高g值MEMS开关设计与性能分析：提升电流承载能力的创新研究

针对高g值(500 g)微机电系统(MEMS)惯性开关电流承载能力不足的问题，研究人员采用绝缘体上硅(SOI)技术设计了一种四梁并联支撑结构的开关。通过模态分析和瞬态响应模拟，证实该结构具有4.2 kHz谐振频率和230-380 μs接触时长，金涂层使导通电阻降至2.5 Ω且温升<50oC，为国防和航空航天应用提供了高性能解决方案。

　　

在国防和航空航天领域，微型化、高可靠性的加速度传感器需求日益迫切。传统微机电系统(MEMS)惯性开关面临两大技术瓶颈：一是高加速度(>500 g)环境下机械稳定性不足，二是大电流通过时因焦耳加热导致的性能劣化。这些问题严重制约了其在弹载系统、冲击监测等关键场景的应用。

针对这些挑战，固态物理实验室(SSPL)的研究团队在《Micro and Nanostructures》发表了一项创新研究。他们采用绝缘体上硅(SOI)技术，设计了一种具有四梁并联支撑结构的MEMS开关。该设计通过独特的机械构型优化和材料工程，实现了高g值环境下的稳定接触与卓越的电流承载能力。

研究采用多物理场耦合仿真方法，结合SOI微加工工艺实现器件制备。通过模态分析确定结构谐振特性，瞬态响应模拟评估开关动态性能，并引入电热耦合模型量化焦耳热效应。实验验证阶段采用半正弦加速度脉冲(0.25-1 ms脉宽)进行动态测试，同时测量不同硅电阻率(0.05-0.005 Ω-cm)下的导通特性。

Device structure modelling and simulations
研究团队设计了1000 μm×1000 μm的方形质量块，由四组串联-并联梁结构悬置于4 μm深腔体上方。有限元分析显示该构型在y轴方向具有4.2 kHz基频模态，优于传统悬臂梁结构。通过参数化扫描发现，梁长度L₁和L₂的非线性变化可显著调节位移灵敏度，而30 μm器件厚度在机械强度与响应速度间取得最佳平衡。

Results and discussions
在500 g加速度下，开关展现出230-380 μs的可调接触时长。值得注意的是，当输入脉宽从0.25 ms增至1 ms时，接触持续时间呈现2.5-370 μs的宽范围调控特性。电学测试显示，155 V的吸合电压(pull-in voltage)确保可靠触发，而金涂层使导通电阻降至≤2.5 Ω，较裸硅结构降低60%。焦耳热分析表明，1A电流下金涂层结构的温升控制在50^oC以内，远低于未涂层结构的190^oC。

Conclusions
该研究实现了三项重要突破：首先，通过四梁并联结构设计获得4.2 kHz高谐振频率，确保对毫秒级冲击的快速响应；其次，金涂层工艺使导通电阻达到金属开关水平(2.5 Ω)，同时保持单晶硅的冲击耐受优势；最后，创新的热管理方案将工作温升降低74%，显著提升可靠性。这些成果为高g值环境下的可靠电气切换提供了新范式，在智能弹药、航天器缓冲系统等领域具有重要应用价值。

研究团队特别指出，残余质量块运动对连续加速度脉冲响应的叠加效应，为后续研究指明了方向。该工作不仅推进了MEMS开关的性能边界，其提出的"机械-电气-热"协同设计方法论，对其它微型化机电系统开发也具有指导意义。