杜 林,饒進(jìn)軍,吳智政,劉 梅,曹 寧

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)

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非焊接式納米線機(jī)械性能測試器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜 林,饒進(jìn)軍*,吳智政,劉 梅,曹 寧

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)

納米線機(jī)械性能測試中,常見MEMS器件大都采用焊接或沉積方式固定納米線,限制了器件壽命和測試重復(fù)性。針對(duì)焊接方式測試的不足,設(shè)計(jì)了一種非焊接式納米線機(jī)械性能測試MEMS器件。在靜電叉指和支撐梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了利用梁剛度差進(jìn)行夾緊和拉伸操作的結(jié)構(gòu),其中設(shè)計(jì)了V型結(jié)構(gòu)以避免焊接納米線。利用有限元仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,確定了最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸,V型縫隙夾角小于22.5°時(shí)能滿足納米線機(jī)械性能測試要求,所設(shè)計(jì)器件提高了測試器件的重復(fù)利用率。

微機(jī)電系統(tǒng);機(jī)械特性;剛度差;非焊接式;靜電驅(qū)動(dòng);接觸滑移

一維納米線作為機(jī)電系統(tǒng)、電路互連的重要基石,其機(jī)械性能的好壞將直接影響器件根本性能[1],而納米線機(jī)械性能測試是一個(gè)非常復(fù)雜和困難的工作[2]。MEMS器件在納米線測試方面具有一定優(yōu)勢(shì),如體積小、受外界環(huán)境影響小等。國內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了很多探索,測得了諸多納米線的機(jī)械性能。大部分研究組采用聚焦離子束或者沉積焊接方式對(duì)納米線進(jìn)行固定,例如Zhang D F等人采用FEBID(聚焦電子束誘導(dǎo)沉積)方式對(duì)鈷納米線固定測得了楊氏模量[3],Celik E等人采用FIB(聚焦離子束)方式對(duì)鎳納米線進(jìn)行固定測得了彈性模量[4],Zhang Y等人采用EBID(電子束誘發(fā)淀積)對(duì)硅納米線進(jìn)行固定驗(yàn)證其壓阻性能[5],Bhanushali S等人采用沉積方式對(duì)銅合金納米線進(jìn)行固定測得了彈性應(yīng)變和單軸應(yīng)力[6]。在測量完一根納米線后,必須剪切斷該納米線才能進(jìn)行下次測量[7]。多次使用后,納米線焊接殘余部分影響再次測量效果,而且單個(gè)MEMS器件重復(fù)利用率不高。MEMS器件所涉及制造工藝繁雜,單個(gè)MEMS器件成本高[8]。因此為提高M(jìn)EMS器件的利用率,降低使用成本,研制一種非焊接方式固定納米線、可重復(fù)多次測量納米線機(jī)械性能的MEMS器件很有必要。

本文在靜電叉指結(jié)構(gòu)[9]和支撐梁結(jié)構(gòu)[10-11]的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一種利用剛度差進(jìn)行夾緊和拉伸的梁結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了非焊接式納米線機(jī)械性能測試MEMS器件,以提高重復(fù)利用率,并通過COMSOL Multiphysics和ANSYS有限元仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 原理

MEMS器件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由四部分構(gòu)成:驅(qū)動(dòng)部分、樣品部分、力檢測部分、夾持部分。其中驅(qū)動(dòng)部分由靜電叉指結(jié)構(gòu)和支撐梁構(gòu)成,力檢測部分由傳感梁構(gòu)成,夾持部分由兩條V型縫隙構(gòu)成。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)建模分析

基本工作過程:利用納米操作手等工具,將納米線放置在夾持結(jié)構(gòu)V型縫隙中。在靜電拉力作用下,支撐梁先受迫運(yùn)動(dòng),縫隙間距減小,納米線被接觸,靜摩擦力增大;同時(shí)傳感梁也受力變形。傳感梁繼續(xù)變形,納米線由彎曲狀態(tài)被拉直,同時(shí),納米線靜摩擦力繼續(xù)增大。在靜電拉力繼續(xù)作用下,納米線靜摩擦力持續(xù)增大,納米線所受的軸向拉伸力持續(xù)增大。當(dāng)納米線的靜摩擦力增加大于動(dòng)摩擦力,且軸向拉力大于納米線的最大承受力時(shí),納米線出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。根據(jù)被測納米線的實(shí)際長度、傳感梁的間距和傳感梁的最大變形,就可以得到納米線的延伸率和斷裂強(qiáng)度。

驅(qū)動(dòng)部分采用靜電叉指結(jié)構(gòu),提供拉伸樣品的力;樣品部分為待測納米線,具有一定剛度和延伸率;力檢測部分采用懸臂梁結(jié)構(gòu),通過變形大小得出受力大小;V型縫隙間隙變小夾住待測納米線。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是各部分運(yùn)動(dòng)分析和確定結(jié)構(gòu)尺寸。

