MEMS惯性开关的原理及研究进展

任 超， 刘峰华， 付 博， 康兴国， 丁桂甫， 杨卓青*

(1.上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室， 上海 200240； 2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065； 3.淮海工业集团有限公司 MEMS中心，山西 长治 046012)

微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)惯性开关又被称为冲击传感器、加速度开关、振动阈值传感器或G开关。最早的惯性开关被用来关闭电动燃油泵，避免燃油泵在碰撞或翻转后继续工作，但其尺寸和质量较大。随着半导体和集成电路技术以及衍生出来的MEMS技术的发展，传统的惯性开关朝着尺寸小、质量轻、成本低、批量化的MEMS惯性开关方向发展，并被广泛地应用于智能玩具、特殊或贵重物品运输、汽车和军事等领域[1]。同为惯性传感器的MEMS加速度计可实时监测加速度的情况，但需要加载持续的工作电压；与加速度计相比，MEMS惯性开关则为无源器件，具有机械结构简单、接口电路方便等优点，且在未闭合时无功耗，这使得其在远程监控、无人值守平台等电量有限的场景下有着巨大的应用前景和优势。

此外，随着近几年物联网的快速发展， MEMS惯性开关等微型器件面临更大的需求。例如，可将MEMS惯性开关附着到可穿戴的衣物上，在老人摔倒时开关闭合可触发无线报警系统，及时通知社区医院采取救治。MEMS惯性开关也可以用于监测特殊货物运输过程中可能发生的冲击碰撞。如图1所示，在货物的运输过程中，一旦环境的冲击超过了允许的阈值水平，惯性开关就会触发一个脉冲信号，然后无线发送到信息控制中心，以实现对整个物流过程的实时监控。

图1 MEMS惯性开关在货物运输过程中的监控应用

需求的增多必然会带来要求的提高。为此，国内外的科研工作者们不断改进MEMS惯性开关的器件结构和加工工艺，进而优化其重要的功能参数并改善开关的工作性能。现在国外的惯性开关已经实现产业化生产，与其相比，国内的惯性开关生产仍存在一定差距。

1 惯性开关工作原理

1.1 基本物理模型

MEMS惯性开关的功能组件是由弹簧悬挂的质量块和固定电极组成，如果在惯性开关的动态响应过程中考虑阻尼作用，则基本物理模型可以被看作是一个由“弹簧-集中质量块-阻尼”组成的惯性振动传感系统，如图2所示[2]。图2中的刚体表示器件的总质量块m，k表示具有弹性抗力的无重弹簧的刚度，阻尼器c表示能量的消耗。

图2 惯性开关的物理模型示意图[2]

x(t)=y(t)-z(t)

(1)

对其求导：

(2)

(3)

质量块的运动方程可以由动力平衡的牛顿定律得到：

(4)

将式(3)代入式(4)，得到惯性开关单自由振动时的运动方程：

(5)

根据具体的场景，可对式(5)进行不同程度的化简。当惯性开关可动电极在载荷作用下达到平衡位置时，质量块受力大小为零，平衡方程可表达为

(6)

在恒定的外界加速度作用下，惯性开关系统达到平衡状态，且由于阻尼对系统的作用非常小，可忽略，则运动方程为

kx=ma

(7)

但加速度往往不是一个恒定的数值，且运动系统通常会受到阻尼的影响，所以，质量块m运动平衡方程更实际的表达式为

(8)

式中，ξ为系统的阻尼比；ωn为本征频率。它们的表达式为

1.2 性能参数分析

1.2.1 惯性开关的性能参数

图3[2]展示了惯性开关的动态响应过程，当器件在敏感方向受到外界加速度冲击且超过设定阈值时，质量块即移动电极会在敏感方向上发生移动，直至与固定电极接触，开关呈闭合状态，此时，输出信号为方形脉冲。闭合一定时间后，质量块反弹，移动电极和固定电极分开，最终在平衡位置处停止。

图3 MEMS惯性开关的动态响应曲线

衡量惯性开关工作性能的主要参数如下[2]。

① 阈值加速度ath：以半正弦冲击为例，恰好使移动电极与固定电极发生碰撞的加速度幅值。

② 响应时间tre：从可动电极开始运动到与固定电极接触所需的时间。

③ 接触时间ton：移动电极与固定电极发生碰撞接触的时间段。

④ 最大过载加速度：在某个大的冲击加速度下，惯性开关恰好不会损坏并保持稳定的可靠性，该加速度值定义为最大过载加速度。

⑤ 接触电阻：可动电极和固定电极接通时惯性开关电极间的电阻。

下面将更详细地描述惯性开关的阈值加速度、响应时间、接触时间这3个重要的性能参数。

1.2.2 阈值加速度

阈值加速度(ath)受多种因素影响，包括可动电极和固定电极间的距离x0以及本征频率ωn等。此外，输入加速度的形式也会影响阈值加速度的大小。常见的加速度形式有简谐振动、矩形振动、三角形振动、阶跃冲击和半正弦冲击等。因自然界的冲击形式普遍为半正弦波，所以下面主要讨论这种冲击类型下的阈值加速度。半正弦波形冲击如图4所示。

