基于谐振原理的硅微薄膜弯曲疲劳装置的设计

　　0　引言

　　硅薄膜是微机电系统(micro- electro-mechanical system,MEMS)中常见的一种结构,它具有相对较高的抗拉强度,且其制造能最大限度地利用成熟的集成电路(integrated circuit,IC)工艺。在微纳米尺度下,由于尺寸效应和表面效应影响,微构件的力学特性与宏观世界相比有很大区别[1]。硅是一种脆性材料,但Connally等[2]发现硅微薄膜在交变载荷下存在疲劳特性。

　　Muhlstein等[3,4]和Shrotriya等[5]的研究也证实了这一现象,并提出了Reaction-layer机理,该机理认为硅薄膜表面暴露在空气中的SiO2氧化层在交变载荷作用下,产生的腐蚀裂纹及其扩展是导致微构件产生疲劳特性的主要原因。深入理解硅在微纳米尺度下的疲劳破坏机理并测量其在不同尺度下的疲劳性能对MEMS设计和制造有着重要的实际意义。国外对硅微薄膜疲劳特性的试验研究经常采用文献[3-5]所述的疲劳试验装置,该装置容易造成驱动不足与检测结果误差大等后果。

　　本文结合国内MEMS加工工艺特点设计了一种用于多晶硅微薄膜试样弯曲疲劳试验研究的装置,并用ANSYS软件对其进行了仿真分析。

　　1　装置的结构及工作原理

　　所设计的微薄膜疲劳试验装置的结构如图1所示,主要由驱动电极2、4,检测电极1、5,直流偏置电极3,6个梳齿单元6~11和疲劳试样12、13组成。6个梳齿单元可分为两组,其中,6、8、10为驱动梳齿单元,驱动梳齿单元两侧的固定梳齿分别与驱动电极2、4相连,用于装置的驱动;7、9、11为振幅检测单元,检测梳齿单元两侧的固定梳齿分别与检测电极1、5相连,用于试验过程中活动梳齿摆动幅值的检测。所有梳齿单元的活动梳齿和疲劳试样是可动的悬空结构,与直流偏置电极3相连,通过装置中心的锚定块锚定在硅基底上。

　　由于驱动电极2、4分别接入两频率相同、相位相反的交流电,电极3接入直流偏置电压,因此,在驱动梳齿单元中,悬置梳齿的两侧将产生周期性的交替静电力,两侧静电力轮流驱动装置的悬置部分产生周向振动,当该静电力的频率与结构的平面固有频率相当时结构将发生共振,从而使试样受到周期性的载荷作用以造成疲劳损伤直至断裂。相位相差180°的高频载波信号分别接入检测电极1、5,通过相应电路观测直流偏置电极电流信号的变化便可间接测出悬置梳齿的摆动幅度,该测量结果可与显微镜的观测结果进行对比,检验其正确性。5个电极可由探针引出,分别连接驱动与检测电路。

　　该装置由典型的表面硅微机械加工工艺进行加工制作。结构层厚度为2μm,梳齿宽和间隙均为2μm,最外层圆弧梳齿的半径为310μm,试样的尺寸为50μm×4μm,试样靠近锚定处引入缺口,造成应力集中,使得疲劳裂纹首先产生在这个缺口处(图2)。