表面硅柔性鉸微機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

表面硅柔性鉸微機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

0薄膜型微機(jī)械柔性晶圓機(jī)設(shè)備的加工技術(shù)作為傳統(tǒng)的規(guī)模傳輸機(jī)構(gòu)，宏機(jī)械柔性鏈具有無間隙、無摩擦、免除接觸等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無組裝、拆卸，具有方便的優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于精細(xì)機(jī)械操作、生物器械、光學(xué)自動(dòng)聚焦、微動(dòng)平臺(tái)、納米測(cè)量與加工技術(shù)領(lǐng)域的納米、亞微動(dòng)態(tài)傳輸系統(tǒng)和納米分辨率定位機(jī)構(gòu)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,以半導(dǎo)體制造工藝為基礎(chǔ)的微機(jī)械制造工藝促使了微型機(jī)械電子系統(tǒng)(Microelectromechanicalsystem,MEMS)的出現(xiàn)。微型機(jī)械電子系統(tǒng)是集成電路技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果,是通過MEMS制造工藝和集成電路工藝將微傳感器、微致動(dòng)器及微電子處理電路等集成在同一芯片上,以實(shí)現(xiàn)片上信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算及力和運(yùn)動(dòng)的傳遞與輸出等功能,其中的微機(jī)械構(gòu)件特征尺寸一般在數(shù)微米到幾百微米之間,可以采用硅等半導(dǎo)體材料制作。硅微機(jī)械的加工與設(shè)計(jì)與宏機(jī)械有所區(qū)別,不等同于將宏機(jī)械構(gòu)件按比例縮小到微米級(jí)尺寸,這主要表現(xiàn)在宏機(jī)構(gòu)在傳遞力和運(yùn)動(dòng)過程中一些可忽略的因素在微機(jī)械傳動(dòng)中起了主要作用,比如在宏機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)副或滑動(dòng)副中可以忽略的微摩擦力和表面粘滯力,隨著構(gòu)件尺度減小到微米量級(jí),將會(huì)起到主要作用,如果仍然按照宏機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行微機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),其傳動(dòng)功能可能無法實(shí)現(xiàn)。微機(jī)械機(jī)構(gòu)的輸出位移、輸出力(矩)一般在微米和微牛頓量級(jí),同時(shí)在微機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能避免微摩擦力的產(chǎn)生,這是因?yàn)橐环矫嫖C(jī)械構(gòu)件之間的摩擦力可能會(huì)很大,另一方面磨損產(chǎn)生的微粒可能會(huì)使器件的潔凈工作環(huán)境受到污染。為此,提出了薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈的概念,并應(yīng)用于表面硅微機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中去以滿足這方面的要求。宏機(jī)械柔性鉸的加工主要依賴線切割、電火花加工等工藝,機(jī)械加工帶來的尺寸精度誤差及形位誤差對(duì)鉸鏈的使用性能有較大的影響,而多晶硅薄膜型柔性鉸鏈的制造是采用光刻(光刻精度可達(dá)到0.2μm)、淀積(PVD、CVD)和腐蝕等工藝,能夠保證一定的精度。這里將宏機(jī)械柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用到薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)中,通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,得出了薄膜型直圓柔性鉸鏈的近似計(jì)算公式,并以此對(duì)其微機(jī)械性能進(jìn)行了分析。1硅膜微機(jī)械柔性鏈?zhǔn)綔睾?.1薄膜微機(jī)械機(jī)構(gòu)的制備多晶硅薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈的制作采用表面硅犧牲層工藝完成。表面硅微機(jī)械加工方法是以單晶硅為基底材料,通過對(duì)絕緣層、犧牲層、結(jié)構(gòu)層等多層薄膜的淀積和圖形光刻加工制備出薄膜微機(jī)械機(jī)構(gòu)。在該工藝過程中,器件的結(jié)構(gòu)部分一般是由氣相淀積而成的多晶硅薄膜層經(jīng)圖形光刻、腐蝕加工而成,在最后的工藝中釋放掉犧牲層后即可得到懸浮于基底之上的微機(jī)械機(jī)構(gòu)的形狀。