采用牺牲型多层膜和热电驱动技术的微加工密封件开启机制的优化

《Sensors and Actuators A: Physical》：Optimization of the opening mechanism for micromachined sealings with a sacrificial multi-layer-membrane and thermoelectric actuation

硅氮化物微传感器密封膜的电热破裂与自卷曲效应研究。通过多层膜结构和Parylene-C层优化，实现可控密封开启，避免碎片飞溅。采用多电极阵列和有限元模拟优化热应力分布，验证了分层膜结构的高效开启特性及封装可靠性提升方案。

　　
本文聚焦于开发一种可靠的微机电系统（MEMS）密封开启技术，旨在解决传感器封装中常见的碎片问题。研究团队通过结合多层膜结构设计与功能性聚合物层，成功实现了可控的密封开启机制。该技术特别适用于需要无菌环境或化学防护的精密传感器，例如生物传感器或化学检测设备。

核心创新点体现在两个方面：首先，通过双层次膜结构（硅氮化物与二氧化硅复合层）利用残余应力差异引发膜的自卷曲效应，使密封破裂后形成可控的圆形或扇形开口；其次，采用聚酰亚胺-C（Parylene-C）作为功能保护层，在维持密封性的同时，有效固定破裂后的碎片。

研究过程中对比了多种电极设计方案。单电极结构（如环形或十字形）虽能实现快速加热，但存在破裂方向不可控、碎片飞散等问题。通过引入多级加热单元，团队成功构建了具有导向功能的破裂路径。实验显示，将电极分割为4-12个扇区并配置不同电阻率的加热点后，膜结构能按预定路径撕裂并形成稳定的卷曲结构。例如，四电极交叉布局配合分阶段加热，可实现膜面的定向撕裂，最终形成完全暴露的传感器表面。

在材料选择方面，研究采用低应力硅氮化物（残余应力80-200MPa）作为主密封层，其低热导率特性（3W/m·K）能有效聚集热量。底层二氧化硅（热导率0.2W/m·K）通过控制应力平衡（残余应力-260MPa）实现结构稳定性。特别值得注意的是，聚酰亚胺-C层厚度仅0.7μm，却能有效约束碎片运动，且在5.5V低电压下即可实现安全破裂，避免高温对传感器元件的损伤。

实验数据显示，优化后的电极设计（如四电极并行供电）可使膜结构完全开启所需能量降低至17mJ，破裂时间控制在48ms以内。红外热成像与有限元模拟的对比验证了温度场分布的准确性，特别是多层复合结构的热传导模型预测误差小于15%。通过调整加热单元的电阻分布（如环形设计从顶部到底部电阻梯度提升4.5倍），可实现破裂起始于低电阻区域并逐步向高电阻区域推进，确保膜体卷曲方向可控。

研究还提出了关键工艺参数优化路径：首先通过湿化学刻蚀形成预定义的Parylene-C开槽，槽宽需匹配预期撕裂路径（约0.5mm）；其次，电极几何参数（宽度22μm、弯曲次数5-18次）需与膜层应力梯度匹配，以实现均匀的热应力分布。测试表明，采用四电极独立供电的扇形分割结构，相较传统单电极设计，碎片残留概率降低92%，完全开启时间缩短至125ms。

该技术已成功应用于直径7mm的微传感器封装，较传统3mm膜结构在保持功能性的同时，显著提升防护等级（可抵御湿度>95%和有害气体环境）。特别设计的聚酰亚胺保护层（厚度0.7-2.5μm）不仅防止碎片飞散，还能在破裂后形成机械屏障，避免残留物污染检测区域。实验数据显示，经过表面活性剂预处理（3-甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷与异丙醇混合液浸泡），聚酰亚胺与硅氮化物界面结合强度提升40%，有效抑制应力集中导致的提前失效。

未来改进方向包括：开发多材料复合膜结构（如引入石墨烯增强层）以优化热应力分布；改进Parylene-C开槽工艺（采用激光微纳加工技术）提升路径精度；研究脉冲电压驱动模式，预计可使开启能量降低30%以上。该技术已通过中德联合认证（ZIM项目编号KK5039203KS1），具备产业化应用潜力，特别适用于植入式医疗传感器、环境监测芯片等需要快速暴露敏感元件的场景。