图4 半正弦波形冲击

图4中，a0和t0分别表示加速度的幅值和脉宽，且有t0=π/ω0，ω0是半正弦冲击的频率。该种冲击的函数表达式为

(9)

将式(9)代入运动平衡方程(8)(为得到解析解，此处忽略阻尼的影响)，则有

(10)

(11)

通过运算可得[2]

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

因此，阈值加速度与最大位移(此处皆为归一化的参数)呈倒数关系，再根据式(14)和式(15)，便可推得阈值加速度与本征频率、冲击脉宽等参数的关系。

1.2.3 响应时间

响应时间tre同样是衡量惯性开关工作性能的一个重要参数。一般情况下，tre越小越好[3]，例如，汽车侧向安全气囊系统等应用环境要求开关可以快速响应，为了更好地对响应时间进行分析，忽略阻尼，并向系统施加一个简单的阶跃冲击(如图5所示)。

图5 阶跃加速度

则运动平衡方程为

(17)

可解得该微分方程的通解为

(18)

(19)

假设移动电极和固定电极间的距离x0为最大位移，且ath=a0，则求得惯性开关的响应时间为

(20)

可以看出，响应时间由加速度值、本征频率和两电极间的距离共同决定。由于实际环境中存在阻尼，所以一般情况下，可对惯性开关施加比其理论加速度阈值过载20%的加速度冲击，再根据式(20)，可得到响应时间与各个参数的关系(如图6所示)[2]。

图6 响应时间与各个参数的关系[2]

由图6(a)可看出，当两电极间的距离和本征频率不变时，惯性开关的响应时间随着加速度的增大而减小；而当两电极间的距离和加速度一定时，响应时间则随着本征频率的增大而增加。图6(b)则展示了当加速度和本征频率一定时，随着两电极间距离的增加，响应时间也会随之增加。以上讨论均基于理想状态下，实际情况下的加速度冲击将更为复杂。

1.2.4 接触时间

接触时间是指可动电极与固定电极保持接触的时长，即指惯性开关处于闭合的时间段，这一参数在一定程度上反映了开关工作的可靠性。接触时间越长，器件输出的接通脉冲宽度越大，也能够为其后续应用系统的处理电路提供便利，从而在整体上提高系统的可靠性。

惯性开关的接触时间同样受到多种因素的影响。冲击加速度的大小和频率皆为重要的影响因素，但其是由环境决定的，具有不确定性。可动电极与固定电极的碰撞类型也会影响接触时间，但不同于前两种影响因素，该因素可以通过惯性开关的结构设计进行调整，进而延长接触时间。可调整的影响两个电极接触时间的参数如下。

① 可动电极的刚度：可动电极的刚度越大，接触时间越短。

② 固定电极的刚度：固定电极的刚度越大，可动电极反弹越严重，接触时间越短。

③ 可动电极的有效质量：在固定电极刚度较小，即受到可动电极碰撞时能有一定形变的情况下，质量块的有效质量越大，接触时间越长。

④ 电极间距：同样地，当电极间碰撞能发生一定形变时，电极间距越小，接触时间越长。

2 MEMS惯性开关的分类及结构设计

MEMS惯性开关自1972年被首次提出后[4]，经历了40多年的发展，器件的结构和性能都有了很大提升。

MEMS惯性开关依据不同的标准可进行不同的分类，按照导通功能实现的方式，可被分为非接触式、导电液体连接式和机械接触式；根据开关的敏感方向，又可被分为单轴敏感、双轴敏感或面内多向敏感、三轴敏感和全向敏感；根据敏感加速度阈值的大小，器件又可被分为低阈值惯性开关、高阈值惯性开关和多阈值惯性开关；根据接触增强的原理，MEMS惯性开关可被分为压膜阻尼接触增强开关、碳纳米管接触增强开关、静电吸附接触增强开关、锁扣式接触增强开关和柔性结构接触增强开关等。

下面根据不同的分类标准，对各种类型MEMS惯性开关的结构特点进行相应的介绍和分析。

2.1 惯性开关导通方式

MEMS惯性开关可根据导通的具体方式进行分类。其中，微机电系统机械接触式惯性开关因其具有设计灵活性、快速响应性等特点，成为较多研究人员关注的重点；而液体连接式惯性开关虽然具有很长的接触时间，但由于其封装和响应时间等问题，致力于该类开关的研究人员较少。此外，还有研究者提出了更为创新性的设计——由非接触式的惯性开关来感应加速度冲击。

2.1.1 机械接触式惯性开关

在惯性开关中，若未引入任何柔性结构，在足够大的加速度冲击下，移动电极将向固定电极运动并与其接触，而两电极接触时产生的机械式碰撞将导致移动质量块反弹，图7为二者的相互作用过程。为了减弱这种碰撞强度并延长开关闭合的时间，研究者们不断对器件结构进行优化，以使刚性碰撞转化为柔性的机械碰撞，如Lee等[5]将碳纳米管引入两电极表面作为碰撞的缓冲，碰撞过程可转化为图8所示的过程。

