非焊接式纳米线机械性能测试器件结构设计

杜 林,饶进军,吴智政,刘 梅,曹 宁

(上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072)



非焊接式纳米线机械性能测试器件结构设计

杜 林,饶进军*,吴智政,刘 梅,曹 宁

(上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072)

纳米线机械性能测试中,常见MEMS器件大都采用焊接或沉积方式固定纳米线,限制了器件寿命和测试重复性。针对焊接方式测试的不足,设计了一种非焊接式纳米线机械性能测试MEMS器件。在静电叉指和支撑梁结构的基础上,设计了利用梁刚度差进行夹紧和拉伸操作的结构,其中设计了V型结构以避免焊接纳米线。利用有限元仿真软件进行了仿真验证,确定了最优结构尺寸,V型缝隙夹角小于22.5°时能满足纳米线机械性能测试要求,所设计器件提高了测试器件的重复利用率。

微机电系统;机械特性;刚度差;非焊接式;静电驱动;接触滑移

一维纳米线作为机电系统、电路互连的重要基石,其机械性能的好坏将直接影响器件根本性能[1],而纳米线机械性能测试是一个非常复杂和困难的工作[2]。MEMS器件在纳米线测试方面具有一定优势,如体积小、受外界环境影响小等。国内外学者在这方面进行了很多探索,测得了诸多纳米线的机械性能。大部分研究组采用聚焦离子束或者沉积焊接方式对纳米线进行固定,例如Zhang D F等人采用FEBID(聚焦电子束诱导沉积)方式对钴纳米线固定测得了杨氏模量[3],Celik E等人采用FIB(聚焦离子束)方式对镍纳米线进行固定测得了弹性模量[4],Zhang Y等人采用EBID(电子束诱发淀积)对硅纳米线进行固定验证其压阻性能[5],Bhanushali S等人采用沉积方式对铜合金纳米线进行固定测得了弹性应变和单轴应力[6]。在测量完一根纳米线后,必须剪切断该纳米线才能进行下次测量[7]。多次使用后,纳米线焊接残余部分影响再次测量效果,而且单个MEMS器件重复利用率不高。MEMS器件所涉及制造工艺繁杂,单个MEMS器件成本高[8]。因此为提高MEMS器件的利用率,降低使用成本,研制一种非焊接方式固定纳米线、可重复多次测量纳米线机械性能的MEMS器件很有必要。

本文在静电叉指结构[9]和支撑梁结构[10-11]的基础上,设计一种利用刚度差进行夹紧和拉伸的梁结构,实现了非焊接式纳米线机械性能测试MEMS器件,以提高重复利用率,并通过COMSOL Multiphysics和ANSYS有限元仿真软件对结构进行了优化。

1 原理

MEMS器件总体结构如图1所示,由四部分构成:驱动部分、样品部分、力检测部分、夹持部分。其中驱动部分由静电叉指结构和支撑梁构成,力检测部分由传感梁构成,夹持部分由两条V型缝隙构成。

图1 总体结构图

图2 系统建模分析

基本工作过程:利用纳米操作手等工具,将纳米线放置在夹持结构V型缝隙中。在静电拉力作用下,支撑梁先受迫运动,缝隙间距减小,纳米线被接触,静摩擦力增大;同时传感梁也受力变形。传感梁继续变形,纳米线由弯曲状态被拉直,同时,纳米线静摩擦力继续增大。在静电拉力继续作用下,纳米线静摩擦力持续增大,纳米线所受的轴向拉伸力持续增大。当纳米线的静摩擦力增加大于动摩擦力,且轴向拉力大于纳米线的最大承受力时,纳米线出现断裂现象。根据被测纳米线的实际长度、传感梁的间距和传感梁的最大变形,就可以得到纳米线的延伸率和断裂强度。

驱动部分采用静电叉指结构,提供拉伸样品的力;样品部分为待测纳米线,具有一定刚度和延伸率;力检测部分采用悬臂梁结构,通过变形大小得出受力大小;V型缝隙间隙变小夹住待测纳米线。设计的关键就是各部分运动分析和确定结构尺寸。

首先进行整体建模分析,各部分之间的关系如图2所示。在驱动部分作用下拉动样品,并且引起支撑梁和传感梁的弯曲变形。根据受力平衡分析,样品的驱动拉力和传感梁的拉力大小相等,因此根据传感梁变形受力即知样品上的力。根据传感梁刚度系数和变形位移可以得到最大变形量。

