连接式微摩擦测试机构及设计

微电子机械系统中的摩擦磨损问题已经成为制约MEMS器件实用化、市场化的关键因素之一,同时也是MEMS研究的重要方向之一[1]。对微机电器件摩擦磨损规律进行系统的研究具有重要意义,因此,找到合适的、能真实反映微机电器件摩擦磨损状况的测试方法更成为当务之急。

近年来,国内外微摩擦磨损测试主要还是利用原子力显微镜[2]。由于原子力显微镜测试的是探针针尖与表面之间的相互作用,其摩擦工况与微机电系统中运动副之间的实际接触状况存在很大的差异,测试结果并不能反映微机电系统的真实摩擦磨损状况。而一些利用专用微摩擦测试设备进行测试的报道[3,4]虽然能较好地模拟微机电器件的真实接触情况,但其研究对象主要侧重于材料的上表面,对于微机电器件中普遍存在的侧面接触问题不能进行模拟和测试。

本文设计了一种专用于对微机械中较常用的基于单晶硅材料的MEMS器件侧面摩擦磨损副进行测试的片上微摩擦磨损测试机构,采用MEMS体硅及键合工艺,把被测试件、加载机构、驱动机构和检测元件集成在了一个以硅为基底的芯片上。相对于前面介绍的片外测试系统,该机构不但能比较真实地反映MEMS器件的表面工况,同时解决了测试过程中装卡困难的问题,国内外还未见与该测试机构相关的报道。

1　结构及工作原理

单晶硅微机电器件摩擦磨损模拟装置机构如图1所示。测试装置主要组成部分为两个相互垂直的梳齿驱动器,驱动器A和驱动器B。每个梳齿驱动器的可动部分与6根固定在矩形静态块上的悬臂梁相连接。对称悬臂结构保证了驱动器只能沿着对称轴线的方向运动,起到了很好的导向作用。由于驱动器A和B的横梁伸出端在拐角D处垂直连接(连接部分放大图如图1c所示),故称该测试机构为连接式微摩擦测试机构。图中具有半圆形表面的静态锚点作为摩擦副的接触面,驱动器A悬臂伸出端的侧面作为摩擦副的目标面。在未施加驱动电压的情况下,摩擦副的接触面与目标面之间的间隙为3μm。测试时首先在驱动器B上施加一直流驱动电压,使得拐点D产生向下的运动,从而使摩擦副产生接触,提供摩擦测试需要的正压力。然后再在驱动器A上施加一系列直流电压,使得摩擦副之间产生相对运动,从而产生测试需要的摩擦力。为方便测试结果的处理,在两个驱动器横梁伸出端连接处设置了两个静态矩形位移参考块。测试过程中正压力和摩擦力的大小可以通过拐点D相对于矩形位移参考块的相对位移计算出来。通过计算机软件处理便可得到需要的摩擦学数据。

2　理论分析

连接式微摩擦测试机构的理论计算包括结构刚度的计算、临界驱动电压的计算及静摩擦力和正压力的计算等。