基于MEMS的V型梁結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能測試

陳林林，李 偉，張玉華

(鄭州科技學院機械工程學院，河南鄭州 450064)

0 引言

近些年，柔性電子器件的發(fā)展較為迅速，具有較強的可彎曲性，制造工藝成本較低且可容易實現(xiàn)微小型化和智能化。其以獨特的優(yōu)勢逐漸占領(lǐng)柔性傳感、可穿戴電子皮膚及無人機系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-3]。21世紀以來，在雷達及物聯(lián)網(wǎng)中具有廣泛應用前景的射頻微機電系統(tǒng)(RF MEMS)柔性器件受到越來越多科學研究者的青睞[4-5]。但是目前市場上存在的絕大多數(shù)MEMS V型梁熱驅(qū)動器還是以傳統(tǒng)的剛性材料作為襯底[6-8]，雖然國內(nèi)外的部分高?；蛘呖蒲性核蔡岢鲞^以柔性材料代替剛性材料作為RF MEMS柔性器件的襯底，但這些方案均以器件設(shè)計、器件的制造及非彎曲狀態(tài)下的性能測試為主[9-15]，對RF MEMS柔性器件在彎曲狀態(tài)下的性能測試基本無人研究。

為了研究襯底彎曲對器件的影響，本文以柔性MEMS V型梁器件為例，研究彎曲曲率、梁長及梁傾角對其性能的影響。經(jīng)過一系列的測試得到了襯底彎曲曲率的增大(從0增至33.3 m-1)、梁長的增加(從400 μm增至600 μm)及逐漸增大的梁傾角(從13°增至27°)對柔性器件的性能影響。然后對各參數(shù)影響柔性器件的規(guī)律進行了總結(jié)，為后續(xù)MEMS V型柔性器件的設(shè)計和制造提供理論支撐。

1 MEMS V型梁結(jié)構(gòu)工作原理

MEMS V型梁結(jié)構(gòu)通常包括錨區(qū)、V型梁、中間推桿以及柔性襯底等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。錨區(qū)的作用是將V形梁結(jié)構(gòu)牢牢固定在襯底上，其一般分布于梁的兩端，當錨區(qū)之間有電壓作用時，產(chǎn)生的電流會在梁內(nèi)轉(zhuǎn)化為焦耳熱，焦耳熱的產(chǎn)生使得梁發(fā)生了熱膨脹，從而產(chǎn)生了應力。應力導致中間推桿發(fā)生位移上的變化，使得驅(qū)動器閉合。雖然梁的熱膨脹量較小，但是可以通過加大縱向位移量實現(xiàn)大位移的驅(qū)動。因此本文研究的MEMS V型梁熱驅(qū)動器具備大的驅(qū)動力和驅(qū)動位移。

圖1 MEMS V型梁結(jié)構(gòu)

本文采用的梁彎曲力學模型如下[16]:當柔性襯底由于彎曲發(fā)生變化時，兩端錨之間的距離也會隨之變化，從而導致梁與水平方向的夾角增大。隨之會使梁中間的推桿發(fā)生平移，會對梁的驅(qū)動距離產(chǎn)生一定的影響，進而影響到梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電流。假設(shè)MEMS V型梁結(jié)構(gòu)的梁長、梁寬及梁厚分別用L、w及t表示。梁與水平方向的夾角用φ0表示。驅(qū)動器在推桿方向的位移可由式(1)計算得出：

(1)

式中：Lp=Lcosφ0；Y0=Lsinφ0；k、ρ、α、V分別為熱導率、電阻率、熱膨脹系數(shù)和施加的電壓。

驅(qū)動電流可通過式(1)中的電壓V和電阻率ρ推導出，驅(qū)動力F可通過式(2)求出。驅(qū)動力越大，驅(qū)動距離越遠。

(2)

式中E為楊氏模量。

為了能夠增大驅(qū)動力，本文通過級聯(lián)的方式將4個V型梁熱驅(qū)動器單元結(jié)合，示意圖如圖2所示，驅(qū)動力可由式(2)改寫成式(3)得：