图7 两电极刚性接触的过程[5]

图8 两电极柔性接触的过程[5]

2.1.2 液体连接式惯性开关

韩国Yoo等[6]设计和制备了一种图9所示的惯性开关。该方案设计了一个用于放置可流动液态金属的V形凹槽，V字形的尖端有一个微流体通道和两个电极。在外界加速度作用下，液态金属汞在微流体通道中运动，当加速度超过设定阈值时，液体穿过微通道到达固定电极槽，实现电极之间的相互导通。采用这种方法实现闭合的惯性开关具有可靠性高、接触时间长的优点。但是，液态金属汞是一种剧毒性金属，使得器件的制作和封装具有一定的危险性；并且，废弃的惯性开关一旦回收遗漏，还会对环境造成破坏。

基于类似的原理，台湾Huang等[7]设计了一种具有延迟效应的惯性开关，其结构如图10所示。其中，毛细管阀将固定电极与流体隔开，在加速度的作用下，微流体通过毛细管阀的时间就是开关设定的延时时间。与Park等的研究相比，这一器件的优点在于使用了加入甘油的微流体来代替有毒的金属液体汞，但此设计中的封装仍然较为复杂，而且器件的延时效应不适合于要求响应速度较快的应用场景。

图9 使用液体作为可动电极的惯性开关[6]

图10 具有时间延迟效应的惯性开关的结构示意图[7]

2.1.3 非接触式惯性开关

Ongkodjojo等[8]提出了一种非接触式触发的新型惯性开关设计，图11展示了其设计概念的模型和工作原理。其中，悬臂梁为可动电极并由双压电晶片和电镀金组成，其与P型半导体面形成一个场发射晶体管。当加速度冲击作用在惯性开关上时，悬臂梁的超绝缘层发生形变，这种形变将使源极S和漏极D之间的电流发生反转，进而可开启场发射晶体管。悬臂梁的形变量大小可通过设定开启晶体管的电流大小来检测，进而表征所受到冲击加速度的大小。然而，文献[8]仅提出了此种惯性开关的一种新设计方法，并未见器件制作及其性能测试的相关报道。

2.2 惯性开关敏感方向

随着电子产品在体积上的逐渐小型化和集成度的不断提高，为了节省器件的安装空间，MEMS惯性开关也逐渐从单轴敏感向多轴敏感发展，仅使用单个器件即可对多个方向上的冲击加速度做出反应，同时又可避免多个器件安装在同一基板上时产生的质心误差(实际质心与理论质心间存在误差)。然而，惯性开关敏感方向的增多势必会给器件设计和制作工艺带来一定的难度。因此，在实际应用过程中，惯性开关敏感方向的设置及其敏感轴数的选择，可根据具体情况进行合理设计与加工制作。

图11 非接触式惯性开关设计[8]

2.2.1 单轴敏感惯性开关

惯性开关的研究最早主要集中于单轴敏感设计， 1972年，Frobenius等[4]设计并制作了一种全金属的微悬臂梁惯性开关，自此，较多的研究机构纷纷开始进行相关研究[9]。为了产生较大的惯性力以提高惯性开关的方向敏感性，移动电极即质量块必须有足够的体积或者质量，倘若采用电镀金属的方法在单晶硅晶圆上制作惯性开关[10]，则电镀产生的残余应力常常会导致硅晶圆的龟裂。为此上海交通大学Yang等[11]利用表面微加工技术在非硅衬底上设计并制作了一种多层金属结构的MEMS惯性开关，图12为器件结构示意图，其中，位于质量块上方的固定电极被设计为孔式的柔性桥式结构。该开关可感知垂直衬底方向上的冲击加速度，且碰撞接触过程中产生的柔性弹性变形可有效延长开关的接触时间。

图12 具有桥式固定电极的单向敏感惯性开关[11]

也有一些MEMS惯性开关被设计为平面内单向敏感的形式，为了消除开关在非敏感轴方向上的运动并限制低频振动的扰动，一些限位块、限位梁[12-13]和限位套筒[14]等结构也被引入到器件设计中。图13为Xu等[14]设计的具有多方向约束结构的单向敏感惯性开关，该开关的敏感方向与基板平行并与y轴正方向一致，当具有超过其阈值的外界加速度作用于器件敏感方向上时，附着在质量块上的弹性悬臂梁与固定电极碰撞，开关发生闭合；而当加速度作用于反向敏感方向上时，移动质量块将首先与反向限位块发生碰撞然后反弹，若回弹位移小于移动电极与固定电极间的距离，则开关不会发生误触发；当有更复杂的冲击作用于惯性开关时，包围着质量块的约束套筒可以限制质量块的随机运动。该MEMS惯性开关中的紧约束机构设计可有效降低器件的非轴向灵敏度并提高其抗冲击能力，但不可避免地会给器件的制造带来一定的难度。

图13 具有多向约束结构的单轴敏感惯性开关[14]

2.2.2 双轴敏感或面内多向敏感惯性开关

双轴敏感惯性开关本质上就是把两个单方向敏感的惯性开关整合到一起，北京大学Lin等[15]设计的双轴惯性开关结构如图14所示，器件的移动质量块被四角处的组合折叠式弹簧连接到基板上，并可在x轴和y轴方向上运动。

