一种新型的微加速度开关制作工艺

一种新型的微加速度开关制作工艺【摘要】本文对新型基于水银为介质的微流体加速度开关进行了介绍。

说明了水银加速度开关的原理，对开关的工艺作了探讨。

【关键词】微流体;水银开关;制作工艺1.微开关的发展自Frobenius在1973[1]年首先制作出一种金属悬臂梁型加速度开关以来，已经出现了各种不同的MEMS加速度开关。

在工作原理上可以分为两类：一类是准静态开关，该开关结构是通过弹性结构连接一个质量块，并将质量块作为一个敏感质量和可动电极，根据牛顿第一定律，当所受的加速度达到一个预定阀值时，质量块受力作用，克服弹性恢复力，发生位移达到一个预设位置，并与一个定电极接触，从而触发电信号，导通电路使开关工作，开关阈值由惯性力和弹性恢复力之间的线性关系确定。

这种开关对于工艺容差要求严格，精度较低，阈值范围局限在低频低量程加速度范围内，测量能力和环境适应能力较弱，容易造成开关失灵或误操作，并且此类开关测量阈值单一，难以实现智能化集成。

另一类开关是动态开关，这类开关受惯性力，弹性恢复力，应力和静电吸引力等多个力共同作用。

加速度阈值通过动态方程计算分析确定，因而这种开关具有动态信号的测量能力。

图1.1 微加速度开关结构示意图加速度开关是感受加速度的重要惯性器件，为了满足控制系统的保险功能要求，加速度开关应具备体积小、机械接触可靠、允许通过电流大、精度较高等特点。

传统的加速度开关采用精密机械加工，存在体积较大、抗震能力较弱等不足。

因此，迫切要求研制新型的微加速度开关。

其中如准LIGA[2]技术因简单易行，只需通过厚胶光刻和微电铸工艺即可实现惯性器件的制作而被采用。

该技术采用紫外光曝光，由于不必使用同步辐射光源，所以研制成本较低，同时以金属镍为材料，使得器件本身可作为电极导电并通大电流。

微流体加速度开关是一种受加速度控制的开关量传感器。

它可以作为控制开关使用，也可以用来提供开关量信号。

随着微机械加工技术在传感器领域中的应用和推广，已经出现了不同类型的微加速度开关，这些开关根据用途的不同而具有不同的结构形式。

本文中以水银为介质的微加速度开关，利用在常温下水银是液态金属、表面张力大的特点，构成对加速度敏感的液体电极，水银电极与固定电极组成加速度开关，它的抗载能力不受元件（水银）强度的限制，因此过载量程比可以极大提高。

2.水银加速度开关原理2.1 结构组成2.1.1 基板结构基板为左右对称结构，如图2.1所示。

正向加速度阀门开启使水银流动，反向加速度阀门关闭使水银不流动。

在硅基板上刻蚀出水银储放腔体、水银微通道和气体微通道，保留通道壁突台和腔体外框突台。

水银张力膜将流体区域分隔为水银腔和气体腔，两通道壁所夹下部区域构成水银微通道，腔体外框、通道壁和阀门间的缝隙构成气体微通道。

2.1.2 盖板结构盖板与基板键合封装，形成矩形储液腔和矩形微通道。

在基板/盖板/基板与盖板的水银通道位置制备电极，水银张力膜随加速度的变换发生位移，通过水银的流动使电极导通或断开。

图2.1 加速度开关结构示意图2.2 工作原理为保证开关系统具有镇定性，必须设置微流体阀门。

当载体的加速度为-am<a≤g时，阀门关闭使开关处于反向限位状态时。

水银受阀门缝隙表面张力约束状态而不会流动到空气微通道内，系统处于表面张力与内聚力的自身平衡状态。

当载体发生正向加速度g≤a≤10g时，阀门开启。

水银所受惯性力和水银腔表面张力的驱动，克服水银与通道壁间的粘性剪应力和微通道表面张力的阻力，使水银触点发生运动。

系统处于载体惯性力、流体惯性力、表面张力和流动粘性力的动态多力平衡状态。

当载体加速度达到10g时，水银触点恰好到达接通电极的位置，使开关闭合。

由于该多力平衡系统具有极强的镇定性，即使当载体加速度时，触点与阀门的位置差趋于零，无须正向限位。

在载体加速度由10g降低至1g的过程中，开关处于断开过程。

首先加速度降至9.9g时，精准的触点结构设计可保证开关在准确的位置断开。

然后，在加速度由9.9g降至或低于1g的过程中，出于触点断开、阀门开启状态。

当加速度继续降低时，阀门关闭，开关恢复到初始限位状态。

2.3 微尺度效应对微流体的影响当流道和型腔特征尺寸小于1mm时[3]，支配流体流动的物理环境及其自身特性发生变化，探明微尺度条件下流体的流动特性对微纳零件的制造与微机械装置控制系统的设计十分重要。

在有关微流体流动行为的研究中，J.Pfahler[4]等。

考察了流体在硅材料矩形微流道中的运动特性。

以丙醇（N-Propanol）为实验流体，矩形截面尺寸宽×高分别为135×53，100×1.7，100×0.8的微流道所作的实验结果表明：在截面尺寸相对较大的微流道中流体的运动规律与Navier-Stokes方程式相吻合;而当矩形截面流道深度H降至0.8时，试验结果偏离Navier-Stokes 方程的计算结果。

李勇[5]等以微圆管为对象，研究了用Navier-Stokes方程描述微流体运动特性的适用性。

结果表明，对于运动粘度为2.6×10-6m2/s的硅油，当圆管直径降至4.5时，Navier-Stokes方程不再适用;对于管径为11.2的流道，当流体的运动粘度为4.3×10-4m2/s时，流量与压力损失仍呈比例关系。

