
3. 在SOI硅片上采用特定的深反应离子刻蚀（DRIE）、Bosch工艺和晶圆键合技术实现开关制备。
惯性开关作为一种集传感与执行于一体的惯性器件，通过感知加速度信号来执行开关动作。在汽车工业，航空航天和武器装备产品等领域都有许多应用。 随着对惯性开关应用环境要求的不断提高，MEMS惯性开关因其体积小，重量轻，功耗低等独特特征而受到越来越多的关注。工程实际要求的加速度开关应该具备一定的抗干扰能力，因此开关on-off动作应该稳定且响应速度快，开关闭合后触点位置应满足接触压力的要求。传统的弹簧-质量块MEMS加速度开关一般难以满足上述要求，因此MEMS开关的设计中经常引入静电力、磁力、电热等辅助力进行致动，这样便会降低开关的抗电磁干扰能力。对于低g值惯性开关，目前已有研究实现，但是开关不具备自锁功能，实现自锁需要依靠外力（静电力、电磁力）辅助完成，或者采用特定卡扣结构实现自锁，此时开关便很难实现反向的自解锁功能。
本研究基于双稳态机制，提出了一种新型的具有自锁和反向解锁双重功能的低g值MEMS惯性开关，该MEMS开关通过深反应离子刻蚀（DRIE），Bosch工艺和晶圆键合技术在绝缘体上硅（SOI）晶圆上制造。为了实现该开关的双重功能，提出了一种两级系统，第一级为弹簧-质量-阻尼系统，第二级为双稳态结构。该惯性开关通过离心加速度转台进行正反向阈值测试，其正向自锁阈值和反向解锁阈值分别为8g和105g。
图文展示1：惯性开关整体设计
a Schematic and geometric parameters of the designed MEMS bistable inertial switch with two-level structure. (a) The 3D sketch of the bistable inertial microswitch. (b) The parameters of the driving mass and the proof mass of the inertial switch in the front view. (c) The detail parameters of the spring beam. (d) The parameters of a bistable beam. (e) The detail parameters of the electrode. b The potential energy (a) and the force-displacement curve (b) of the bistable structure.
a两级结构的MEMS双稳态惯性开关的示意图。（a）双稳态惯性开关的3D图（b）惯性开关的主视图（驱动质量块和敏感质量块）（c）弹簧梁（d）双稳态梁（e）电极 b 双稳态结构的(a)势能、(b)力与位移特性曲线
新型低g值MEMS惯性开关采用两级结构，第一级为弹簧-质量-阻尼系统，第二级为双稳态结构第二级。双稳态结构的特性曲线图b所示，具有双阱结构。两个局部极小值的存在表明在运动范围内有两个稳定的平衡状态。惯性开关在敏感方向上受到一定阈值的正向加速度激励，第一级驱动质量块将推动第二级敏感质量块沿与加速度相反的方向移动，从而双稳态结构从第一稳态跳转至第二稳态，惯性开关闭合，敏感质量块与外壳保持稳定接触自锁，当受到反向足够大的加速度激励，第二级敏感质量块与外壳断开连接，开关解锁。
图文展示2：惯性开关制备工艺流程
a Optical microscope image of the bistable inertial switch. b Fabrication process of silicon-based bistable inertial MEMS switch. c The geometric parameters of the designed inertial switch
a 双稳态惯性开关的光学显微镜图像 b 硅基双稳态惯性MEMS开关的制造工艺 c 惯性开关的设计参数
制备过程中有两个难点：（1）由于块体厚度较大，因此采用高纵横比的Bosch工艺以确保蚀刻的垂直性；（2）工艺过程中的残余应力使硅晶片发生翘曲，第（9）步骤采用晶片键合技术可以减弱残余应力，同时实现块体结构厚度要求（616 μm）。
图文展示3：惯性开关测试平台
(a) The test platform for the bistable inertial switch. (b) The switch holder and packaged switch. (c) The structure and whirling schematic diagram of turntable. (d) The optical microscope is used to observe the switch state.
(a) 双稳态惯性开关的测试平台 (b) 开关支架和包装好的开关 (c) 转台的结构和旋转示意图 (d) 使用光学显微镜观察开关状态。
MEMS惯性开关的测试在无尘环境中进行，测试平台需要提供超过100g的加速度，因此本研究设计了一种特定的加速度测试平台。测试平台主要包括转盘，驱动器和电源。利用转台旋转产生离心力的方法为开关提供正反向加速度激励，惯性开关被夹持在托架两端的夹具中。当转盘随电机以一定速度旋转时，开关器件受到垂直于运动方向的离心加速度，当需要测试开关的反向解锁功能时，只需改变开关器件的固定方向即可，则可以获得反向的解锁加速度。
图文展示4：惯性开关自锁和反向解锁功能及接触电阻测试
(a) The applied acceleration for switch closure. (b) The “on” station of the MEMS inertial switch. (c) The applied acceleration for switch open. (d) The “off” station of the MEMS inertial switch.
(a) 开关正向闭合加速度激励 (b) 惯性开关接通“on”状态 (c) 开关反向断开加速度激励 (d) 开关反向断开“off”状态
本研究中MEMS惯性开关正向测试起始时的加速度设置为4g，步长选择为2g，当加速度达到8g时，开关第二级结构已经跳转到了第二稳定状态。开关的闭合加速度是6g。在反向解锁测试中，初始加速度设置为80g，步长为5g。当加速度达到100g时，将阶跃调整为1g。直到双稳态开关解锁，最终反向加速度为105g时，开关断开。实验证明该MEMS惯性开关具备低g值正向闭合，高g值反向解锁功能。
作者单位简介
Min Liu (刘敏) 第一作者
Yingmin Zhu (朱应敏) 共同第一作者
Weidong Wang (王卫东) 通讯作者
wangwd@ mail.xidian.edu.cn
Yijia Du (杜亦佳) 通讯作者
duyijia@mtrc.ac.cn
实验室介绍：
本实验室为西安电子科技大学机电工程学院的微纳机电系统研究中心，主要从事微纳机电系统(MEMS/NEMS)和微纳制造与微纳力学的研究。微纳机电系统主要研究微机电系统和纳机电系统中相关机理和特性，包括微纳传感器、微纳作动器和柔性传感器的设计、仿真分析、加工工艺和测试技术等。微纳制造与微纳力学主要研究微纳制造、微纳力学及表征技术，研究低维(1D和2D)纳米材料力学、电学特性及其表征方法。
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