MEMS动平板的切向静电阻力

　　在过去二十年里,基于硅材料制作微尺度机械结构的微机电系统(MEMS)得到了迅速发展,它是在集成电路(IC)加工工艺基础上发展出的体硅、面硅微制作工艺,可用于制作具有实现机械运动功能的微尺度系统.MEMS器件因其微小的几何、操作尺度,以及大的表面积与体积之比,使得其动性能和可靠性明显受到与结构尺度低次方幂相关的力的影响,如表面粘附力、表面力和摩擦力.

　　在微观领域的各种表面力中,静电力是一种比较长程的作用力.静电力在间距小于0. 1μm时最为重要,而在10μm间距时仍有一定的影响,所以存在电势差的两个电极板间会产生静电力,而微机械中出现的问题很多都与静电力有关.对于微机械中的一些微间隙,一方面,微间隙内的静电场会产生垂直于微构件表面的作用力,使两个微结构表面靠近,甚至粘接在一起;另一方面,若微间隙两表面存在相对运动,则会引起静电场能量的改变,静电场会产生平行于微间隙表面相对运动方向的反作用力,阻碍微器件对外做功,对微结构的运动会产生不能忽略的影响.

　　Komvopoulos[1]于1996年回顾了MEMS早期的结构材料和制作工艺,对表面形貌、表面力的理论背景以及导致微机械粘附的相关机理作了描述,说明了如何通过专门设计的微结构静电谐振器进行微摩擦和微磨损试验.试验表明,各种表面钝化处理、疏水性涂层淀积的表面工程和表面化学改性以及低表面能自组装膜层润滑都是提高MEMS制造和摩擦学性能的有效方法.但是,文中没有涉及到静电切向力对MEMS器件的影响.

　　Trimmer和Gabriel[2]设计了硅静电马达,利用硅片、绝缘体、导体、各向异性刻蚀和细线光刻技术,使得在中等电压(≈100 V)、有着精准厚度的薄膜绝缘体下产生大静电场成为可能.当平板电容的两块极板之间有些许相对位移时,平行于极板的静电力即可用于驱动直线和旋转静电马达的转子.

　　Komvopoulos和Yan[3]介绍了静电力可能由于外加在器件界面的电压或因材料表面势函数的差异而增加的情况.静电荷可能起因于微加工制作中的光刻释放、漂洗和干燥工艺,静电场可能瞬时达到几千伏特.与静电驱动相关的高电场可能引起绝缘体内的电荷扩散和聚集,从而产生不确定、滞后的法向和切向力,文中分析了两个粗糙表面交接处的静电引力.

　　目前国内外对微结构间静电力问题的研究主要集中在对两个表面的粘接问题上[4-5],而静电阻力问题尚未引起足够的重视.

　　许多微机构装置的运动是基于悬臂微结构与基板之间的静电压而实现,典型的如静电梳状硅微谐振器、静电场计[6]等,它们均可通过将悬臂微结构简化为一作x向振动的可动平板,由两支撑梁支撑,建立MEMS动平板微间隙模型.本文将介绍基于能量守衡法的MEMS动平板静电切向阻力模型,并对其影响因素进行讨论.