圖2 級聯(lián)起來的V型梁熱驅(qū)動器

(3)

式中N為級聯(lián)個數(shù)，N=4。

2 設(shè)計與制作

2.1 V型梁結(jié)構(gòu)彎曲特性的ANSYS仿真

本文將通過ANSYS軟件及耦合力學有限元分析法完成對V型梁熱驅(qū)動器在彎曲狀態(tài)下的仿真，以獲取襯底彎曲曲率對V型梁結(jié)構(gòu)的影響。

2.1.1 耦合力學有限元分析法

對V型梁尺寸的設(shè)置如表1所示，為了充分闡明梁夾角與梁長對V型梁彎曲的影響，本文對這2個參數(shù)規(guī)格取5組，當梁夾角為13°時，梁長為600 μm；當梁夾角為20°時，梁長分別為400 μm、500 μm、600 μm；當梁夾角為27°時，梁長為600 μm。

表1 V型梁結(jié)構(gòu)尺寸 μm

模型中的結(jié)構(gòu)材料均為金，梁和襯底間的空隙處填充空氣層，材料的參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)

通過ANSYS軟件生成的模型圖如圖3所示，為了保證所得結(jié)果具有較高的精確度，建模時對各連接處一定要做到精確。仿真時，在錨處施加的初始電流為0.3 A，隨后逐漸增大電流使得推桿驅(qū)動距離增至3 μm時停止，閉合驅(qū)動器得到驅(qū)動電流的大小。

圖3 V型梁結(jié)構(gòu)的仿真模型圖

2.1.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖4所示。當梁長為600 μm時，不同梁夾角(分別為13°、20°、27°)的驅(qū)動電流與曲率的變化關(guān)系如圖4(a)所示，當梁夾角為20°時，不同梁長下(分別為400、500、600 μm)驅(qū)動電流與曲率變化關(guān)系如圖4(b)所示。

(a)梁長一定時，不同梁夾角的驅(qū)動電流與曲率的關(guān)系

從圖4的仿真結(jié)果可以看出，V型梁驅(qū)動電流與襯底彎曲曲率成正比關(guān)系。由圖4(a)得，當梁長為600 μm時，襯底的彎曲曲率為33.3 m-1時，梁夾角為13°的V型梁驅(qū)動電流增大了17.6%，梁夾角為20°的V型梁驅(qū)動電流增大了11.7%，梁夾角為27°的V型梁驅(qū)動電流增大了9.5%。由圖4(b)得，當梁夾角為20°時，襯底的彎曲曲率為33.3 m-1時，梁長為400、500、600 μm的V型梁驅(qū)動電流分別增大了8.8%、9.3%、11.7%。

從上述的仿真結(jié)果可得，當V型梁襯底曲率增大時(即彎曲程度增大)，錨之間的距離就會發(fā)生變化，使得梁夾角增大，導致推桿向后移動，增加了驅(qū)動距離，進而增大了驅(qū)動電流。

2.2 工藝步驟

本文將以柔性LCP(液晶聚合物)作為襯底完成對V型梁熱驅(qū)動器的設(shè)計，然后通過微納加工技術(shù)完成對器件的制造，具體的工藝步驟如圖5所示。

圖5 V型梁熱驅(qū)動器的制造工藝

具體步驟如下:

(1)對LCP進行徹底的表面清洗，然后鍍一層平整的銅膜。

(2)通過磁控濺射鍍一層種子層。

(3)在種子層表面涂一層光刻膠，然后通過顯影等方式制作出CPW傳輸線。

(4)再次通過磁控濺射鍍一層金屬銅膜，采用刻蝕機去掉沒被電鍍的種子層。

(5)繼續(xù)涂一層光刻膠，然后通過顯影方式制作出橋墩圖案。

(6)通過納米團簇鍍一層金種子層。

(7)重復步驟(5)制作出梁圖案。

(8)蒸鍍一層4 μm厚的銅膜。

(9)最后除去光刻膠及種子層，并釋放犧牲層。

2.3 V型梁熱驅(qū)動器的加工與制造

通過以上的工藝步驟完成了V型梁熱驅(qū)動器的加工與制造，通過掃描電子顯微鏡觀察其表面結(jié)構(gòu)如圖6所示，改變襯底彎曲曲率前后對比的SEM圖如圖7所示。