圖1為采用表面硅犧牲層工藝加工而成的兩種多晶硅薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈的光學(xué)顯微照片,圖1a所示的是一端由錨與基底固連,另一端與微機(jī)構(gòu)鉸接的固定鉸,圖1b所示是兩端與微機(jī)構(gòu)鉸接,可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)鉸,結(jié)構(gòu)層的厚度為2μm。1.2薄膜加工材料800℃以下時(shí),多晶硅基本上是無塑性、無蠕變的彈性材料。與不銹鋼相比,多晶硅的屈服強(qiáng)度是不銹鋼的3倍多、密度僅為不銹鋼的幾分之一,而其彈性模量卻接近于不銹鋼。多晶硅的這些獨(dú)特性質(zhì)使其成為MEMS中理想的微機(jī)械構(gòu)件制作材料。然而,微尺度下多晶硅材料又具有一定的脆性,在設(shè)計(jì)承受沖擊載荷的微機(jī)械構(gòu)件時(shí),還需考慮多晶硅的這種脆性斷裂行為,對(duì)微尺度多晶硅材料的力學(xué)特性、熱力學(xué)特性及熱疲勞特性的研究目前還在進(jìn)行當(dāng)中。作為微機(jī)械構(gòu)件的多晶硅薄膜可利用氣相淀積的方法沉積到單晶硅襯底上,目前已成為表面硅微機(jī)械加工中結(jié)構(gòu)層的主要制作材料之一。多晶硅薄膜與鈦合金、不銹鋼、鈹青銅和鋁合金等常用的宏機(jī)械柔性鉸鏈加工材料的性能參數(shù)比較如表1所示。其中,柔性鉸鏈變形量的大小可以用材料屈服強(qiáng)度σs與彈性模量E的比值來衡量,該比值越大表示鉸鏈的變形能力越大。從表1中可以看出,單晶硅及多晶硅薄膜的σ/E比值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他金屬材料,這說明硅具有極佳的彈性變形能力,是理想的微機(jī)械制造材料。1.3結(jié)構(gòu)形式對(duì)熱電微致動(dòng)器輸出位移的影響多晶硅薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈在表面硅微機(jī)械機(jī)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)中可以有許多應(yīng)用,比如數(shù)字旋轉(zhuǎn)微鏡機(jī)構(gòu)中反射鏡板與固定錨之間的鉸接、射頻開關(guān)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、微致動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)構(gòu)等。作為薄膜型微機(jī)械柔性鉸在微機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例介紹,以多晶硅冷熱臂電熱微致動(dòng)器設(shè)計(jì)中采用和不采用柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)為例子,分別對(duì)這兩種形式的電熱微致動(dòng)器的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行了有限元分析。ANSYS軟件模擬分析問題的最小尺寸可達(dá)到微米量級(jí),是國際上公認(rèn)的可適用于MEMS仿真分析的軟件工具之—,利用該軟件仿真的結(jié)果如圖2所示。在相同的驅(qū)動(dòng)電壓下,圖2a是常規(guī)的約束端直接固定的冷熱臂電熱微致動(dòng)器在x軸方向上各部位的輸出位移分析結(jié)果,圖2b是約束端采用了柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的冷熱臂電熱微致動(dòng)器在x軸方向上各部位的輸出位移分析結(jié)果,從圖2中可以看出,兩種分析結(jié)果是不同的。多晶硅薄膜型冷熱臂電熱微致動(dòng)器是由兩根稱為冷臂和熱臂的多晶硅微梁組成,末端由錨固定使整個(gè)結(jié)構(gòu)懸于半導(dǎo)體基片之上。多晶硅梁自身兼作加熱器,其電阻率由工藝過程中的摻雜步驟決定。當(dāng)以兩錨為固定電極通以直流電壓時(shí),熱臂寬度小于冷臂,因而其電阻值較大,通電時(shí)發(fā)熱量大于冷臂,使得熱臂的熱膨脹伸長(zhǎng)量大于冷臂,由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布不均使得機(jī)構(gòu)在頂點(diǎn)處產(chǎn)生最大位移或力輸出。仿真分析中所用到的致動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸和相關(guān)的材料參數(shù)有:致動(dòng)器冷臂和熱臂長(zhǎng)l=600μm,熱臂寬度bh=15μm,冷臂寬度bc=25μm,薄膜厚度δ=2μm,直圓柔性鉸最小寬度bmin=5μm,直圓柔性鉸切割半徑R=5μm,直圓柔性鉸寬度b=15μm,多晶硅薄膜彈性模量E=169GPa,泊松比ν=0.22,多晶硅電阻率ρ=2.3×10-11Ω·μm,多晶硅熱膨脹系數(shù)α=2.9×10-6K-1,多晶硅熱導(dǎo)率λ=150×106W/(μm·K)。