MEMS电热常闭开关的设计和性能研究

平　川，张　蕊，薛　艳，解瑞珍，王可暄

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

MEMS电热常闭开关的设计和性能研究

平川，张蕊，薛艳，解瑞珍，王可暄

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

针对低能、微小型起爆系统在勤务处理中的安全性问题，开展了MEMS电热常闭开关技术研究。通过Ansys分析软件建立了MEMS电热常闭开关仿真模型，对MEMS电热常闭开关换能元及其电热性能进行了仿真计算，得到了MEMS电热常闭开关的设计方案。通过MEMS加工工艺制作了MEMS电热常闭开关，并测试其性能。结果表明，仿真计算结果与试验结果吻合，MEMS电热常闭开关实现了通-断转换，开关的最低作用电流为0.19A。

起爆系统；低能；微小型；安全性； MEMS电热常闭开关；仿真；性能测试

微能起爆器（ Micro Energetic Initiator）是利用MEMS技术制造的一种微小型起爆装置。与传统起爆器相比，微能起爆器具有低能化、微型化、模块化的特点［1］，所用的药剂大多为敏感起爆药（如叠氮化铜）［2］，使得微能起爆器的安全性大大降低。为了提高微能起爆装置的安全性，法国Carole Rossi等人在2005年提出了一种MEMS常闭开关［3-5］，该开关采用MEMS技术加工制作，其体积小、兼容性高，在微小型火工品的低能发火方面有较好的应用前景。

为提高低能、微小型起爆系统的安全性，笔者开展了MEMS电热常闭开关的设计、仿真建模计算、制造和性能测试，建立了MEMS电热常闭开关的理论模型，通过仿真方法给出了MEMS电热常闭开关的设计方案，并通过MEMS工艺形成了MEMS电热常闭开关，测试了其通-断性能。

1　MEMS电热常闭开关设计与仿真模型

1.1MEMS电热常闭开关作用原理

MEMS电热常闭开关是一次性作用的元件，用于实现逻辑电路由闭合到断开的转换。其作用原理如图1所示：初始微开关处于闭合状态，电源提供的电流直接流经开关所在的接地电路，形成对换能元的短路保护。对微开关施加电能，开关作用由闭合转断开，接地电路被断开，电源提供的电流流过换能元，完成换能元的起爆作用。

图1　MEMS电热常闭开关实现解保功能的原理示意图Fig.1　Theory of MEMS electro-thermal on-off switch to arming position

1.2MEMS电热常闭开关的设计

设计了MEMS电热常闭开关的分层式结构，如图2所示，包括基底层、换能元层、绝缘层和导线层。基底层为Pyrex玻璃，换能元层为Ni-Cr薄膜，绝缘层为SiN1.2，导线层为Al薄膜。Ni-Cr薄膜通电产热，热量穿过绝缘层熔断Al导线使开关实现由闭合转断开。

图2　MEMS电热常闭开关的结构Fig.2　Structure of MEMS electro-thermal on-off switch

1.3MEMS电热常闭开关数值模型的建立

采用ANSYS Workbench15.0建立了MEMS电热常闭开关的模型，并进行了网格的划分。由于模型结构是复杂的三维实体，于是在划分的时候对关键作用位置进行了细化处理，其余位置则由软件的smart meshing功能来实现，由此取得了较好的网格划分效果，如图3所示，共划分了40 571个网格。

图3　MEMS电热常闭开关数值模型的网格划分Fig.3　Mesh generation of MEMS electro-thermal on-off switch model

划分好网格后，利用ANSYS热电耦合模块对MEMS电热常闭开及其换能元的热电效应进行模拟计算。

1.4材料参数的选取

ANSYS热电耦合模块中需要的材料参数包括：材料密度、比热、热导率和电阻率。通过查阅文献资料可获得材料的密度、比热和部分材料的热导率和电阻率，对于产热材料Ni-Cr的电阻率和传热材料SiN2的热导率，分别通过试验测量和理论计算的方法获得。采用四探针测试仪测量了Ni-Cr薄膜的电阻率，在同一批次中选取9个测量点，获得了Ni-Cr薄膜的平均电阻率为2.13×10-6Ω·m-1。