圖6 制造的V型梁熱驅(qū)動器的SEM圖

(a)小彎曲曲率下的SEM圖

3 對V型梁結(jié)構(gòu)的實驗測試

本文將利用搭建的測試電路完成對制造的V型梁熱驅(qū)動器進行性能測試，然后通過與仿真結(jié)果作對比證明本文提出方案的正確性。

利用高靈敏度數(shù)字萬用表、直流電壓源及四探針的Cascade探針臺搭建如圖8所示的測試電路。通過將探針壓在不同曲率(包含33.3 m-1、28.6 m-1、25.0 m-1、22.2 m-1、20.0 m-1、0)的弧形底座完成測試。驅(qū)動器的直流PAD與電壓源通過導線連接，一旦驅(qū)動器導通，萬用表就會測得數(shù)據(jù)，以萬用表上的電阻大小作為驅(qū)動器是否吸合的根據(jù)。

圖8 測試電路示意圖

不同尺寸V型梁的實測值與仿真結(jié)果對比圖如圖9所示，當梁長為600 μm時，不同梁夾角下(分別為13°、20°和27°)驅(qū)動電流隨曲率變化的實測與仿真結(jié)果對比圖如圖9(a)所示。當梁夾角為20°時，不同梁長(分別為400 μm、500 μm和600 μm)下驅(qū)動電流隨曲率變化的實測與仿真結(jié)果對比圖如圖9(b)所示。

(a)600 μm梁長時，不同梁夾角下驅(qū)動電流隨曲率變化的實測與仿真結(jié)果對比圖

從圖9(a)中可以看出，當V型梁的梁長為600 μm時，梁夾角為13°的V型梁驅(qū)動電流實測與仿真誤差低于3.3%；梁夾角為20°的V型梁驅(qū)動電流實測與仿真誤差低于4.0%；梁夾角為27°的V型梁驅(qū)動電流實測與仿真誤差低于1.4%。從圖9(b)中可以看出，當V型梁的梁夾角為20°時，梁長為400 μm的V型梁驅(qū)動電流實測與仿真誤差低于4.8%；梁長為500 μm的V型梁驅(qū)動電流實測與仿真誤差低于6.0%；梁長為600 μm的V型梁驅(qū)動電流實測與仿真誤差低于4.0%。從實測的結(jié)果可得，V型梁的驅(qū)動電流隨著梁夾角的增大而增加，隨梁長的增大而減小。當梁夾角和梁長固定不變時，V型梁的驅(qū)動電流隨著襯底曲率的增加而增大，這是因為錨區(qū)間的距離隨著曲率的增加而發(fā)生了變化，使得V型梁與水平夾角增大，導致驅(qū)動距離增加，最終增大了驅(qū)動電流。

由于對制備的V型梁結(jié)構(gòu)進行實測時，其自身帶有一點上翹，使得其并非完全處于水平面，導致實測值相對仿真結(jié)果有一定的誤差，但最大誤差低于6.0%。從對比結(jié)果可得，相同尺寸的V型梁結(jié)構(gòu)在誤差允許的范圍內(nèi)實測值與仿真值具有很好的吻合度，證明本文提出的彎曲特性實測結(jié)果很好地對仿真理論進行了驗證。

4 結(jié)論

為了研究襯底彎曲曲率對MEMS柔性器件的性能的影響，本文通過軟件仿真和實驗驗證完成了受彎曲曲率對柔性V型梁器件的影響。首先對V型梁結(jié)構(gòu)進行了不同梁長和梁夾角的設(shè)計和微納加工，然后對不同尺寸V型梁的實測值與仿真結(jié)果作了對比，從對比結(jié)果可得，實測值與仿真值的最大誤差不大于6.0%，當柔性襯底的曲率增大時，V型梁的驅(qū)動電流隨著襯底曲率的增加而增大。