图14 双轴敏感的惯性开关[15]

但双轴敏感惯性开关只对x轴和y轴两个方向上的冲击加速度敏感。为了使MEMS惯性开关获得良好的面内全向敏感性，Du等[16]将径向固定电极设计为有球面接触的新型蛇形弹簧，以对xoy平面上各个方向的加速度冲击敏感，如图15所示。

图15 面内多向敏感的MEMS惯性开关设计[16]

2.2.3 三轴敏感惯性开关

三轴敏感惯性开关可以用于感知x、y、z三个方向上的加速度，相当于将3个对不同方向敏感的单轴惯性开关集合到一起，但前者可避免灵敏度损失和安装误差等问题，同时也可以降低制造成本。2013年美国陆军研究实验室的Currano等[17]设计并制造了图16所示的三轴敏感MEMS惯性开关，开关的环形质量块(mass)由4个螺旋弹簧(springs)悬挂支撑，且其周围分布着(+x，-x，+y，-y，+z，-z)6个方向上的固定电极，其中，所采用的4根弹簧形状为阿基米德螺线，且呈90°对称，使开关在x轴和y轴上的动态响应能够尽可能地保持一致。

图16 Currano等设计的三轴敏感惯性开关[17]

上述三轴敏感设计可能产生反方向上的误触发，且轴向扰动比较严重，2014年上海交通大学Chen等[18]设计了新的三轴敏感MEMS惯性开关来克服这种问题，如图17所示。该器件的可动电极被中心对称分布的蛇形弹簧悬挂支撑，可很好地避免轴向扰动，而质量块的空心处设计有限位块，可以有效减少反方向上加速度的扰动。

图17 Chen等设计的三轴敏感惯性开关[18]

2.2.4 全向敏感惯性开关

为了使惯性开关能够对多个方向上的振动冲击敏感，各研究机构相继开始设计并制作能够实现全向敏感的惯性开关[19-24]。这种类型的开关一般由水平面上的多向敏感惯性开关单元和垂直方向上的单轴敏感惯性开关单元组成，且两组单元共享一个移动电极。图18为Yang等[19]设计的全向敏感惯性开关，其固定电极位于质量块空心处且被分为两组——由中心圆柱体支撑的一组悬臂作为水平面内360°周向固定电极和位于质量块顶部的枫叶状T形结构作为垂直方向固定电极。

Cao等[22]则将水平面的固定电极设计为8根悬

图18 Yang等设计的全向敏感惯性开关[19]

臂梁，并使其对称地围绕在质量块四周；同时，质量块上方的环状结构作为垂直方向上的柔性固定电极，以使惯性开关能够感应半球上任意方向的冲击加速度。此外，与上述设计类似，还可将惯性开关中的周向固定电极分布设置在质量块外围，从而通过确定质量块与哪个电极接触来判断所受到外界冲击加速度的方向[23]。

图19 8根悬臂梁围绕着移动电极的全向敏感惯性开关[22]

2.3 加速度阈值

前述部分已简要分析了 MEMS惯性开关的阈值加速度与各种参数间的关系，以此为基本理论，根据器件的应用场景，研究者们相继开展了高阈值惯性开关和低阈值惯性开关的研究工作，而且，随着近年来电子器件向微型化与集成化的方向发展，具有多阈值的惯性开关也逐渐成为研究的重点。

2.3.1 高阈值惯性开关

研究初期，惯性开关主要被用于监测和预警作用于大物件的惯性冲击，所监测的冲击加速度通常高于30g[25]。例如在特种物品的运输过程中，当冲击加速度小于30g时，集装箱通常能对运输物品起到保护作用，而冲击加速度高于30g时，惯性开关需闭合发挥作用；而在武器弹丸发射的过程中，常常会产生几千g到十几万g的后座过载和离心过载，这种环境下，就需要使用更高阈值的惯性开关。

为使惯性开关实现高的阈值，许多研究者对移动电极的结构进行特殊设计，使器件的固有频率达到kHz级别[26-27]。例如，杨会玲等[27]设计的图20所示的悬臂梁式惯性开关，其主模态的频率为5.6 kHz，能使开关闭合的阈值加速度达到3000g。还有一些研究机构通过增加移动电极与固定电极之间的间距来获得更高的阈值。

图20 悬臂梁式的高阈值惯性开关[27]

对于高阈值惯性开关的研究，还有一些研究者着眼于解决反向高加速度冲击的问题，以提高开关的抗过载能力。如前文提到的采用限位块的设计，不但能够限制惯性开关在非敏感轴方向上的运动，还可以增强器件在反向敏感方向上的抗过载能力。图21为上海交通大学Xu等[28]设计的水平驱动的惯性开关，当有反敏感度方向的冲击作用于器件时，弹簧的变形会导致质量块反弹并向固定电极运动，这可能导致误触发，而限位块的引入可以避免这种情况的发生。将刚好导致误触发的反敏感方向的加速度值定义为反向抗过载阈值加速度(athr)，仿真与实验结果表明，athr随移动电极的质量m及其与限位块间间隙x2的增大而减小，但随着系统刚度k的增大而增大。

