可动微机电器件摩擦磨损测试方法研究

　　微电子机械系统(MEMS)自问世以来得到了飞速发展,它在工业、农业、军事、航空航天等领域具有十分广阔的应用前景。

　　对于含相对运动结构的MEMS器件(如微马达、数字微光镜等),有研究表明:发生在摩擦部位的微磨损极大地制约了器件的性能、寿命和工作可靠性,成为阻碍MEMS器件市场化进程的主要问题[1-2]。因而迫切需要开展MEMS器件摩擦磨损规律的研究,开发有效改善其摩擦学性能的技术。

　　对MEMS器件摩擦学特性进行研究的实验方法可分为片外测试和片上测试2类。所谓片外测试方法是指被测试件利用MEMS工艺制作,而加载、摩擦驱动以及号检测则利用现有的外围实验设备进行。原子力显微镜和球盘微摩擦测试仪就是2种常用的片外测试设备[3]。由于这些仪器一般都是利用针尖或小球与试件上表面产生相对滑动,其接触状况无法模拟MEMS器件实际工作时的真实情况。所谓片上测试方法是把加载单元、摩擦驱动单元、摩擦副以及力传感器集成在一个芯片上,即用MEMS工作原理和加工工艺制造的、以摩擦磨损测试为目的的MEMS器件。相对于片外测试方法,这种方法无需试件装卡和定位,因此测试精度较高。其主要特点是可以真实模拟MEMS器件摩擦副的实际接触状况。

　　本文作者设计和研制了一种专用于模拟和测试单晶硅材料制作的MEMS器件侧面摩擦磨损性能的片上测试微摩擦试验模块。利用体硅和键合工艺把加载单元、测试单元及微力检测单元集成在硅片上,能够有效地模拟此类MEMS器件的摩擦学行为1　结构及工作原理设计的微摩擦试验模块的结构如图1所示,图中各尺寸的单位均为μm。测试装置主要组成部分为2个相互垂直的梳齿驱动器A和B。每个梳齿驱动器的可动部分由3对固定在矩形静态块上的悬臂梁支撑,对称悬臂结构保证了驱动器只能沿对称轴线方向运动,起到了平行梁支撑的导向作用。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1 (c)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的悬臂伸出端(图1 (c中的Bx)的侧面作为摩擦副的对偶面。在驱动器B未施加电压(以下称为加载电压)的情况下,摩擦副的接触面与对偶面之间的设计间隙为3μm。当驱动器B上施加一大小适当的直流加载电压后,在梳齿部产生的静电力的作用下,可动梳齿带动拐点D向下运动,从而使摩擦副发生接触,并产生一定的正压力,正压力的大小通过测量横梁Bx的弯曲变形获得。然后再在驱动器A上施加一个适当的直流电压(以下称为驱动电压),在驱动器A的梳齿部产生的静电力传递到其伸出端Bx与锚点的接触部,当驱动电压足够高,所产生的静电力能够克服接触部的静摩擦力时,可拉动伸出端Bx向左方移动,使得摩擦副之间产生相对运动,此时摩擦力与驱动器B的伸出梁By以及支撑梁的弹性回复力之和与静电力相平衡,梁By的弹性回复力可以通过测量伸出梁By沿水平方向的弯曲变形测得。为方便2个梁Bx、By弯曲变形的测量,在2个驱动器横梁伸出端连接处设置了2个静态矩形位移参考块。梁的挠度可以通过拐点D相对于矩形位移参考块的位移计算出来。位移的测量是通过光学显微镜、CCD镜头以及图像采集和处理进行的,经标定位移分辨率为0·1μm。