表1　电热常闭开关的材料参数Tab.1　Material parameter of MEMS electro-thermal on-off switch

2　数值模拟与试验

换能元桥区是换能元的电热作用部件，桥区参数直接决定着换能元的电热性能。MEMS电热常闭开关通过换能元加热熔断Al导线实现开关通断状态间的转换，Al的熔点在600℃左右。采用ANSYS软件对Ni-Cr换能元桥区宽度、桥区长度和厚度进行仿真计算，根据计算结果，给出MEMS电热常闭开关的设计方案，同时对MEMS常闭开关的电热性能进行了计算。

2.1电热常闭开关的数值模拟

模拟计算了不同桥区宽度、长度的换能元升温至600℃所需电压与换能元厚度的关系，见图4。由图4可以看出，换能元的升温电压随桥区宽度、桥区长度的减小而降低，升温电压随换能元厚度的增加而降低。为保证换能元低能的作用特点，将换能元的作用电压设计为5V以内，可初步确定换能元的厚度在0.8～1.2µm之间，换能元的宽度在200µm以下，换能元长度在200µm以下。

图4　不同桥区宽度、长度的换能元升温至600℃所需电压与换能元厚度的关系Fig.4　The relation between heating voltage and thickness of resistance in different bridge

对不同桥区宽度、桥区长度的换能元升温至600℃所需电能与换能元厚度（0.3～1.2µm）的关系也进行了计算，如图5所示。

图5　不同桥区宽度、长度的换能元升温至600℃所需电能与换能元厚度计算结果Fig.5　The relation between electric energy and thickness of resistance in different bridge

由图5可以看出，换能元的升温所需电能随桥区宽度、桥区长度的减小而降低，换能元宽度不同时，升温所需电能随换能元厚度的增加而增加，而在换能元长度不同时（换能元厚度在0.8～1.2µm之间），升温所需电能随换能元厚度的变化不大。桥长100µm与桥宽100µm的能耗曲线交点处对应的厚度在0.9～1.0µm之间，此时换能元耗能最小。为保证换能元低能耗的要求，结合加工工艺，将换能元厚度设计为0.9µm，换能元桥区宽度和长度均设计为100µm。

通过仿真计算并结合整体设计要求，确定了换能元的设计方案：换能元厚度0.9µm，桥区宽度和长度均为100µm；基底厚度1mm，绝缘层厚度1µm，导线厚度1.5µm。利用已获得的设计方案建立了MEMS电热常闭微开关的计算模型，并进行了计算，图6是电热常闭开关通电后的温度分布计算结果，从分布可看出最高温度分布在桥区位置。计算了不同电功率下MEMS电热常闭开关的电热性能，结果如图7所示，可见在1 500mW的电能持续通电下开关的最高温度可达572℃。

图6　MEMS电热常闭开关的温度分布Fig.6　Temperature distribution of MEMS electro-thermal on-off switch

图7　MEMS电热常闭开关的最高温度随通电功率变化曲线Fig.7　Highest temperature curve of MEMS electrothermal on-off switch via different electric energy

对大功率电能持续供电下的开关电热性能进行了计算，结果0.21A的电流（恒定功率约为6.1W）持续通电0.01s可升温至637℃，该温度足够将Al导线熔断，实现常闭开关由闭合转断开功能。

2.2MEMS电热常闭开关的制作与性能测试

MEMS电热常闭开关的制作主要包括换能元层、绝缘层、导线层的制作。换能元层的制作过程：（1）清洗Pyrex玻璃基底；（2）非平衡磁控溅射Ni-Cr薄膜；（3）匀胶、光刻、显影等工艺形成换能元图形结构；（4）刻蚀液刻蚀，清洗，得到Ni-Cr换能元。绝缘层制作过程：（1）PECVD制作SiN1.2薄膜；（2）匀胶、坚膜、光刻、显影形成绝缘层图形结构；（3）干法刻蚀制作出SiN1.2绝缘层图形，清洗，得到绝缘层图形。导线层的制作过程：（1）非平衡磁控溅射Al薄膜；（2）匀胶、坚膜、光刻、显影形成导线层结构；（3）刻蚀液刻蚀，清洗，得到Al导线。制作出的MEMS电热常闭开关如图8所示。对MEMS电热常闭开关的通断性能进行了测试，通电后开关的温度迅速升高，并成功实现电路的通-断转换，见图9。

