微惯性开关制作过程中界面结合强度研究

在利用微电铸工艺制作惯性开关的过程中,经常会出现由于界面结合强度低而引起的铸层翘起问题。微电铸层与基板的界面结合强度低会降低微开关的制作成品率、延长制作周期、增加制作成本。针对这一问题,本文从界面钝化膜的角度,采用了“电解活化去除钝化膜”和“引入Cu过渡层”的方法。为探究钝化膜对界面结合强度的影响,通过Materials Studio软件对不同钝化膜去除率模型的界面结合能进行仿真计算,计算结果表明钝化膜去除率越高越有利于界面结合强度的提高,在完全去除钝化膜后界面结合强度提高了197%;为探究过渡金属对界面结合强度的影响,分别以Cu,Cr,Ti作为过渡层,与不锈钢基板和镍铸层建立结合层体系,计算体系的结合能,计算结果表明Cu与基板、Cu与铸层的结合能最高,与未引入过渡金属相比,引入Cu后界面结合强度提高了81%。在仿真研究结果的基础上,开展了电解活化实验,通过电解活化法去除了基板表面的钝化膜,实验结果表明:电解活化区域铸层的界面结合强度明显高于未活化区域铸层的界面结合强度;同时开展了铜过渡层实验,对比了有无Cu过渡层的界面结合强度,实验结果表明:引入Cu后,铸层的界面结合强度明显提高。在上述仿真和实验结果的基础上,制作出尺寸为23 mm×20 mm、总高度为900μm的微惯性开关。

应用双埋层SOI工艺制备低g值微惯性开关

采用双埋层SOI(Silicon-On-Insulator)材料,结合KOH腐蚀工艺、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺、阳极键合以及喷雾式涂胶工艺,研制了一种基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关。利用二氧化硅KOH腐蚀/ICP刻蚀自停止的特点,平面矩形螺旋梁厚度的精度为±0.46μm。分析了双埋层SOI材料的电学特性,采用等电位技术,实现了双埋层SOI与上下两层硼硅玻璃的阳极键合。采用玻璃无掩模湿法腐蚀技术,在玻璃封盖底部设计制作了大小为200μm×200μm的防粘连凸台,解决了芯片在清洗干燥过程中的粘连问题。采用ICP刻蚀用硅衬片方法,解决了ICP刻蚀工艺中高温导致的金硅共晶合金问题。实验验证显示,提出的方法效果较好,芯片成品率得到较大提高,为大批量地研制低g值微惯性开关提供了可靠的工艺基础。

用于低g_n值微惯性开关的低刚度平面微弹簧设计与制作

针对低gn值微惯性开关对微弹簧系统刚度的要求（0．1～1N／m数量级），设计了一种基于平面矩形螺旋梁结构的平面微弹簧。假设材料均匀、连续且具各向同性，根据材料力学的卡氏定理和线弹性理论，推导得到了微弹簧的弹性系数计算公式，并根据ANSYS有限元仿真分析结果对其进行了修正。基于多层高深宽比硅台阶刻蚀方法，采用MEMS体硅加工工艺，完成了微弹簧的制备，划片后微弹簧芯片尺寸为7mm×7mm×0．3mm。分析结果表明，完善后的弹性系数计算公式与ANSYS仿真结果更为接近，可直接应用于微弹簧的结构优化设计以简化设计过程。纳米压痕法的测试结果表明，微弹簧样品的弹性系数约为0．554N／m，满足设计要求。该微弹簧具有体积小、结构简单、加工容易实现等特点，其成功研制为实现低gn值微惯性开关的工程实用化奠定了基础。

基于MEMS技术的低g值微惯性开关的设计与制作

惯性开关是一种感受惯性加速度,执行开关机械动作的精密惯性装置。选用典型的"弹簧-质量-阻尼"结构,研制了一种基于平面矩形螺旋梁的低g值(1gn^30gn)微惯性开关。惯性敏感单元由一个方形质量块和支撑它的两根螺旋梁组成,采用ANSYS有限元软件对其进行了仿真分析。采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装技术,包括KOH腐蚀、ICP刻蚀和喷涂工艺等关键工艺技术,完成了微惯性开关的制备,划片后芯片尺寸为7 mm×7 mm×1.5 mm。经离心实验测试,微惯性开关的闭合阈值约为4.28gn,导通电阻约为9.3Ω。多次测试结果表明,微惯性开关具有0.5gn的闭合精度,多次测试重复性较好,具有体积小,结构简单,加工容易实现等特点。

