基于单晶硅材料的微摩擦测试机构及其试验研究

　　微电子机械系统(MEMS)中的摩擦磨损问题已成为制约MEMS器件实用化、市场化的关键因素[1],同时也是MEMS研究的重要方向 [2~6].而找到合适且能够真实反映微机电器件摩擦磨损状况的测试手段,为微摩擦研究提供技术手段是当务之急.近年来,国内外虽然在微摩擦磨损测试研究 方面已经取得一些进展.但其主要测试手段还是利用原子力显微镜[7],而由于其探针的针尖与表面之间的相互作用,其摩擦工况与微机电系统中运动副之间的实 际接触状况存在很大差异,测试结果并不能反映微机电系统的真实摩擦磨损状况.而一些利用专用的微摩擦测试设备[7]虽然能够较好地模拟微机电器件的真实接 触情况,但其研究对象主要侧重于硅片的上表面,对于微机电器件中普遍存在的侧面接触问题不能进行模拟和测试.

　　本文设计了1种专门对单晶硅侧面摩擦副进行测试的微摩擦磨损测试机构,能够比较真实地反映MEMS器件的表面工况,且便于测试,在国内外还未见与该测试机构相关的报道.

　　1　测试机构工作原理

　　单晶硅微机电器件摩擦磨损模拟装置机构图如图1所示,图中各尺寸的单位均为μm.测试装置主要由2个相互垂直的梳齿驱动器A和B组成.每个驱动 器均以中间横梁为轴线对称,中驱动器B为测试机构的加载部分,提供摩擦力测试需要的正压力.驱动器A为驱动部分,提供摩擦测试需要的往复运动.每个梳齿驱 动器的可动部分由6根悬臂梁支撑.悬臂梁通过其两端的锚点与基底连接.对称悬臂保证了驱动器沿对称轴线方向的运动,起到了很好的导向作用. 2个梳齿驱动器的横梁伸出端组成一对摩擦副[见图1(b)],其中竖直驱动器B伸出端为1个顶端为半圆柱形的十字机构.由于半圆柱表面和相对驱动器A的横 梁伸出端侧面间隙为3μm,称为分离式微摩擦测试机构.为了方便测试结果的处理,在2个伸出端的交叉处设置1个固定的矩形位移参考块D.测试过程中首先在 驱动器B上施加直流电压,使其伸出端压紧驱动器A伸出端的侧面,从而形成摩擦副.正压力可以通过测量驱动器A的伸出端与D的相对位移计算.然后,通过在驱 动器A上施加具有一定偏置的交流电压,使得驱动器A的侧面相对于驱动器B的伸出端产生往复运动,运动过程中摩擦力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.通过计算出的摩擦力及正压力可以得到两者比值.可见,该测试系统将被测试件、加载机构、驱动机构以及力传感器集成在1个芯片上,能够反映 微机电器件摩擦副表面的真实接触情况,同时还可以方便得到所需要的测试数据.

　　2　结构模态分析

　　为了在分离式微摩擦测试机构动态测试过程中达到较好的测试效果,需要驱动器A的伸出端侧面与驱动器B的伸出端端点具有较大的相对位移,这可以通 过使驱动器A工作在谐振状态下来实现,即采用驱动电源的输入频率与驱动器的谐振频率一致.因此,有必要对驱动器A进行模态分析,从而得到驱动电源的最佳输 入频率.分析中驱动器A的结构如图1(a)所示.从理论计算和模拟分析2方面对该系统的模态进行分析.