硅微机械动平板表面粘附阻力

　　微机电系统(MEMS)是20世纪80年代末期随着集成电路微细加工技术的发展而迅速崛起的一门综合性高新技术。经过近20年的飞速发展,国内外已在体硅、面硅微细加工( IC)、光刻电铸(LIGA)、准LIGA和精密加工等制造工艺上取得长足进展,不仅可高度集成组成微机器必不可少的微控制器、微传感器及其通信接口,而且已开发出多种多样的微米尺度驱动器、机构等执行单元。可以说MEMS研究已解决了微型化制作和构件功能开发的基本问题,而有关其性能分析、测试技术的研究则相对较少,成为制约微机械发展的关键技术之一[1]。

　　MEMS器件的微尺度效应,使得表面力对其功能和性能的影响凸显出来。其中,表面粘附问题是引起微器件制作失败和性能发挥的主要原因之一。粘附失效往往呈现2种情况:一个是制作过程中清洗后的粘附,即在释放牺牲层时,清洗液的表面张力使得微构件间产生的粘附;另一个是使用过程中相对运动表面间产生的粘附。目前人们主要致力于对前一种微结构粘附机制的研究[2-3],而对后一种阻碍微构件运动的表面粘附阻力机制的研究则较少。

　　本文作者以静电硅微谐振器[4-5]这一典型微间隙平板状微器件为对象,对动件表面粘附阻力进行分析。

　　1　理论分析

　　将微谐振器的中间平板及可动梳齿等有间隙运动的面构件简化为一可动平板,由2组弹簧梁支撑,则可建立图1所示的MEMS微间隙动平板模型。

　　1.1　表面粘附阻力

　　若微间隙中存有与微动构件接触界面处呈非润湿状态的液体,则当微构件相对基板平动时,即导致固液界面处的滑移,引起表面能的改变,从而产生界面粘附阻力[6]。

　　液体对固体的润湿程度通常以接触角θ表示,其与固气界面表面能γsv、固液界面表面能γsl和液气界面表面能γlv之间有如下关系:

　　将单位面积的固液界面分离成固气界面和液气界面,则此单位面积上的表面能变化量ΔWslv为:

　　对于单位面积的界面,固液界面表面能要比固气与气液界面表面能之和小,因此当固液界面分离形成固气界面和气液界面时,系统总的界面表面自由能将增加,外力克服表面粘附阻力对系统作功,故对外表现为表面微粘附作用。在微尺度下,这种表面粘附阻力对微机械有较大影响。

　　1.2　光滑平板微间隙表面粘附阻力模型

　　对于图1所示的微间隙动平板模型,若微间隙内充满非润湿液滴,则其可变为如图2所示的光滑平板微间隙液体表面粘附阻力模型。

　　设上平板长lx、宽lz,平板间距为d,则当上平板在外作用力下移动时,如图2(b)所示,液滴与下平板新形成的以及分离的固液两相界面面积均为lzΔx′,液滴、周围空气以及下平板组成的系统II的表面能总量保持不变;而上平板与液滴的固液两相界面面积减少,同时液滴的液气界面和上平板的固气界面面积增加,液滴、周围空气以及上平板组成的系统I的表面能总量增加,外力克服界面粘附能对系统作功。