作用电流的部分统计结果如表2所示，最小作用电流为0.19A，与仿真计算得出的0.21A的作用电流十分接近。

2.3数值模拟与试验对比分析

图8　MEMS电热常闭开关成品显微镜照片Fig.8　The microscope photograph of MEMS electro-thermal on-off switch

图9　作用的MEMS电热常闭开关显微镜照片Fig.9　The microscope photograph of broken MEMS electro-thermal on-off switch

表2　电热常闭开关的作用电流Tab.2　Action current of MEMS electro-thermal on-off switch

利用红外热波成像设备对MEMS电热常闭开关的作用温度进行了测量，并将测量结果与模拟计算结果进行了对比

图10　MEMS电热常闭开关功率与最高温度曲线Fig.10　The relation between highest temperature and electric energy

图10为开关在不同功率下的最高温度分布图，可以看出通过仿真计算的结果与实际测量结果基本一致，但实际测量过程中换能元在到达约700℃就会断裂，此现象仿真结果并未给出。

3　结论

（1）设计并制造了一种用于固态安保的MEMS电热常闭开关，其具有结构简单、微小型、与MEMS工艺兼容的优点，通过试验验证了其功能，为火工品的安保技术提供了新思路。

（2）建立了MEMS电热常闭开关的仿真计算模型，利用仿真手段对换能元进行了优化设计，对开关的加热性能进行了评估，并获得了换能元的优化设计方案。仿真计算与试验结果具有较好的吻合性，说明模拟仿真计算在试验方案设计上具有较好的指导作用。

（3）进行了电热常闭微开关的作用试验，验证了MEMS电热常闭开关的功能，测定了开关的最低作用电流为0.19A。

［1］ Grant Moule. Susan Franciscus. OICW fire control system［C］// 34th Annual Gun & Ammunition Symposium & Exhibition. New Orleans， USA，2003.

［2］ Chopin Hua.Low-cost MEMS initiators［C］//NDIA 54th Annual Fuze Conference. Kansas City， Missouri，USA，2010.

［3］ Pierre Pennarun， Carole Rossi， Daniel Esteve， Rene-David Colin. Single use， robust， MEMS based electro-thermal microswitehes for redundaney and system reconfiguration［J］.Sensors and Actuators A，2007（136）∶ 273-281.

［4］ Pierre Pennarun， Carole Rossi， Daniel Esteve， Rene-David Colin. Development of MEMS based safe electro-thermal pyrotechnic igniter for a new generation of microfuze［J］. Smart Sensors， Actuators， and MEMS II， 2005（5836）∶558-569.

［5］ Hélène Pezous， Carole Rossi， Marjorie Sanchez， Fabrice Mathieu， Xavier Dollat，Samuel Charlot， Ludovic Salvagnac，Véronique Conédéra.Integration of a MEMS based safe arm and fire device［J］. Sensors and Actuators A，2010 （159）∶157- 167.

［6］ Carole Rossi， Pierre Temple-Boyer， Daniel Esteve. Realization and performance of thin SiO2/SiNx membrane for microheater applications［J］. Sensors and Actuators A，1998 （64） ∶241-245.

［7］ 胡庚祥，蔡珣，编.材料科学基础［M］.上海∶上海交通大学出版社，2000.

Design and Performance Study of MEMS Electro-thermal on-off Microswitch

PING Chuan，ZHANG Rui，XUE Yan，XIE Rui-zhen，WANG Ke-xuan
（National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi'an，710061）

In this paper， a kind of MEMS electro-thermal on-off switch was designed and studied， for the safty problem of micro， low-power initiation system in storage and service processing. Analysis software was used to build simulation model， to calculate electrothermal properties of MEMS electro-thermal on-off switch， so the design scheme of MEMS electro-thermal on-off switch was obtained. MEMS electro-thermal on-off switch was fabricated by MEMS technology， as well as the performance of microswitch was tested. The results indicated that the simulation results is consistent with the test results， MEMS electro-thermal on-off switch broked successfully， the minimum function current is 0.19A.

Initiation system；Low-power；Micro；Security；MEMS electro-thermal on-off switch；Simulation；Performance test

TJ450.2

A

1003-1480（2015）01-0010-04

2014-12-13

平川（1990-），男，在读硕士研究生，从事火工烟火专业方向研究。