基于复合形法的低g微惯性开关结构优化设计

低g值微惯性开关是一种感受惯性加速度、执行开关机械动作的精密惯性装置,其设计目的包括减小体积、提高抗振性和产品间闭合阈值一致性等综合性能。针对一种基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关,在给定条件下以增大螺旋梁厚度为目标进行优化建模,运用复合形法的MATLAB语言程序进行优化设计。结果表明,经优化设计后,管芯"弹簧-质量"结构面积为0.09cm2,与初始设计相比减少了约46.5%,满足应用环境的要求。优化模型梁厚度为36.3μm,比初始设计增大了约21%,验证了优化算法的有效性。与传统设计方法相比,复合形法具有较高的实用性和优化效率。为实现对螺旋梁厚度的精确控制,提出了基于双埋层SOI硅片的管芯"弹簧-质量"结构加工工艺方案,并进行了初步的工艺流片。

微惯性开关L型闭锁梁分析

分析了目前微惯性开关中3种闭锁机构的基本工作原理。利用力学能量方法对L型闭锁机构的闭锁梁在主电极惯性力作用下的打开状态与闭锁状态的位移比,以及闭锁梁的动态位移进行了理论推导,进一步完善了此类闭锁机构的数学模型。在闭锁梁理论公式的推导过程中,利用ANSYS仿真软件对理论公式进行验证,并明确了理论公式的适用条件。分析结果表明,仿真值与理论值之间的相对误差小于5%,证明了理论公式的准确性。为提高L型闭锁梁的闭锁稳定性,分析主要结构参数对闭锁梁结构稳定性的影响,所得结果为L型闭锁机构的设计提供了重要的理论依据。

基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关的研制

以弹性材料单晶硅为结构材料,研制了一种基于平面矩形螺旋梁的低g值(1 g～30 g)微惯性开关.根据材料力学中的卡氏定理和线弹性理论,推导得到了惯性开关闭合阈值的计算公式,其计数结果与ANSYS有限元分析结果的相对误差小于3%.为提高低g值微惯性开关的环境适应能力,提出双触点和低频弹簧-质量的结构设计方案.为提高结构尺寸的加工精度,提出基于双埋层SOI的低g值微惯性开关加工工艺方案.采用KOH腐蚀、ICP刻蚀和喷涂工艺等关键工艺技术,完成了微惯性开关的制备,划片后芯片尺寸为7mm×7mm×1.3mm.经离心试验测试,微惯性开关的闭合阈值为6.45 g,具有优于±0.5 g的闭合精度.通过随机振动和高温等环境试验后,2只微惯性开关样品闭合阈值的变化量小于0.5 g,表明微惯性开关具有较好的环境适应能力和机械性能.

低g值微惯性开关单向敏感性设计与分析

选用典型的"弹簧-质量"系统,基于平面矩形螺旋梁结构,研制了一种具有良好单向敏感性的低g值微惯性开关。采用ANSYS有限元软件,对惯性开关的单向敏感性进行了静力学仿真分析。分析结果表明,横向加速度对惯性开关闭合阈值的影响较小。采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装技术,包括KOH腐蚀、ICP刻蚀和喷涂工艺等关键工艺技术,完成了微惯性开关的制备。经离心试验测试,微惯性开关的闭合阈值约为12.26g,具有约±0.2g的闭合精度。当横向惯性加速度小于15g时,对其闭合阈值的影响小于0.5g。测试结果表明,微惯性开关具有较好的单向敏感性,多次测试重复性好,具有体积小、结构简单、加工容易实现、环境适应性好等特点。

