非硅MEMS慣性開(kāi)關(guān)接觸增強(qiáng)設(shè)計(jì)及其工藝研究.pdf

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

2、造成了極大的困難，而且碰撞過(guò)程中的反彈，也會(huì)導(dǎo)致脈沖信號(hào)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(hào)處理造成不便。
　　為此，本文在國(guó)內(nèi)外已有MEMS慣性開(kāi)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(jī)制，提出了兩種能夠有效提高慣性開(kāi)關(guān)電極間接觸時(shí)間的新型設(shè)計(jì)方案：前者借助在開(kāi)關(guān)電極間引入CNTs/Cu復(fù)合柔性層的方式來(lái)增強(qiáng)接通過(guò)程中的粘附力，從而充分延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)電極間的接觸時(shí)間；后者則直接利用靜電鎖

3、定的方式來(lái)保持開(kāi)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(duì)上述實(shí)現(xiàn)接觸增強(qiáng)的兩種方案的基本物理模型進(jìn)行了分析，并用ANSYS有限元軟件對(duì)CNTs接觸時(shí)的相互作用以及對(duì)帶有CNTs/Cu復(fù)合柔性層的慣性開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析，此外，利用Comsol多物理場(chǎng)軟件對(duì)基于靜電鎖定的MEMS慣性開(kāi)關(guān)可動(dòng)吸合單元進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析。
　　在對(duì)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(jì)了接觸增強(qiáng)MEMS慣

4、性開(kāi)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(kāi)關(guān)以及基于靜電鎖定的MEMS慣性開(kāi)關(guān)可動(dòng)吸合單元的集成制作。
　　最后，利用落錘實(shí)驗(yàn)對(duì)帶有CNTs/Cu復(fù)合柔性電極的MEMS慣性開(kāi)關(guān)進(jìn)行了測(cè)試，并通過(guò)探針儀對(duì)靜電鎖定MEMS慣性開(kāi)關(guān)可動(dòng)吸合單元樣品進(jìn)行了靜電吸合測(cè)試。結(jié)果表明，帶有CNTs/Cu復(fù)合柔性電極的慣性開(kāi)關(guān)接觸時(shí)間約為112μs，與仿真結(jié)果（100μs）具