图21 Xu等设计的具有限位块的惯性开关[28]

2.3.2 低阈值惯性开关

在航空航天领域，特别是飞行器的上升和下降过程中， 30g以下的冲击加速度通常需要被监测[29]，且随着可穿戴电子设备的发展，惯性器件作为人体防护和惯性监测的重要元件之一，其设计阈值也通常小于5g[8]。因而，越来越多的研究者着眼于高精度、低阈值惯性开关的设计和研究。

为降低惯性开关的阈值，大多数方案是对移动电极的结构进行改进设计，或者降低系统的刚度、增加有效质量，从而降低器件整体固有频率。Chen等[25]对惯性开关弹簧的结构进行了创新设计，将常规的半圆弹簧改进为节圆弹簧，如图22所示，很好地降低了弹簧的刚度，器件的加速度阈值降低为25g，闭合时间为650 μs；Du等[16]则将弹簧形状设计为阿基米德螺旋线且为中心对称分布，与传统弹簧相比，这种新型设计有效地降低了弹簧的刚度且实现了水平面内任意方向加速度阈值的均匀性，器件结构如图15所示。

图22 包含节圆弹簧结构的惯性开关[25]

通过设计调整质量块的厚度，也可以将惯性开关的加速度阈值精确控制在某一低阈值处，Du等[16]提出了“厚度补偿”的方法对器件进行二次设计，以实现对惯性开关阈值的精确控制；Zhang等[29]则在SOI(Silicon On Insulator)晶圆上通过精确定义器件的厚度制作了阈值为5.5g的惯性开关。

除了采用上述方法来降低惯性开关的阈值外，一些方案则采用在器件中引入静电力来实现低阈值的目标。Kim等[30]设计了梳齿状的结构作为阈值调节机构，如图23所示，在梳齿上施加30 V的电压时，其阈值可从10.25g降低到2.0g；除此之外，前述提到的液体连接式惯性开关同样可以实现较低的阈值，韩国Yoo[6]等设计和制备的惯性开关(如图9所示)的阈值就在5g～20g的范围内。

2.3.3 多阈值惯性开关

为了提高应用系统的集成度，多阈值惯性开关已成为近年来的发展趋势。器件对不同大小加速度的感知可使其整体应用监测系统能够对不同程度的冲击做出相应的反应，进而提高系统的人性化和对复杂环境的适应性。

设计多阈值惯性开关的一种方法为在单个芯片上集成多个具有不同阈值的惯性开关器件。例如，Currano等[17]将5个三轴惯性开关集成到1个芯片上，其包含有30个独立的开关状态，结构如图24所示，且每个开关的阈值在50g～250g之间，为了简化布线，该研究还开发了一种串联各开关的电阻器梯形电路。

图23 梳齿状惯性开关[30]

图24 由电阻阶梯连接的多阈值惯性开关[17]

除此之外，通过调整惯性开关中引入的静电力大小，单个器件也可以实现多个阈值。前述提到的Kim等[30]利用静电梳齿结构的设计，即可实现惯性开关在低阈值范围内的适当调节。相比于前一种思路，利用静电力调整开关阈值的方法更加精确连续且芯片占用面积更小。

2.4 惯性开关接触增强设计

若不对惯性开关的结构进行优化，在较大的加速度冲击下，移动电极会与固定电极发生碰撞并反弹，更强烈的碰撞可能会导致器件结构的损坏，为了避免这些情况，研究者们对惯性开关器件的结构进行了不断的优化设计，以增强其接触时间。虽然优化的设计可能在一定程度上会增加加工难度，但这些改进的结构在延长两电极接触时间的同时，还可有效减弱电极间的碰撞强度，进而延长器件的使用寿命。

2.4.1 压膜阻尼接触增强惯性开关

1999年，日本曙光制动器工业株式会社的传感器公司在Transducers’99会议中报道了一种利用压膜阻尼效应增加接触时间的MEMS惯性开关，并在后续的研究中对这种设计做了详细的报道[31]。该惯性开关具有“玻璃-硅-玻璃”三层结构，硅层的构造如图25(a)所示，由内环质量块、里侧悬臂梁(Inside Beams)、外环质量块、外侧悬臂梁(Outside Beams)结构组成，其中内环质量块作为接触电极，外环质量块则用来产生压膜阻尼效应。当外界提供足够大的加速度时，内环、外环质量块都向下或向上运动，当接触电极与glass层的金弹簧结构(如图25(b)所示)接触时，开关发生闭合。由于外围质量块与glass板之间的狭小间隙产生了压膜阻尼效应，所以在外界加速度消失后开关仍然可以保持长时间的闭合状态。开关的具体工作过程如图26所示。测试结果显示接触电阻为600 mΩ，开关反应速度快，且接触时间长短与加速度值有关，在特定条件下，接触时间可达6 ms。

图25 压膜阻尼接触增强惯性开关[31]