根據(jù)以上參數(shù)分別對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)形式的電熱微致動(dòng)器性能進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如表2所示。設(shè)定驅(qū)動(dòng)電壓為5V、空載情況下,約束端采用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的電熱微致動(dòng)器的輸出位移大于約束端直接固定的形式,而且所承受的彎矩也相對(duì)較小。通過以上分析,不難看出,采用柔性鉸鏈的冷熱臂電熱微致動(dòng)器的性能要優(yōu)于另外一種形式,這說明結(jié)合多晶硅薄膜的一些獨(dú)特特性,薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈具有很好的特性,適合在表面硅微機(jī)械機(jī)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)中采用。2試驗(yàn)測(cè)試宏機(jī)械柔性鉸鏈研究進(jìn)行的比較多,但深入研究還不夠,到目前為止還缺乏完全精確解。以直圓柔性鉸鏈為例,在工程上一般是采用PAROS模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算的,即式中Mz——彎矩αz——轉(zhuǎn)角bmin——鉸鏈最小寬度采用式(1)對(duì)多晶硅薄膜型直圓柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度進(jìn)行了理論計(jì)算,為驗(yàn)證宏機(jī)械PAROS模型是否適用于薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈的計(jì)算,設(shè)計(jì)制作了多晶硅薄膜型直圓柔性鉸及在線試驗(yàn)裝置,如圖4所示。該在線集成試驗(yàn)裝置采用表面硅犧牲層加工工藝將直圓柔性鉸鏈、測(cè)試機(jī)構(gòu)及電致熱微驅(qū)動(dòng)器集成制作在一起,整個(gè)結(jié)構(gòu)層的厚度均為2μm。測(cè)試機(jī)構(gòu)是由V形梁電致熱微驅(qū)動(dòng)器、多晶硅梁杠桿加載機(jī)構(gòu)和標(biāo)尺讀數(shù)裝置組成。當(dāng)微驅(qū)動(dòng)器通以直流電壓時(shí),在頂點(diǎn)處產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)力的大小可以根據(jù)所建立的熱驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)力學(xué)模型由輸出位移的變化量間接得出,該驅(qū)動(dòng)力經(jīng)杠桿加載機(jī)構(gòu)放大后形成彎矩施加到直圓柔性鉸鏈上。由標(biāo)尺讀數(shù)裝置讀出微驅(qū)動(dòng)器的輸出位移,再根據(jù)杠桿的實(shí)際尺寸經(jīng)過幾何換算可得到直圓柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角的變化量,測(cè)得鉸鏈所承受的彎矩和轉(zhuǎn)角大小就可計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。要進(jìn)行測(cè)試的薄膜型直圓柔性鉸的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:寬度為25μm,高度為2μm,最小寬度為3μm,切割半徑為11μm。如圖5a所示,由PAROS宏機(jī)械直圓柔性鉸鏈理論模型直接計(jì)算該薄膜型直圓柔性鉸鏈的彎矩和轉(zhuǎn)角可得到一條變化關(guān)系曲線,與試驗(yàn)測(cè)得的關(guān)系曲線對(duì)比。圖5中由試驗(yàn)測(cè)得關(guān)系曲線為近似直線,其斜率即是該薄膜型直圓柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到的該鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為120N·μm/rad,由宏機(jī)械柔性鉸鏈理論公式計(jì)算所得的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為8N·μm/rad。由此可見,PAROS宏機(jī)械柔性鉸鏈理論公式計(jì)算所得的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度要遠(yuǎn)小于試驗(yàn)測(cè)試值,試驗(yàn)值與宏機(jī)械理論設(shè)計(jì)值之間存在偏差。以上分析說明宏機(jī)械柔性鉸鏈理論設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到微機(jī)械設(shè)計(jì)中有一定偏差。為此,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)PAROS宏機(jī)械柔性鉸鏈理論模型進(jìn)行修正得到如下適用于薄膜型直圓柔性鉸鏈設(shè)計(jì)的近似經(jīng)驗(yàn)公式采用此修正公式重新計(jì)算薄膜柔性鉸的柔度,得到轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線,如圖5b所示。