一種Z型梁結構的微慣性開關的制作方法

本實用新型屬于微機電系統技術領域，具體涉及一種Z型梁結構的微慣性開關。

背景技術：

低g值慣性開關敏感慣性加速度，并在慣性加速度達到設定閾值時開關狀態改變，即常開觸點導通或者常閉觸點斷開，可以用來觸發控制電路，廣泛運用于汽車安全控制、工業生產安全控制、飛行器飛行過程狀態監測等領域。傳統的機密機械慣性開關結構較復雜，通常由尺寸精度要求高的球、彈簧、針、螺釘等零件組裝而成，所以尺寸較大、加工裝配成本高、周期長，且容易發生機械失效。采用MEMS技術研制的低g值微慣性開關不需要加工多個零件后組裝，而是采用微機械加工技術在硅片上通過光刻、腐蝕等工藝在同一硅片上加工出質量塊和彈簧，慣性開關的運動間隙也由腐蝕加工而成，具有體積小、重量輕以及不需精密裝配可批量生產等優點。

低g值微慣性開關結構上主要有兩種，一種是質量塊敏感方向在面內，一種是質量塊敏感方向垂直硅片表面。第一種如2014年2月出版的《Microelectronic Engineering》第127期雜志中“Fabrication of a novel contact-enhanced horizontal sensitive inertial micro-switch with electroplating nickel” (P21-27)一文中報道的電鑄鎳折疊梁結構微慣性開關，質量塊厚60um、折疊梁厚15um的，開關動作閾值約18g，但由于開關觸點與結構層材料均為鎳，所以慣性開關導通電阻較大，另外采用折疊彈簧梁面內運動方向彈性系數難以做小，慣性開關的一階諧振頻率，振動環境中容易出現誤動。第二種如中國2009年6月出版的《光學精密工程》第17卷第6期雜志中“Low-g micro inertia switch based on Archimedes’s spiral”(P1257-1261)一文報道的一種基于阿基米德螺旋線的微慣性開關，開關動作閾值約21g，但由于采用單根阿基米德螺旋梁且厚度與質量塊相同，觸點接觸為線接觸，接觸可靠性低，導通電阻大；中國2011年5月出版的《傳感器技術學報》第24卷第5期雜志中“基于MEMS技術的低g值微慣性開關的設計與制作”一文中報道的一種基于矩形螺旋梁的微慣性開關，開關閾值約4.28g，但矩形螺旋梁應力較大且由于質量塊四周均為梁結構，不能制作抗橫向過載防護結構，矩形螺旋梁太長也會導致在較高過載下梁本身的慣性力不能忽略，在較強振動沖擊下梁會由于自身慣性力作用而發生斷裂，所以這種低g值慣性開關抗振動沖擊能力較差。

為了適應某些運用背景下沖擊環境的要求，有必要研制一種抗沖擊過載能力強的低g值微慣性開關。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種Z型梁結構的微慣性開關。

本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關，其特點是，所述的微慣性開關包括蓋板、結構層和基底，

所述蓋板、結構層、基底由上至下通過鍵合連接，蓋板和基底的材料為玻璃，結構層的材料為硅；

所述的結構層包括質量塊、Z型梁和硅框，結構層的中心為圓柱形的質量塊，結構層的內圈中空，結構層的外圈為矩形的硅框；所述的質量塊的下表面中心覆蓋有接觸電極；在結構層的內圈中，每2個對稱排列的Z型梁形成1組，多組Z型梁環繞質量塊周向均勻分布，Z型梁的兩端分別固定在質量塊和硅框上，Z型梁將質量塊支撐在硅框中心；

所述的蓋板的下表面有與質量塊對應的圓形凹槽I，圓形凹槽I約束質量塊向上的運動位移，圓形凹槽I內覆蓋有金屬薄膜I；

所述的基底的上表面有與質量塊對應的圓形凹槽II，圓形凹槽II約束質量塊向下的運動位移，圓形凹槽II分布有開關電極I、開關電極II。

所述的金屬薄膜I周向上凸出有窄金屬條I，窄金屬條I伸出圓形凹槽I的邊界，在蓋板、結構層和基底進行硅-玻璃靜電鍵合時，窄金屬條I連接到硅框上，實現金屬薄膜I與質量塊的等電位連接，避免質量塊吸合到蓋板上；所述的金屬薄膜I上沿周向開有弧形區域，減少質量塊向上運動時，質量塊的上表面的圓形棱邊碰撞金屬薄膜I產生的金屬薄膜I的破損。