江小宁[6]等研制了一套测量微尺度流动流量的系统，并测量了管径为8，14和24圆管流道内流体流量与压力损失的关系。

结果表明，在这样的条件下，流体依然不可压缩连续流动，且实验结果与Navier-Stokes方程式的描述十分接近。

在微流体流动过程中，由于微尺度效应作用，表面力作用增强，粘性力远远超过惯性力，流道直径减小导致微流体雷诺数减小，沿程阻力系数增大，且微流道的长径比增大。

3.拟采用制作工艺3.1 硅基微机械加工技术硅基微机械加工技术[7]包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、以及复合微机械加工技术等。

体微机械加工技术是将整块材料如单晶硅基片加工成微机械结构的生产工艺。

通常，机械结构的形成要经历选择掺杂和结晶湿化学腐蚀两道工序。

和微电子生产中的亚微米光刻工艺比较，这些工艺尺度相对大而粗糙，线度变化在几微米到几百微米之间。

通过机械结构的干化学腐蚀将单晶硅做成零部件也可使体微机械加工具备更好的尺度控制。

体微机械加工的一个主要优点是它可以相对容易地制造出大质量的零部件，缺点是它很难制造精细灵敏的悬挂系统。

另外，由于体微机械加工工艺无法做到零部件的平面化布局，因此它不能够和微电子线路直接兼容;表面微机械加工就是利用集成电路中的平面化制造技术来制造微机械装置。

标准的工艺流程包括首先在单晶硅基片上交替沉积一层低应力的多晶硅层和一层用于腐蚀的氧化硅层，形成一个复杂的加工层，然后再对这个加工层进行光刻摹制，最后用氢氟酸对氧化硅进行蚀刻显影。

多次重复这一标准工艺流程就可完成表面微机械加工。

利用这种加工技术生产的微机械装置一般包括一层用作电连结的多晶硅层，一层或更多的机加工多晶硅层，它们形成各种机械部件，如悬臂梁、弹簧和联动杆等等。

由于整个工艺都基于集成电路制造技术，因此可以在单个直径为几英寸的单晶硅基片上批量生成数百个微型装置。

表面微机械加工技术的主要优点是，它充分利用了现有的生产工艺，对机械零部件尺度的控制与一样好，因此这种技术和完全兼容。

虽然表面微机械加工零部件的布局平面化使之和微电子电路容易集成，但是它同时也限制了表面加工，它制造的机械结构基本上都是二维的，因为机械结构的厚度完全受限于沉积薄膜的厚度。

复合微机械加工技术是体微机械加工技面微机械加工技术的综合。

它是在体微机械术和表面微机械加工技术的基础上发展起来技术，具有体微机械加工技术和表面微机械术的优点，同时也避免了它们的缺点。

微加速度表的制作工艺流程如图3.1所示：制作SOI片（图3.1（a））;运用深反应离子刻蚀技术（DRIE）制作2μm宽的沟槽，在刻蚀的沟槽内淀积氮化硅（图3.1（b））;刻蚀掉表面的氮化硅，运用标准的CMOS工艺制作界面和信号处理电路（图3.1（c））;电介质清除，运用深反应离子刻蚀技术形成微结构，运用氢氟酸刻蚀氧化层（图3.1（d））。

图3.1 微加速度计制作工艺流程3.2 本文拟采用的工艺和材料经过前面工艺方法和材料的对比，本文拟采用SiC材料[8]，因其具有宽带隙、耐磨损、耐腐蚀、高热导率、极好的物理化学稳定性等特点，利用SiC材料制成的微通道在高温、高频、强腐蚀性应用环境如微喷或者微发动机等应用场合有着得天独厚的优势。

SiC材料可以在Si衬底上淀积生长，大面积SiC可以相对容易地获得，且价格低廉。

目前，微流体主要是基于半导体Si、玻璃、金属或高聚物等材料制备的，传统的制作方法是对玻璃和Si芯片进行刻蚀，并在此基础上通过键合制成成品。

这类方法需要对玻璃或Si芯片进行键合密封等复杂操作，另外，这类微液体系统难于在强腐蚀性、高温等恶劣环境下使用。

本文选用的Si基微通道制备原理如下：首先在Si衬底片上刻蚀出微流体凹槽，凹槽之间留出台面，凹槽尺寸及其在衬底片上的排布根据设计需要而定;采用化学气相沉积法在该衬底片上淀积SiC薄膜材料，此层薄膜材料覆盖微流体凹槽壁面，并在凹槽顶部闭合，形成封闭的微通道。

利用半导体工艺在Si衬底片上刻蚀出微流体凹槽，凹槽用作后继淀积工艺的模板。

淀积SiC薄膜材料时，反应气体同时在台面和凹槽壁面反应成核，但反应物不易迁移到凹槽壁面，凹槽壁面的淀积速率比台面的慢很多。

SiC材料沿垂直台面方向纵向生长，在纵向生长的同时，也进行横向生长，随着生长进度，相邻台面的横向生长区域相互合并，将凹槽封闭起来，凹槽壁面由于缺乏反应物而不再淀积SiC薄膜，这样就形成了一个封闭的微通道。

图3.2 Si基Si通道制备工艺示意图4.总结本论文介绍了利用水银作为介质的微加速度开关原理，探索了制造工艺。

下一步研究要依据流体力学基本原理建立了基本数学模型，并进行模拟。

最终目标是实现抗高过载的低量程，接触性好的加速度开关。

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