图26 压膜阻尼接触增强惯性开关工作原理示图

然而，由于该类型的惯性开关需要较大的接触面来产生压膜阻尼，所以质量块的尺寸较大，不利于器件的微型化；其次，惯性开关的接触时间受多种因素的影响，特别是对于高阈值的惯性开关，阻尼吸附力相对于可动电极的弹性恢复力而言会变得较弱，这时就需要采用更大的阻尼吸附作用以延长接触时间，而这在微机械结构中也是极具挑战性的。

2.4.2 碳纳米管接触增强惯性开关

韩国延世大学Lee等[5]提出了在惯性开关电极间引入可形变的碳纳米管(Carbon Nano Tubes，CNT)来增强接触时间的方案，如图27所示。CNT具有优异的机械弹性、回弹性和导电性，可用于作为机电导电材料，在外界冲击作用下，移动电极向固定电极移动，CNT接触板发生弹性变形，开关闭合时间得以延长，甚至可达114 μs，从而确保输出信号的可靠性和稳定性。虽然嵌入CNT的惯性开关适合长期重复使用，其接触位置也不容易发生疲劳破坏，然而，所引入的CNT织布工艺无疑会给器件的加工制作带来极大的挑战。

图27 利用CNT实现接触增强的惯性开关[5]

2.4.3 静电吸附接触增强惯性开关

上海微系统所的Jia等[32]提出将静电力引入微悬臂梁形式的惯性开关，其工作原理和结构设计分别如图28和图29所示。静电力引起的静电拉入现象可以保证开关实现持续稳定的闭合状态，这种状态甚至可以保持到冲击消失结束后。

图28 引入静电力的惯性开关原理图[32]

图29 使用悬臂梁作为可动电极的静电吸附型惯性开关[33]

2011年，韩国科学技术研究院(KAIST)报道了一种可被应用于集成电路的悬臂梁形式的惯性开关[33]，研究者在悬臂梁电极下端引入了栅极和漏极，且使栅极和悬臂梁的长度相等，如图30所示。当碰撞发生时，电磁吸附力可以抑制碰撞时的反弹现象，以延长可动电极与漏极的接触时间，但需要注意的是电磁干扰可能导致该器件的吸附失效。

图30 应用于集成电路且防反弹的悬臂式惯性开关[33]

2.4.4 锁扣式接触增强惯性开关

为了增强开关的接触，多家研究机构考虑在惯性开关中设计锁扣结构，以实现更为可靠的较长时间的开关闭合。这类开关的原理和结构组成基本相似，以Currano等[34]研究的插锁机制冲击惯性开关为例，其结构如图31所示。器件整体为双重对称设计，质量块被4个弹簧悬挂支撑并对y轴上的加速度敏感，且质量块上附着有可与插锁结构相配合的部件。插锁结构则被设计为悬臂式，使其在敏感方向上具有较高的刚度，而在敏感方向的垂直方向上具有较低的刚度；对应于质量块向y轴正方向或负方向运动的两种情况，4个插销结构被分为两组，当质量块向正方向运动时，正方向上的一组插销结构被接通，反之则另外一组被接通。开关闭合后，为了使其重置以实现器件的重复使用，还引入了V形梁式热执行器，当有电流通过时，产生的焦耳热引起导电梁产生热膨胀形变，进而推动插锁结构与质量块解锁，使质量块恢复原位。显然，该惯性开关的解锁复位过程比较复杂，从而导致器件的可靠性降低，制造成本增加。

图31 锁扣式接触增强惯性开关[34]

2.4.5 柔性结构接触增强惯性开关

当可动电极与固定电极发生刚性碰撞时，两电极的反弹现象势必导致二者接触时间较短，且很容易破坏开关结构，降低器件的可靠性。为了减弱这种刚性碰撞，研究人员在两个电极的接触位置处设计了柔性结构。虽然柔性结构的引入增加了器件制作的难度，但使开关的寿命得以延长。上海交通大学Yang等[35-36]先后提出在移动电极质量块上引入由弹簧悬挂支撑的接触点、柔弹性悬臂梁结构，以消除电极间碰撞时的弹跳现象，结构分别如图32和图33所示。

图32 带有可移动接触点的质量块[35]

图33 质量块上的弹性悬臂梁元件[36]

类似地，北京大学微电子研究所Deng等[37]则在可动电极与固定电极上分别引入动触点和级联梁这两种非线性弹簧止动结构，如图34所示。该方案更大程度地减弱了碰撞时的反弹现象，从而延长了惯性开关的闭合时间并提高了器件的可靠性，其在加速度阈值为600g的条件下，器件的接触时间可达450 μs。

3 MEMS惯性开关的加工工艺

MEMS器件的加工是由微机械加工发展而来的工艺方法，是在集成电路制造工艺的基础上发展起来的。通常， MEMS惯性开关的工艺基本可分为两大类：体硅微加工工艺和非硅表面微加工工艺。体硅微加工工艺较为成熟，一般在硅片或绝缘体上硅(SOI)晶片上形成开关的可动结构，可通过深硅刻蚀工艺实现较大的深宽比，但制作的惯性开关结构层数有限。非硅表面微加工工艺则结合了牺牲层技术和微结构电镀技术来构造开关中的可动结构，其中，光刻胶可被用作牺牲层在非硅基底上铸模，并与微金属电镀工艺结合使用，非硅表面微加工工艺可实现多层悬空金属结构的叠层制造，并完成高深宽比的精细加工。表1对MEMS惯性开关的两种加工工艺进行了比较。

