分离式片上微摩擦测试机构及其制作

　　0　引言

　　微机电系统(MEMS)是最近几十年发展起来的一个新型的多学科交叉系统。MEMS在工业、农业、国防、航空航天、通信以及生物医学等方面具有广阔的应用前景[1-3]。

　　随着微构件尺寸的减小,其表面积与体积之比相应增大。此时构件的力学特征与宏观尺度下的力学特征不同,表现出强烈的尺度效应[4,5],在此效 应的作用下,一些正比于面积的作用力(如摩擦力、粘着力等)与正比于体积的作用力(如惯性力、电磁力)相比,增大了数千倍,因而成为微机械的主要作用力。 摩擦阻力影响的增大不仅制约了微器件的运动性能,而且加剧了摩擦副的表面损伤,严重影响了可动微机电器件的使用性能,缩短了其使用寿命。因而,对微机电器 件摩擦学特性进行研究,具有非常重要的意义,而找到一种合适的测试方法,更成为当务之急。

　　笔者设计了一种专用于对单晶硅侧面摩擦磨损副进行测试的微摩擦磨损测试机构,该测试机构采用MEMS体硅工艺及键合技术,把加载机构、测试机 构、摩擦副以及力传感器集成在了一个以硅为基底的芯片上,不但能比较真实地反映MEMS器件的表面工况,还能够非常方便地进行测试以及得到所需要的摩擦数 据。

　　1　结构及工作原理

　　分离式片上微摩擦测试机构的工作原理简图如图1所示。测试机构主要组成部分为2个相互垂直的梳齿驱动器:驱动器A和驱动器B。每个驱动器均以中 间横梁为轴线两边对称。其中,驱动器B为测试机构的加载单元,提供摩擦学测试所需要的正压力;驱动器A为驱动单元,提供测试所需要的往复运动。每个梳齿驱 动器的可动部分由6根悬臂梁支撑。悬臂梁通过其两端锚点与基底连接。对称悬臂保证了驱动器沿对称轴线的方向运动,起到了很好的导向作用。2个梳齿驱动器的 横梁伸出端可组成一对摩擦副(图1b所示),其中驱动器B伸出端为一个顶端为半圆柱形的十字机构。由于半圆柱表面和与其相对的驱动器A横梁伸出端侧面存在 3μm的间隙,故将测试机构称为分离式片上微摩擦测试机构。为方便测试结果的处理,在2个伸出端的交叉处设置一个固定的矩形位移参考块D。测试时,首先在 驱动器B上施加一直流电压,在该直流电压的作用下,驱动器B的伸出端沿竖直方向产生一定的位移,进而压紧驱动器A伸出端侧面,形成一对接触副。接触压力大 小可通过测量驱动器A伸出端在竖直方向上与D的相对位移来计算。然后,通过在驱动器A上施加一直流驱动电压或具有一定偏置的交流电压,使驱动器A的侧面相 对于驱动器B伸出端产生往复运动,运动过程中摩擦力数值可通过十字机构相对于参考块D在水平方向的相对位移计算得到。同时可得到两者比值。