所述的質量塊沿周向均布有缺口，Z型梁的端點在缺口內與質量塊相連，缺口之間有阻擋凸臺II，阻擋凸臺II與硅框上對應分布的阻擋凸臺I一起限制質量塊的橫向位移；所述的Z型梁的厚度小于質量塊的厚度，Z型梁的上下對稱中心平面與質量塊的上下對稱中心平面重合，Z型梁的中間段是與質量塊同心的圓弧，Z型梁兩端的直線段的延長線指向質量塊的圓心。

所述的基底的上表面開有與圓形凹槽II深度相同、出口邊沿相連的矩形凹槽；所述的矩形凹槽內并行分布有焊盤I和焊盤II，焊盤I與開關電極I連通，焊盤II與開關電極II連通；所述的圓形凹槽II上均布有多個接觸凸點，接觸凸點分為2組，一組與開關電極I連通，另一組與開關電極II連通；所述圓形凹槽II內的金屬薄膜II通過窄金屬條II連接到圓形凹槽II外面、開關電極I和開關電極II通過窄金屬條III連接到圓形凹槽II外面，實現基底各區域與結構層均形成等電位。

所述接觸凸點高度為幾微米至幾十微米，任意相鄰的兩個接觸凸點分別連接開關電極I和開關電極II，多個接觸凸點中只要任意相鄰的兩個接觸凸點導通，開關就導通。

本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關中的基底上制作凹槽，以產生開關中質量塊行程，凹槽內制作有開關電極I和開關電極II。在工作時，結構層中的質量塊感受過載，克服彈簧彈性恢復力，并在慣性力作用下往基底凹槽內開關電極方向運動，當過載值超過開關導通閾值時，質量塊與基底凹槽內開關電極發生接觸，質量塊上的接觸電極將開關電極I和開關電極II短接，開關導通。慣性開關導通閾值可以通過調整質量塊-彈簧系統運動模態的諧振頻率和基底凹槽行程實現。

本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關中的質量塊為圓形結構并通過多組Z型梁連接到硅框上。質量塊上開缺口，Z型梁在缺口內與質量塊相連，同時Z型梁的中間段采用與質量塊同圓心的圓弧形， Z型梁的另外兩段梁的延長線通過圓形質量塊圓心。Z型梁的厚度遠小于質量塊厚度，其厚度方向的中心平面與質量塊厚度方向的中心平面重合，這樣質量塊-彈簧結構在厚度方向完全對稱，在橫向過載作用下質量塊不會在敏感方向發生位移，可以減小橫向過載對開關敏感方向導通閾值的影響。同一組Z型梁中的兩根Z型梁沿質量塊徑向對稱分布，一方面可以提高結構對稱性，另一方面也可以減小同一組Z型梁所占空間。多組梁沿圓形質量塊周向對稱分布。圓形質量塊周向對稱有多個阻擋凸臺，與硅框上的阻擋凸臺一起，用于限制圓形質量塊在橫向過載下的位移，提高質量塊-彈簧結構的抗橫向過載能力。

本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關中的蓋板帶有圓形凹槽，凹槽尺寸不小于質量塊徑向最大尺寸，避免蓋板約束質量塊正常的運動。圓形凹槽內制備有金屬薄膜，金屬薄膜通過窄金屬條連接到蓋板凹槽外面，當硅-玻璃靜電鍵合時，窄金屬條位于硅-玻璃鍵合面內，這樣就實現了凹槽內金屬薄膜與硅層的連接，即凹槽內金屬薄膜電位與質量塊-彈簧結構基本相同，減小了靜電鍵合時質量塊與蓋板凹槽之間的靜電力，避免靜電鍵合時質量塊吸合到蓋板上。蓋板凹槽內金屬薄膜盡可能避開質量塊棱邊，避免質量塊棱邊碰撞金屬薄膜而發生金屬薄膜脫落。

