非硅MEMS慣性開關(guān)接觸增強設(shè)計及其工藝研究.pdf

1、MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）慣性開關(guān)，又稱為振動閾值傳感器、加速度開關(guān)等。近年來隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，MEMS慣性開關(guān)作為一種超低功耗的無源器件，可被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的振動檢測。然而，目前已經(jīng)報道的單向或多向敏感的MEMS慣性開關(guān)幾乎都是采用“硅-硅”或“金屬-金屬”的剛體碰撞形式來實現(xiàn)外電路的導(dǎo)通，以致開關(guān)輸出的脈沖接通時間極為短暫，一般不足10微秒，給其應(yīng)用系統(tǒng)的信號提取與處理

2、造成了極大的困難，而且碰撞過程中的反彈，也會導(dǎo)致脈沖信號的不穩(wěn)定，產(chǎn)生短脈沖現(xiàn)象，給系統(tǒng)的集成應(yīng)用和信號處理造成不便。
　　為此，本文在國內(nèi)外已有MEMS慣性開關(guān)研究的基礎(chǔ)上，分別利用碳納米管/銅（CNTs/Cu）柔性復(fù)合層和靜電鎖定機制，提出了兩種能夠有效提高慣性開關(guān)電極間接觸時間的新型設(shè)計方案：前者借助在開關(guān)電極間引入CNTs/Cu復(fù)合柔性層的方式來增強接通過程中的粘附力，從而充分延長開關(guān)電極間的接觸時間；后者則直接利用靜電鎖

3、定的方式來保持開關(guān)電極間的持續(xù)接通。在整體方案提出的基礎(chǔ)上，論文對上述實現(xiàn)接觸增強的兩種方案的基本物理模型進行了分析，并用ANSYS有限元軟件對CNTs接觸時的相互作用以及對帶有CNTs/Cu復(fù)合柔性層的慣性開關(guān)動態(tài)響應(yīng)進行了仿真分析，此外，利用Comsol多物理場軟件對基于靜電鎖定的MEMS慣性開關(guān)可動吸合單元進行了動態(tài)響應(yīng)仿真分析。
　　在對濺射、光刻、復(fù)合電鍍、絕緣膜旋凃和釋放等單元工藝研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了接觸增強MEMS慣

4、性開關(guān)的整體集成制造工藝路線，并逐步優(yōu)化其制作工藝流程，最終完成了帶有CNTs/Cu復(fù)合層柔性電極的MEMS慣性開關(guān)以及基于靜電鎖定的MEMS慣性開關(guān)可動吸合單元的集成制作。
　　最后，利用落錘實驗對帶有CNTs/Cu復(fù)合柔性電極的MEMS慣性開關(guān)進行了測試，并通過探針儀對靜電鎖定MEMS慣性開關(guān)可動吸合單元樣品進行了靜電吸合測試。結(jié)果表明，帶有CNTs/Cu復(fù)合柔性電極的慣性開關(guān)接觸時間約為112μs，與仿真結(jié)果（100μs）具