低g值微惯性开关中阿基米德平面螺旋梁的设计

针对低g值微惯性开关对微弹簧的系统刚度达到(0.1~10)N/m数量级的要求,设计了一种阿基米德平面螺旋梁结构的微惯性开关。根据材料力学中的卡氏定理和线弹性理论,推导了阿基米德平面螺旋梁的弹性系数计算公式,并与ANSYS有限元仿真分析结果进行了对比。基于推导的弹性系数计算公式设计了一种三根阿基米德平面螺旋梁支撑的动作阈值5.5gn的微惯性开关,并采用SOI硅片以及玻璃-硅-玻璃键合技术进行了加工,在离心转台上对开关实际动作阈值进行测试,并将测试值与设计值进行对比。结果表明,采用推导到的阿基米德平面螺旋梁弹性系数计算公式计算结果与ANSYS仿真结果相近,基于推导的弹性系数计算公式设计的三根阿基米德平面螺旋梁支撑的微惯性开关动作阈值设计值与实测值相近,单根阿基米德平面螺旋梁弹性系数约0.8 N/m,能够满足低g值微惯性开关低刚度的要求,推导的弹性系数计算公式能够用于基于阿基米德平面螺旋梁的低g值微惯性开关的设计。

低g值微惯性开关防粘连结构的设计与制作

低g值微惯性开关是一种感受惯性加速度、执行开关机械动作的精密惯性装置。为了解决开关芯片在清洗干燥过程中的粘连问题,提高器件的成品率,提出了防粘连的梯形凸台结构。该结构尺寸约为135μm×135μm×20μm,采用玻璃无掩膜湿法腐蚀技术在深约85μm的玻璃封盖底部实现。通过减小质量块与玻璃封盖底部的接触面积,弱化液体表面张力和范德华力的影响,避免了粘连现象的发生,使得低g值微惯性开关芯片在清洗干燥环节的合格率约达95%。采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装技术,完成了带有防粘连凸台结构的低g值微惯性开关的制作。玻璃无掩膜湿法腐蚀技术具有工艺简单、便于操作等优点,它的成功应用较好地满足了器件产业化的要求,为批量研制低g值微惯性开关提供了可靠的工艺基础。

抗高过载微流体惯性开关

基于微连通器结构,提出了一种使用盐水(Na Cl溶液)作为工作流体且具有高的抗过载能力的微流体惯性开关。分析了液滴的分离机理,设计了开关的流道结构。然后,对开关进行了理论分析,建立了开关模型。最后,利用流体动力学仿真和样机实验相结合的方法,对开关结构和功能进行了验证。验证结果显示:在幅值为30 000 g阶跃型加速度作用下,开关的工作流体仍未发生分离,加速度的幅值与开关响应时间相关。另外,开关样机能够使盐水液面形成高度差,样机的静态加速度阈值为134.6 g^152.3 g,非常接近其理论计算的加速度阈值142.7 g。得到的结果表明,采用的微连通器结构能够极大地增强微流体惯性开关的抗液体分离能力,能够对加速度幅值进行区分,并实现闭锁功能,同时显示了高的抗过载能力。

新型微流体惯性开关的结构设计及仿真

传统机械式引信"固-固"接触型微机械惯性开关存在触点接触压力小、接触电阻大、易磨损退化以及抗振动干扰差等缺点,且"固-固"接触方式闭合或者断开瞬间会产生电火花,从而产生瞬时电磁干扰。采用一种新型超低温导电液作为流体介质,利用其惯性流动导通触点,此液体不仅作为惯性力的执行部件,且作为保证开关导通及保证闭合状态的部件。该微流体开关具有区分正常发射环境和勤务跌落环境的性能,利用Fluent软件进行仿真分析液体在上述两种情况下的运动状态,得到液体在勤务状态无法接通触点而在正常发射情况可以稳定接通的结果。仿真还分析了开关的闭锁能力,通过改进结构解决了触点处液体松散或附着气泡的问题。

微惯性接电开关载荷识别机构设计中的能量分析法

针对原有微惯性接电开关载荷识别机构的设计中无法解释单次碰撞和特征参数影响的局限性,提出微惯性接电开关载荷识别机构设计中的能量分析法。该方法基于载荷识别机构的工作原理,通过不同类型载荷下碰撞的能量损失的差异来实现载荷识别,从开关系统的能量得失角度,即惯性力正功和碰撞动能损失两方面对开关对于发射载荷和勤务跌落载荷的识别能力进行分析。仿真验证结果表明,该方法可以更好地描述单次碰撞过程,并且在载荷识别机构的设计中可以作为辅助设计方法以得到设计参数的优选值。

