微加速度计粘附问题的研究及应用

　　0　引　言

　　粘附是由MEMS的尺度效应所引起的力学问题。微尺度下与表面积相关的毛细力、静电力、Van DerWaals力所起的作用相对增大,加之微机械中相对运动的构件之间的间隙极小,就容易产生相互粘附,造成器件失效^[1]。微器件制造过程中的结构释放或工作过程之中受冲击引起的接触都可能发生粘附。

　　电容式微机械加速度计是微惯性传感器的一种,其可动结构与固定结构之间的粘附是微机械加速度计的主要失效形式之一。本文研究微机械加速度计的结构粘附问题,针对2种典型的电容式微机械加速度计:扭摆式微机械加速度计和梳齿式微机械加速度计进行了分析研究,分别得到了表征其加速度计结构粘附程度的剥离数的数学表达式,并将其应用于梳齿式微机械加速度计的多学科设计优化之中,分析了粘附条件对系统结构设计产生的影响。

　　1　微结构的粘附问题

　　粘附的微观机理可以归结为毛细力、静电力、Van DerWaals力综合作用的结果^[1]。以图1所示的典型的微悬臂梁结构为例,当结构与衬底之间的粘着作用大于使微结构产生变形的弹性恢复力时,将会发生粘附。剥离数NP^[2]是用以表示微结构间粘附程度的一个无量纲的指标,其物理意义为微结构的弹性变形能与粘附能的比值。当NP=1时,为微结构粘附与剥离的临界状态;当NP>1时,弹性变形能大于粘附能,微悬臂梁与衬底产生剥离,微结构不发生粘附;当NP<1时,弹性变形能小于粘附能,微悬臂梁与衬底间发生粘附,造成微结构失效。图1所示典型微悬臂梁结构的剥离数NP表达式为

　　式中　E为材料的杨氏模量,N/m²;Δγ为单位面积的粘附能, J/m²;t,L为梁的厚度和长度,m;h为梁与衬底之间的距离,m;s为梁未发生粘附部分的长度,m。根据此式可以判断微悬臂梁的粘附特性,同时,此式也被用来估算材料的粘附能^{[3, 4]。}

　　2　扭摆式微机械加速度计的结构粘附问题

　　扭摆式微机械加速度计的结构如图2所示。主要由质量片、支撑梁和衬底组成。其中,d为质量片与衬底之间的间隙,m;h,B分别为质量片的厚度和宽度,m;L为支撑梁到质量片远端的距离,m;b, l分别为支撑梁的宽度和长度,m。系统受到惯性力时,质量片绕支撑梁旋转,产生扭摆运动,通过检测质量片与衬底之间电容大小的改变,得到加速度值。

　　扭摆式微机械加速度计的粘附主要发生在质量片与衬底之间,可将质量片视为一悬臂梁,支撑梁固接在其一端。梁受粘附作用力发生变形时的结构如图3所示。其中,s为梁未与衬底发生粘附部分的长度,m。