首先進(jìn)行整體建模分析,各部分之間的關(guān)系如圖2所示。在驅(qū)動(dòng)部分作用下拉動(dòng)樣品,并且引起支撐梁和傳感梁的彎曲變形。根據(jù)受力平衡分析,樣品的驅(qū)動(dòng)拉力和傳感梁的拉力大小相等,因此根據(jù)傳感梁變形受力即知樣品上的力。根據(jù)傳感梁剛度系數(shù)和變形位移可以得到最大變形量。

驅(qū)動(dòng)部分靜電叉指結(jié)構(gòu)類似于平行板電容驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),如圖3(a)所示。當(dāng)電容器極板通電時(shí),在電場作用下,兩極板相互吸引。對(duì)平行板電容結(jié)構(gòu),可以根據(jù)虛位移原理[12],極板間儲(chǔ)能對(duì)位移求導(dǎo)得出該方向上靜電力的大小[13]。靜電叉指結(jié)構(gòu)各尺寸如圖3(b)所示。

圖3 靜電叉指驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖3中,t為器件層厚度,l0為叉指重疊長度,x0為齒間距傳感梁,可以簡化為在集中載荷作用下的懸臂梁[14],如圖4所示。

圖4 梁簡化模型

圖4中,m為梁寬度,l為梁長度兩條V型縫隙構(gòu)成的夾持結(jié)構(gòu)利用不同剛度梁之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,對(duì)納米線夾持和拉伸只需要一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的驅(qū)動(dòng),從而避免了納米線先焊接固定再測量的不足。結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5 V型夾持結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)國內(nèi)外研究者的研究成果,可知拉伸單根納米線所需要的力和位移大小。假設(shè)被測對(duì)象為直徑50 nm,斷裂強(qiáng)度為5 GPa的納米線,斷裂延伸率為8%,被測長度為10 μm,則需要的最大拉伸力9.817×10-6N,拉伸位移0.8 μm,以此參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

器件層要實(shí)現(xiàn)不同電極間的電氣隔絕,夾持和拉伸過程要保持同步,因此整體采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),正負(fù)電極分開一定距離,兩驅(qū)動(dòng)部分采用共線供電方式。對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以夾持納米線兩端,提高夾持的穩(wěn)定性。夾持樣品部分兩條縫隙具有一定的角度,在驅(qū)動(dòng)作用下縫隙距離可以增大或減小。

考慮到微制造工藝成本,器件層厚度不宜太厚;而器件層太薄,則產(chǎn)生的拉力太小,不足以拉動(dòng)納米線,梁在水平方向上的剛度也會(huì)降低。MEMS器件采用較成熟的ICP深硅刻蝕工藝[15-16]。以頂層50 μm、埋層2 μm、底層430 μm的SOI硅片為基礎(chǔ),采用紫外光刻轉(zhuǎn)移圖形,在硅片正面做出頂層圖形再進(jìn)行ICP刻蝕。利用套刻技術(shù)做出背層圖形,利用Lift-off工藝剝離金屬[17],用金屬圖形做掩膜進(jìn)行ICP刻蝕。利用引線鍵合技術(shù)將兩驅(qū)動(dòng)部分電極連在。

通過有限元軟件對(duì)靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、梁結(jié)構(gòu)和接觸縫隙角度進(jìn)行初步仿真分析,可以得出:外界電壓對(duì)電場分布和結(jié)構(gòu)位移具有非線性關(guān)系。重力場對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響較小,可以忽略;支撐梁的數(shù)量和厚度決定了水平方向運(yùn)動(dòng)剛度;傳感梁的長度對(duì)接觸剛度影響很大;接觸縫隙的角度,影響接觸運(yùn)動(dòng)偏移,進(jìn)而影響納米線的滑移。因此,優(yōu)化MEMS器件應(yīng)重點(diǎn)研究電壓對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響、器件層厚度對(duì)梁剛度的影響、懸臂梁長度對(duì)梁剛度的影響和縫隙角度對(duì)接觸滑移的影響。

2.2 電壓對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響

靜電力屬于表面力,叉指結(jié)構(gòu)簡單,在尺寸微小化時(shí),能夠產(chǎn)生較大的力。靜電叉指驅(qū)動(dòng)涉及靜電、結(jié)構(gòu)、重力場的耦合,靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)涉及電壓、尺寸、重力等物理參數(shù),各物理量具有耦合關(guān)系,合適的極板尺寸參數(shù)和電壓將會(huì)產(chǎn)生足夠大的靜電力[18]。靜電叉指作為執(zhí)行元件是MEMS中研究的熱點(diǎn)[19]。