本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關中的基底帶有圓形凹槽和矩形凹槽，圓形凹槽尺寸與蓋板中圓形凹槽尺寸基本相同，矩形凹槽與圓形凹槽相連，并通過矩形凹槽將開關觸點電極引出。圓形凹槽內與質量圓型結構對應區域有多個對稱分布的圓形接觸凸點，可以提高質量塊上接觸電極與開關觸點的接觸可靠性。圓形凹槽內制備有觸點電極，通過觸點電極的布局使得相鄰兩個接觸凸點分別連接開關不同兩極，這樣多個接觸凸點中只要任意相鄰的兩個導通，開關就導通，可以提高開關的接觸可靠性。為了減小硅-玻璃鍵合時質量塊-彈簧結構與基底之間的靜電力，一方面開關觸點電極也通過窄金屬條連接到凹槽外的鍵合面，實現鍵合時觸點電極與質量塊-彈簧結構的等電位，另外在基底凹槽內觸點電極之外也制備有金屬薄膜，金屬薄膜通過窄金屬條連接到鍵合面間，從而實現基底凹槽更大面積區域與質量塊-彈簧結構之間形成等電位，避免靜電鍵合時發生吸合。

本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關是一種采用MEMS技術加工的低g值微慣性開關芯片，質量塊為圓形結構且有阻擋凸臺，與硅框上的阻擋凸臺一起，能夠限制質量塊的橫向位移，提高慣性開關抗橫向過載的能力以及抗振動沖擊的環境適應能力，解決多圈螺旋彈簧梁不能進行橫向位移約束的問題；彈簧結構為Z型梁，且厚度遠小于質量塊厚度，在有較小的剛度同時，本身質量小，占空間小，能夠解決多圈螺旋梁質量大、梁本身抗沖擊能力差的問題；多個接觸凸點沿軸向均勻分布，且相鄰兩個觸點分別連接到不同的開關電極，只要質量塊上的接觸電極將任何兩個相鄰觸點導通，開關即導通，提高了開關的接觸可靠性；觸點電極以及等電位金屬薄膜盡可能避開了質量塊的棱邊，減小了質量塊棱邊對金屬薄膜的破壞，提高了金屬薄膜的穩定性。本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關適用于汽車與工業生產安全控制和飛行器狀態監測等場合。

附圖說明

圖1 為本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關合成圖；

圖2為本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關分解圖；

圖3為本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關中的蓋板示意圖；

圖4 為本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關中的結構層示意圖；

圖5 為本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關中的基底示意圖；

圖中，1.蓋板 2.結構層 3.基底 4.開關電極I 5.開關電極II 20. Z型梁 21. 質量塊 22.硅框 30.窄金屬條I 31.金屬薄膜I 32. 弧形區域 33.圓形凹槽I 34. 矩形缺口I 40.接觸電極 41.阻擋凸臺I 42. 阻擋凸臺II 50.窄金屬條II 51.金屬薄膜II 52.矩形缺口II 53.接觸凸點 54.圓形凹槽II 55.矩形凹槽 56.焊盤II 57.窄金屬條III 58.焊盤I。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本實用新型。

如圖1-圖5所示，本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關包括蓋板1、結構層2和基底3，所述蓋板1、結構層2、基底3由上至下通過鍵合連接，蓋板1和基底3的材料為玻璃，結構層2的材料為硅；

所述的結構層2包括質量塊21、Z型梁20和硅框22，結構層2的中心為圓柱形的質量塊21，結構層2的內圈中空，結構層2的外圈為矩形的硅框22；所述的質量塊21的下表面中心覆蓋有接觸電極40；在結構層2的內圈中，每2個對稱排列的Z型梁20組成1對Z型梁模塊，多對Z型梁環繞質量塊21周向均勻分布，Z型梁20的兩端分別固定在質量塊21和硅框22上，Z型梁20將質量塊21支撐在硅框22中心；