由此說明,該近似經(jīng)驗(yàn)公式可用于薄膜型直圓柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)與計(jì)算。3薄膜厚度對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響根據(jù)上面的近似經(jīng)驗(yàn)公式可進(jìn)一步得到多晶硅薄膜型直圓柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度k2隨鉸鏈最小寬度bmin等參數(shù)的變化關(guān)系,如圖6所示。從圖6可以看出,隨著鉸鏈最小寬度bmin的增加,轉(zhuǎn)動(dòng)剛度kz是逐漸增大的;在薄膜厚度δ和鉸鏈最小寬度bmin均不變的情況下,轉(zhuǎn)動(dòng)剛度隨切割半徑減小而增大;在切割半徑R和鉸鏈最小寬度bmin均不變的情況下,轉(zhuǎn)動(dòng)剛度會(huì)隨著薄膜厚度增大而增大。式中[σ]——許用應(yīng)力多晶硅薄膜型直圓柔性鉸鏈最大彎矩與結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系如圖7所示。計(jì)算出鉸鏈的最大彎矩和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度后,代入式(4)即可得到鉸鏈變形的最大角位移θmax,薄膜型直圓柔性鉸鏈所承受的最大彎矩與轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的變化關(guān)系如圖8所示。4薄膜型微機(jī)械柔性新型鉸的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究(1)硅材料具有很好的力學(xué)特性,以多晶硅為結(jié)構(gòu)層的薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈可應(yīng)用到硅微機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,以避免微摩擦力的產(chǎn)生,同時(shí)可免于潤(rùn)滑。薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度,可滿足微機(jī)械運(yùn)動(dòng)副擺動(dòng)范圍小、輸出精度高的要求。(2)通過對(duì)多晶硅薄膜型柔性鉸鏈理論與試驗(yàn)研究表明,因尺度效應(yīng)影響,宏機(jī)械柔性鉸鏈模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值之間有偏差。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)PAROS宏機(jī)械柔性鉸鏈理論模型進(jìn)行修正,得到了適用于薄膜型柔性鉸鏈設(shè)計(jì)的近似經(jīng)驗(yàn)公式。以此經(jīng)驗(yàn)公式為依據(jù),分析了多晶硅薄膜型柔性鉸鏈的機(jī)械特性。該理論和試驗(yàn)研究工作對(duì)薄膜型微機(jī)械柔性鉸的設(shè)計(jì)和計(jì)算奠定了一定基礎(chǔ),對(duì)于微機(jī)械設(shè)計(jì)理論的形成和發(fā)展具有一定的意義。(3)如何對(duì)薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),比如鉸鏈最小寬度與薄膜厚度比值的最優(yōu)化設(shè)計(jì),使微機(jī)械柔性鉸鏈達(dá)到最佳轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和較高的輸出精度,是需進(jìn)一步研究的工作。(4)隨著微機(jī)械尺度的減小,當(dāng)薄膜厚度小于亞微米或更小時(shí),微尺度效應(yīng)影響將會(huì)顯著增加,在該尺度下微機(jī)械的一些驅(qū)動(dòng)機(jī)理將與宏尺度得到的理論有根本的不同,需要新理論、新方法解決。R——切割半徑h——鉸鏈高度E——彈性模量反映柔性鉸鏈性能的參數(shù)主要有繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度kz(或柔度),鉸鏈所能承受的最大力矩Mmax及鉸鏈繞z軸最大轉(zhuǎn)角θmax。仍以直圓柔性鉸鏈為例,以表面硅微機(jī)械工藝制作的直圓柔性鉸鏈為薄膜結(jié)構(gòu),鉸鏈高度即為薄膜層的厚度,一般在0.5～2.0μm之間,可在工藝過程中通過控制多晶硅層的淀積厚度得到,如圖3所示。當(dāng)薄膜型直圓柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時(shí),從理論模型中可以看出,柔度的大小僅受到彈性模量的影響,這說明薄膜型微機(jī)械柔性鉸鏈由于受尺度效應(yīng)的影響而使得試驗(yàn)值與宏理論計(jì)算值之間產(chǎn)生偏差。此外,微機(jī)械試驗(yàn)測(cè)試方法與