電壓分布情況影響結(jié)構(gòu)位移大小,在復(fù)雜因素下,耦合場下電壓和位移的關(guān)系非常重要,設(shè)計(jì)大位移的結(jié)構(gòu)對(duì)測量結(jié)果非常重要[20]。根據(jù)制造工藝要求,設(shè)定t=50 μm,l0=30 μm,x0=10 μm,l=7 000 μm,m=30 μm。

根據(jù)平行板電容器原理[21]和虛位移原理[12]計(jì)算,要把納米線拉斷需要50.85 V電壓。在COMSOL Multiphysics機(jī)電模塊(emi)中進(jìn)行仿真分析,在50 V的外界電壓作用下,位移結(jié)果如圖6(a)所示,在一定外界電壓下的電場分布如圖6(b)所示。

在50 V時(shí),靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生最大9.9 μm位移。靜電驅(qū)動(dòng)部分可以產(chǎn)生大于0.8 μm的位移,能夠滿足拉斷納米線的位移距離。根據(jù)虛位移原理,靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的電壓和位移的理論關(guān)系如圖7所示。

圖7 電壓和位移理論關(guān)系

由圖7可以看出仿真結(jié)果與理論位移存在差異。在電壓50 V時(shí),兩者位移結(jié)果并不相同,理論計(jì)算值要小于仿真值。這是由于理論計(jì)算只考慮了板間相對(duì)空間電容,而仿真則考慮到了板間邊緣電容的影響。因此實(shí)際所需的電壓要小于理論計(jì)算電壓。

2.3 器件層厚度對(duì)梁剛度的影響

在重力作用下,重力方向的形變量最大為1.89 μm,為水平方向位移的19%,因此主要討論水平方向剛度影響?？紤]到深硅刻蝕的難度和成本問題,器件層的厚度不宜太厚。而且梁受力變形,厚度對(duì)水平方向的剛度影響很大。選取l=7 000 μm,m=30 μm。通過ANSYS軟件研究了梁水平方向剛度對(duì)器件層厚度參數(shù)的依賴關(guān)系,如圖8(a)所示。

圖8 器件層厚度和梁長度與梁剛度的關(guān)系

由圖8(a)可以看出,梁水平剛度和器件層厚度正相關(guān),隨著厚度的增加,剛度迅速增加。剛度增大可以增大夾持力,夾持納米線效果更好,但也增大了靜電驅(qū)動(dòng)部分的負(fù)載。器件層厚度也要考慮制造工藝的難度和價(jià)格。深硅刻蝕工藝復(fù)雜,要求具有一定的深寬比,如果刻蝕太深,則垂直性保持變差。因此,要結(jié)合實(shí)制造工藝和靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),確定合適的器件層厚度。

2.4 懸臂梁長度對(duì)梁剛度的影響

在系統(tǒng)分析中,根據(jù)力的傳遞關(guān)系,傳感梁的剛度系數(shù)對(duì)計(jì)算分析十分重要,直接影響了系統(tǒng)精度[14]。在t=50 μm、m=30 μm情況下,l從5 000 μm增加到9 000 μm,步長1 000 μm,通過ANSYS軟件仿真分析了梁水平方向剛度對(duì)梁長度的依賴關(guān)系,如圖8(b)所示。

梁的水平剛度和梁長負(fù)相關(guān),隨著長度增加,剛度迅速下降。剛度增大可以增加夾持納米線的效果,但也增大了靜電驅(qū)動(dòng)部分的負(fù)載。由于傳感梁屬于懸臂梁結(jié)構(gòu),長度越長末端重力影響越大,而且由于材料內(nèi)應(yīng)力的存在,較長的梁會(huì)發(fā)生應(yīng)力變形[22],從而影響系統(tǒng)的功能。因此,必須根據(jù)剛度曲線和制造工藝變形選擇合適的梁長度。

2.5 縫隙角度對(duì)接觸滑移的影響

夾持部分采用V型縫隙結(jié)構(gòu),縫隙角度如圖6所示。雖然縫隙角度越小滑移情況越不容易發(fā)生,越有利于測試的穩(wěn)定性,但是這對(duì)放置納米線提出了十分苛刻的要求,納米線要彎曲接近90°才能被夾持。因此為了降低放置納米線的空間操作難度和效率,采用一定角度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。靜電叉指驅(qū)動(dòng)部分可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),當(dāng)放置納米線時(shí),反向驅(qū)動(dòng)擴(kuò)大間隙,方便微納操作手操作。

靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)電壓下,沿軸線水平運(yùn)動(dòng)。梁接觸后可能會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,在垂直方向有運(yùn)動(dòng)分量。滑移將導(dǎo)致夾持納米線的不穩(wěn)定,影響測量結(jié)果。在靜摩擦系數(shù)為0.2,納米線未受軸向拉伸力時(shí),兩縫隙角度α從10°到40°,間隔10°,對(duì)滑移情況進(jìn)行仿真分析,如圖9(a)所示。

圖9 縫隙角度與滑移和靜摩擦系數(shù)的關(guān)系

從結(jié)果分析可以看出縫隙角度在22.5°以下,滑移值為正,可以有效避免接觸滑移現(xiàn)象的產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)縫隙角度時(shí),角度越小滑移越小,但是這增加了放置納米線的難度。角度越大滑移越明顯,則作用在納米線的軸向拉力越小,甚至不能拉斷納米線。必須考慮到實(shí)際操作的問題,設(shè)計(jì)合適的縫隙角度。在納米線受軸向力時(shí),不考慮彎曲應(yīng)力的影響。滑移現(xiàn)象跟傳感梁的位移和支撐梁的剛度系數(shù)有關(guān),靜電力越大,傳感梁剛度系數(shù)越小滑移越不容易發(fā)生。

3 結(jié)果與討論

通過有限元仿真軟件對(duì)靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、梁結(jié)構(gòu)和接觸滑移進(jìn)行了仿真測試,結(jié)合制造工藝和操作難度,討論了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)器件的影響。在同一電壓作用下,可以實(shí)現(xiàn)夾持和拉伸納米線的功能,避免了焊接固定納米線的不足。通過仿真分析,在縫隙角度選擇小于22.5°時(shí),能夠避免接觸滑移現(xiàn)象的發(fā)生。納米線與梁的靜摩擦系數(shù)也影響滑移,納米線與梁的靜摩擦系數(shù)越大,越有利于納米線的夾持,滑移也越小。為了增加納米線與梁的靜摩擦力,減小垂直方向滑移造成的影響,可以光刻出鋸齒形狀,增加梁末端摩擦系數(shù)[23]。摩擦系數(shù)和縫隙角度的關(guān)系如圖9(b)所示,可以看出隨著靜摩擦系數(shù)的增加,縫隙角度可以更大,以方便操作。

所設(shè)計(jì)MEMS器件結(jié)構(gòu),接觸滑移低,不用對(duì)納米線進(jìn)行焊接,減少了外界的干預(yù)條件,可以提高M(jìn)EMS器件重復(fù)利用率。能夠滿足納米線機(jī)械性能測試要求,可對(duì)最大承受拉力為9.817×10-6N內(nèi)的納米線進(jìn)行斷裂強(qiáng)度測試。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種非焊接式測試器件,避免了焊接納米線的不足,可對(duì)一般常見納米線的機(jī)械性能進(jìn)行重復(fù)測試。,通過有限元仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,結(jié)合制造工藝和操縱難度,研究了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)器件的影響,重點(diǎn)討論了V型縫隙角度對(duì)器件滑移的影響,在小于22.5°時(shí)可以有效避免滑移。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)器件具有可行性,提高了MEMS器件利用率,為利用新器件測試納米線的機(jī)械性能提供了新思路。將來可結(jié)合實(shí)際加工誤差和對(duì)稱性特點(diǎn)對(duì)測量誤差進(jìn)行進(jìn)一步分析。

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Design of a MEMS Device for Mechanical Property Testing of Nanowires without Welding

DU Lin,RAO Jinjun,WU Zhizheng,LIU Mei,CAO Ning

(School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

In researches about mechanical properties of nanowires,welding methods,such as FIB and EBID which are most common methods used to fixed nanowires,reduce devices lifetime and repeatability. In order to overcome the shortcomings of the welding method,a new MEMS device without need of welding or depositing was designed in this paper. Basing on the electrostatic interdigital structure and bearing beam structure,a clamping and stretching structure using the rigidity difference was designed,in which a V-shaped structure is designed to avoid welding or depositing. It was simulated and validated by FEA,and the optimal structure was obtained. When the angle of V-shaped gap is less than 22.5°,it can meet the requirements of the mechanical properties of nanowires,and improve application repeatability.

MEMS;mechanical properties;rigidity difference;without welding;electrostatic actuation;contact slip

杜 林(1990-),男,碩士研究生。主要研究方向微機(jī)電系統(tǒng),液體粘度檢測,dylandavid@shu.edu.cn;

饒進(jìn)軍(1978-),男,博士,副研究員,主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人系統(tǒng)與智能,微機(jī)電技術(shù),jjrao@shu.edu.cn。

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61573236);上海市科委基金項(xiàng)目(14JC1491500)

2016-12-09 修改日期:2017-02-16

TK513.5

A

1004-1699(2017)06-0831-05

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.005