3.1 体硅微加工工艺

MEMS惯性开关的体硅微加工工艺一般是在硅晶圆或SOI晶片上进行的，其利用SiO2、光刻胶等材料作为掩膜，通过湿法刻蚀、反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)或深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)等方法对硅层(器件层)进行刻蚀以形成惯性开关中的运动质量块，该工艺过程还常常涉及形成SiO2层的热氧化或化学气相沉积工艺、在硅基板或玻璃基板上形成电极的溅射工艺，以及为了改变电阻率或形成腐蚀自停止层而进行的掺杂工艺等。

表1 MEMS惯性开关的两种加工工艺比较

Jia等[32]利用典型的体硅微加工工艺制作了微悬臂式的惯性开关，图35展示了其涉及的主要微加工工艺步骤。

图35 微悬臂式惯性开关的主要加工工艺[32]

3.2 金属基表面微加工工艺

用于制作MEMS惯性开关的非硅微加工工艺实际上是以金属基表面微加工工艺为主。与体硅微加工工艺不同，它结合了牺牲层技术和微结构电镀技术，并在石英或玻璃基底上完成惯性开关的制造。随着惯性开关的结构越来越复杂、层数越来越多，金属基表面微加工工艺展现出明显的优势。

图36展示了惯性开关表面微加工工艺的基本制备路线。首先，使用物理或化学方法对玻璃或石英基片进行清洁，然后在基底上溅射一层复合金属薄膜用作电镀时的种子层，而后再旋涂一层光刻胶到基底上，对其烘烤固化后通过UV-LIGA工艺进行光刻；显影后，掩膜版上的图形就转移到了光刻胶上；然后通过微结构电镀技术将镍等金属电镀到种子层上，便形成了惯性开关的第一层微结构，然后再重复如上的工艺过程。若制作过程中出现上一层图形的开口比下一层的大时，则需要先在下一层的光刻胶上溅射一层新的种子层，而后再进行后续的相关工艺步骤，制作器件的工艺过程还涉及表面整平、等离子表面清洗等处理步骤。总之，金属基表面微加工工艺主要涉及了清洗非硅基片、溅射金属种子层、旋涂光刻胶、光刻和显影、微结构电镀和释放等[2]。

图36 MEMS惯性开关金属基表面微加工工艺过程设计[2]

依据具体功能设计好惯性开关结构后，灵活应用上述各项工艺，即可形成一套完整的金属基惯性开关加工工艺流程。图37为上海交通大学Cai等[38]设计的用于制作具有可动触点接触增强型非硅MEMS惯性开关的工艺流程。

图37 具有可动触点的接触增强惯性开关制造工艺流程[38]

3.3 异质集成微加工工艺

近年来，一些研究人员将体硅微加工工艺同非硅表面微加工工艺结合到一起，设计了一种新型工艺——异质集成微加工工艺。上海交通大学Zhang等[39]利用硅片的干法刻蚀、多层金属电镀和Au-Sn键合等工艺制作了具有静电吸合功能的MEMS惯性开关。图38为其所设计惯性开关的基本物理模型。在两个平行板电极上加载适当的偏压，利用其产生的静电力来延长开关的接触时间；通过调整偏压的大小，惯性开关的阈值也可在一定范围内进行调节。

图39展示了这种基于异质集成制造MEMS惯性开关的主要工艺步骤。器件的移动电极即质量块主要通过体硅微加工工艺制成，并以金属表面微电电镀作为辅助工艺制成弹簧结构；器件的上层结构完成后，需在侧壁溅射Cr/Au薄层以降低接触电阻；然后，在玻璃基片上采用表面微加工工艺来制作器件的下层结构，具体的工艺步骤需要根据具体的器件结构进行设计。需要注意的是，在下层结构的最顶部需电镀一层锡用于键合，再电镀一层金用来抑制锡的氧化。制作该MEMS惯性开关的最后一步是将上下两部分结构对准加压，然后将它们放入加热至250 ℃的甘油中保持10 min，再进行冷却、冲洗和超临界干燥等工艺步骤，以实现开关器件的可靠键合。

图38 Zhang等设计惯性开关的物理模型[39]

图39 异质集成惯性开关制造工艺流程[39]

异质集成微加工工艺集合了体硅微加工工艺和金属基表面微加工工艺的优点，但工艺步骤有所增加，工艺难度也有一定提升。

4 MEMS惯性开关的测试

MEMS惯性开关制作完成后，可对其进行加速度冲击测试，应合理控制冲击的波形、脉宽和幅值，并利用电学测量系统或光学测量系统对其工作性能进行测试和评价。

4.1 MEMS惯性开关的测试装置

为了产生特定的冲击加速度进而评价惯性开关的工作性能，常被使用到的实验测试装置有离心机(如图40所示)、马希特锤(如图41所示)和冲击落锤等。

图40 离心机[40]