所述的蓋板1的下表面有與質量塊21對應的圓形凹槽I33，圓形凹槽I33約束質量塊向上的運動位移，圓形凹槽I33內覆蓋有金屬薄膜I31；

所述的基底3的上表面有與質量塊21對應的圓形凹槽II54，圓形凹槽II54約束質量塊向下的運動位移，圓形凹槽II54分布有開關電極I4、開關電極II5。

所述的金屬薄膜I31周向上凸出有窄金屬條I30，窄金屬條I30伸出圓形凹槽I33的邊界，在蓋板1、結構層2和基底3進行硅-玻璃靜電鍵合時，窄金屬條I30連接到硅框22上，實現金屬薄膜I31與質量塊21的等電位連接，避免質量塊21吸合到蓋板1上；所述的金屬薄膜I31上沿周向開有弧形區域32，減少質量塊21向上運動時，質量塊21的上表面的圓形棱邊碰撞金屬薄膜I31產生的金屬薄膜I31的破損。

所述的質量塊21沿周向均布有缺口，Z型梁20的端點在缺口內與質量塊21相連，缺口之間有阻擋凸臺II42，阻擋凸臺II42與硅框22上對應分布的阻擋凸臺I41一起限制質量塊21的橫向位移；所述的Z型梁20的厚度小于質量塊21的厚度，Z型梁20的上下對稱中心平面與質量塊21的上下對稱中心平面重合，Z型梁20的中間段是與質量塊21同心的圓弧，Z型梁20兩端的直線段的延長線指向質量塊21的圓心。

所述的基底3的上表面開有與圓形凹槽II54深度相同、出口邊沿相連的矩形凹槽55；所述的矩形凹槽55內并行分布有焊盤I58和焊盤II56，焊盤I58與開關電極I4連通，焊盤II56與開關電極II5連通；所述的圓形凹槽II54上均布有多個接觸凸點53，接觸凸點53分為2組，一組與開關電極I4連通，另一組與開關電極II5連通；所述圓形凹槽II54內的金屬薄膜II51通過窄金屬條II50連接到圓形凹槽II54外面、開關電極I4和開關電極II5通過窄金屬條III57連接到圓形凹槽II54外面，實現基底3各區域與結構層2均形成等電位。

所述接觸凸點53高度為幾微米至幾十微米，任意相鄰的兩個接觸凸點53分別連接開關電極I4和開關電極II5，多個接觸凸點53中只要任意相鄰的兩個接觸凸點53導通，開關就導通。

在工作時，質量塊21感受慣性加速度并在慣性力作用下向基底開關電極I 4、開關電極II 5方向運動，在過載值達到開關的導通閾值時，質量塊下表面的接觸電極40將開關電極I 4、開關電極II導通，慣性開關閉合。

本實用新型的Z型梁結構的微慣性開關的加工過程如下：

a.在玻璃片上光刻后，用濕法腐蝕工藝腐蝕出玻璃片上的圓形凹槽；

b.在步驟a的玻璃片上繼續整體濺射淀積Pt薄膜，并采用剝離工藝在玻璃片上制成等電位金屬薄膜，完成蓋板的制作；

c.在雙埋層SOI硅片上濺射淀積Pt薄膜，采用剝離工藝形成接觸電極；

d.繼續在雙埋層SOI硅片上雙面光刻質量塊圖形，采用ICP干法腐蝕硅片兩面至二氧化硅埋層；

e.之后在雙埋層SOI硅片上光刻Z型梁圖形，濕法局部腐蝕二氧化硅埋層形成Z型梁干法腐蝕掩蔽層；

f.最后用ICP深槽干法腐蝕透雙埋層SOI片，形成Z型梁結構，完成結構層的制作；

g.玻璃片上光刻后，用濕法腐蝕工藝腐蝕出圓形凹槽和矩形凹槽；

h.圓形凹槽內光刻接觸凸點圖形，采用濕法腐蝕出接觸凸點；

i.在玻璃片上濺射淀積Au薄膜覆蓋接觸凸點，并形成開關電極I、開關電極II和玻璃基底等電位金屬薄膜，完成基底的制作；

h.將蓋板、結構層、基底三者順序疊加，并通過靜電鍵合將三者鍵合在一起；

i.裂片封裝，得到Z型梁結構的微慣性開關。

本實用新型不局限于上述具體實施方式，所屬技術領域的技術人員從上述構思出發，不經過創造性的勞動，所作出的種種變換，均落在本實用新型的保護范圍之內。