微机电惯性开关智能设计系统

针对目前微机电系统(Micro Electromechanical Systems,MEMS)惯性开关设计知识和经验逐步扩大和提高,但没有一套设计系统可以对以往知识和经验进行高效利用的状况,提出一种微机电惯性开关智能设计系统的开发方案。通过将知识工程引入到微机电惯性开关设计,开发出一套包含知识库、实例库、综合数据库、推理机制和虚拟试验5大模块的设计系统。系统测试表明,基于实例和知识的智能设计系统,能够实现经验与实例的有效重新利用。

高阈值长脉宽响应的微流体惯性开关

为了实现智能武器电源管理,针对正常发射和勤务跌落两种典型的加速度信号,提出了一种高阈值长脉宽响应的微流体惯性开关。该开关主要由环形微通道和三级毛细阀组成,具有识别两种典型加速度的能力,并在正常发射后坐加速度的作用下实现可靠接通。首先,介绍了开关的设计概念及工作原理。然后,采用湿法刻蚀和磁控溅射金属技术制作了样机。最后,结合有限元仿真和样机实验验证了开关的功能。有限元仿真分析表明:该开关在幅值为12 000g,脉宽为300μs的勤务跌落载荷下保持断开,在幅值为20 000g,脉宽为4ms的后坐载荷下可靠接通,开关阈值为3 300g。实验结果表明:该开关在幅值为12 800g,脉宽为219μs的勤务跌落载荷下保持断开,开关的静态阈值为3 257.2g～3 317.3g,开关的理论阈值为3 590.9g,理论公式能较好地预测开关的阈值。

双向抗高过载微流体惯性开关

为实现微流体惯性开关在智能弹药引信系统中的应用,提出一种双向抗高过载微流体惯性开关,解决高冲击作用下由水银液滴分离造成的开关接触不稳定问题.基于微通道内水银液滴所受毛细力原理,设计蛇形缓冲通道与三级毛细阀结构.分析收缩型毛细阀与扩张型毛细阀中水银液滴的受力状态,建立矩形截面通道中水银液滴的静态阈值模型;采用用户定义函数(UDF)施加加速度载荷对开关进行有限元仿真.通过仿真分析可知,该惯性开关在典型正向勤务跌落载荷与典型反向勤务跌落载荷作用下,水银液滴可恢复至初始状态,不会产生液滴分离现象,表明开关具备可靠的抗高过载能力.采用两次离心试验完成微小水银液滴的制备与注液,对所制作的微流体开关样机进行Machete落锤冲击试验.试验结果表明:开关在典型正向冲击载荷与典型反向冲击载荷作用后,水银液滴未发生液滴分离现象,与仿真结果一致.

微流体惯性开关用磁流变液流动特性分析

针对目前微流体惯性开关流动电极材料单一、阈值较低且无法调节等问题,以磁流变液为流动液体,提出一种高g值,且阈值可调的微流体惯性开关。首先对磁场环境下磁流变液的阈值特性、速度分布和流动特性进行了理论建模和数值模拟,并对MRF-132AD磁流变液在矩形微通道中的流动特性进行有限元仿真。数值模拟和仿真结果表明:调控外加磁场可调节基于磁流变液的微流体惯性开关的阈值大小,且磁流变液的流速随着外加磁场的增大而变小,具有微阀功能,阈值可调范围为0～2 885 g_n,可用于高g值、宽阈值的微流体惯性器件。

刻蚀-相分离法表面疏液处理提升液态金属基微流体惯性开关阈值性能

液态金属基微流体惯性开关,因其集感控于一体而得到重点关注。在开关设计中,改变流体与微通道壁面的接触角可以实现开关阈值范围的调节,提高微流体惯性开关的灵敏性。面向镓铟锡合金基微流体惯性开关,研究通过刻蚀-相分离法对微流道基底(Polymethyl methacrylate,PMMA)进行表面超疏液改性,使PMMA表面同时发生化学刻蚀、相分离和SiO2沉淀过程,进而形成PMMA-SiO2的梯度粗糙表面。详细研究溶剂配置、成分配比和反应工艺参数对PMMA表面粗糙度的影响,并且开展超景深显微镜、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)和红外光谱仪的表征,发现使用四氢呋喃和无水乙醇按1∶1比例配比,且加入15 mg/mL的二氧化硅时,能够得到更有利于PMMA疏液性的表面粗糙结构。最终,通过此表面改性方法,成功实现镓铟锡合金基微流体加速度开关阈值从52.54g改进到了28.62g,满足了原液态开关的设计要求。