图41 马希特锤[31]

Field等[40]利用离心机来模拟冲击环境，将265g的加速度加载到MEMS惯性开关上； Matsunaga等[31]则利用马希特锤来产生开关闭合所需的冲击加速度，当摆锤与制动器发生碰撞时，惯性开关器件将被施加一定的冲击加速度作用。

除了上面所说的两种实验装置外，更多的研究人员选择冲击落锤来模拟环境加速度，图42为落锤装置的示意图。落锤从某一高度被自由释放后下落，最后与固定平台碰撞，固定平台上放置的两块缓冲垫使得落锤与固定平台碰撞时产生半正弦波形的冲击加速度，加速度幅值随落锤和固定平台之间的高度H变化而变化，且二者呈正向关系。此外，基台刚度可以通过改变缓冲垫的厚度和材质来调整，进而调整产生的加速度的冲击脉宽。

图42 落锤冲击测试系统[32]

4.2 MEMS惯性开关的测试方法

MEMS惯性开关的测试方法一般可分为两种：电学测量和光学测量。这里以落锤测试装置为例。电学测量的原理如图43所示，制作的惯性开关与标准加速度计都被安装在落锤上，其中，加速度计用于作为惯性开关测试过程中的标定。将惯性开关与一个固定电阻和直流电源串联形成回路，将电阻的高电平与低电平两端接入示波器通道的高、低电平端，标准加速度计的高、低电平也分别连接示波器通道二的高、低电平端；当开关导通时，示波器可以同时捕捉到加速度计和惯性开关的输出信号。

标准加速度计可实时输出加速度信号来作为惯性开关测试过程中的标定，当冲击加速度大于惯性开关的阈值时，开关闭合进而输出脉冲信号，且只要开关闭合，回路就会有导通信号，反之则无信号输出。据此原理，研究者们可以根据脉冲信号的特征来分析阈值、响应时间、接触时间等惯性开关的重要性能参数。

图43 惯性开关的电学测量方法原理示意图

然而，电学测量方法只可以通过输出的电学信号间接地判断MEMS惯性开关的工作情况，不能准确、具体地反映器件移动电极、固定电极等部件的详细运动和形变过程。一些研究人员则利用光学测量方法，实现对惯性开关工作过程的实时动态监测，以弥补电学测量方式的不足。图44为Currano等[41]搭建的带有视频捕捉的冲击测试系统示意图，一台高速摄像机被安装在显微镜上，该显微镜悬置于振动台上，当有加速度冲击产生时，加速度计的输出信号可经示波器来触发高速摄像机，从而开始记录惯性开关的详细工作过程，图45为该实验台拍摄的锁扣式接触增强惯性开关的闭合过程。

5 总结与展望

MEMS惯性开关是集传感与执行器为一体的MEMS无源器件，既可以作为传感器进行加速度阈值的检测，又可以作为执行器实现开关的闭合动作，具有体积小、质量轻、制造成本低和近零功耗等显著优点，被广泛地应用于玩具、货物运输监测、安全气囊约束系统以及军事等领域，特别是在远程监控、无人值守平台等电量有限的应用场景中，惯性开关展现出明显的优势。近几年迅速发展起来的物联网也为MEMS惯性开关提供了更广阔的发展和应用空间，同时也提出了更高的要求。本综述主要从工作原理、器件的结构设计及其功能、加工工艺及测试等方面，对国内外的MEMS惯性开关研究工作进行了较为全面的阐述，旨在让有意置身于MEMS惯性开关研究的人员对该领域进行快速全面的了解并找到合适且感兴趣的研究方向，进而加速该MEMS器件的进步与发展。最后对MEMS惯性开关的发展趋势做如下概括。

图44 带有高速视频捕获的冲击实验台[41]

① 就单轴敏感MEMS惯性开关来说，其接下来的研究重点主要是如何提高轴向灵敏度并降低非敏感方向上的扰动影响。但总体来说，惯性开关的敏感方向有着从单轴向多轴的发展趋势，以减小器件占用的空间，拓宽其应用范围。

② 为了提高集成度，MEMS惯性开关的阈值检测由单一阈值向多阈值方向发展。多阈值的惯性开关可以对不同程度的冲击做出相应的反应，如多层碰炸检测等，从而使器件能够适用于更复杂的环境，不断提高其智能化。

③ 随着可穿戴设备的发展，需要检测的加速度阈值通常小于5g甚至1g，低阈值逐渐成为MEMS惯性开关的重要发展趋势。

④ 继续优化MEMS惯性开关的结构设计，或引入新的材料体系，尤其是各类非硅金属材料、纳米材料、聚合物材料，甚至二维材料等，以从响应时间、接触时间和抗过载能力等重要参数上去提高器件的工作性能。

⑤ 随着设备的小型化发展，以及市场对高集成度传感与检测的需求，MEMS惯性开关在向着MEMS/CMOS集成的方向发展，感知元件与信号处理单元集成于同一个芯片上，以缩小整个系统的体积，不断提高集成度和多功能化。