驱动部分静电叉指结构类似于平行板电容驱动结构,如图3(a)所示。当电容器极板通电时,在电场作用下,两极板相互吸引。对平行板电容结构,可以根据虚位移原理[12],极板间储能对位移求导得出该方向上静电力的大小[13]。静电叉指结构各尺寸如图3(b)所示。

图3 静电叉指驱动结构

图3中,t为器件层厚度,l0为叉指重叠长度,x0为齿间距传感梁,可以简化为在集中载荷作用下的悬臂梁[14],如图4所示。

图4 梁简化模型

图4中,m为梁宽度,l为梁长度两条V型缝隙构成的夹持结构利用不同刚度梁之间的运动关系,对纳米线夹持和拉伸只需要一个运动方向的驱动,从而避免了纳米线先焊接固定再测量的不足。结构简图如图5所示。

图5 V型夹持结构示意图

根据国内外研究者的研究成果,可知拉伸单根纳米线所需要的力和位移大小。假设被测对象为直径50 nm,断裂强度为5 GPa的纳米线,断裂延伸率为8%,被测长度为10 μm,则需要的最大拉伸力9.817×10-6N,拉伸位移0.8 μm,以此参数进行结构设计。

2 结构设计

2.1 总体结构

器件层要实现不同电极间的电气隔绝,夹持和拉伸过程要保持同步,因此整体采用对称结构设计,正负电极分开一定距离,两驱动部分采用共线供电方式。对称结构可以夹持纳米线两端,提高夹持的稳定性。夹持样品部分两条缝隙具有一定的角度,在驱动作用下缝隙距离可以增大或减小。

考虑到微制造工艺成本,器件层厚度不宜太厚;而器件层太薄,则产生的拉力太小,不足以拉动纳米线,梁在水平方向上的刚度也会降低。MEMS器件采用较成熟的ICP深硅刻蚀工艺[15-16]。以顶层50 μm、埋层2 μm、底层430 μm的SOI硅片为基础,采用紫外光刻转移图形,在硅片正面做出顶层图形再进行ICP刻蚀。利用套刻技术做出背层图形,利用Lift-off工艺剥离金属[17],用金属图形做掩膜进行ICP刻蚀。利用引线键合技术将两驱动部分电极连在。

通过有限元软件对静电驱动结构、梁结构和接触缝隙角度进行初步仿真分析,可以得出:外界电压对电场分布和结构位移具有非线性关系。重力场对结构变形影响较小,可以忽略;支撑梁的数量和厚度决定了水平方向运动刚度;传感梁的长度对接触刚度影响很大;接触缝隙的角度,影响接触运动偏移,进而影响纳米线的滑移。因此,优化MEMS器件应重点研究电压对结构位移的影响、器件层厚度对梁刚度的影响、悬臂梁长度对梁刚度的影响和缝隙角度对接触滑移的影响。

2.2 电压对结构位移的影响

静电力属于表面力,叉指结构简单,在尺寸微小化时,能够产生较大的力。静电叉指驱动涉及静电、结构、重力场的耦合,静电驱动结构涉及电压、尺寸、重力等物理参数,各物理量具有耦合关系,合适的极板尺寸参数和电压将会产生足够大的静电力[18]。静电叉指作为执行元件是MEMS中研究的热点[19]。

电压分布情况影响结构位移大小,在复杂因素下,耦合场下电压和位移的关系非常重要,设计大位移的结构对测量结果非常重要[20]。根据制造工艺要求,设定t=50 μm,l0=30 μm,x0=10 μm,l=7 000 μm,m=30 μm。

根据平行板电容器原理[21]和虚位移原理[12]计算,要把纳米线拉断需要50.85 V电压。在COMSOL Multiphysics机电模块(emi)中进行仿真分析,在50 V的外界电压作用下,位移结果如图6(a)所示,在一定外界电压下的电场分布如图6(b)所示。

在50 V时,静电驱动结构可产生最大9.9 μm位移。静电驱动部分可以产生大于0.8 μm的位移,能够满足拉断纳米线的位移距离。根据虚位移原理,静电驱动结构的电压和位移的理论关系如图7所示。

图7 电压和位移理论关系

由图7可以看出仿真结果与理论位移存在差异。在电压50 V时,两者位移结果并不相同,理论计算值要小于仿真值。这是由于理论计算只考虑了板间相对空间电容,而仿真则考虑到了板间边缘电容的影响。因此实际所需的电压要小于理论计算电压。

2.3 器件层厚度对梁刚度的影响

在重力作用下,重力方向的形变量最大为1.89 μm,为水平方向位移的19%,因此主要讨论水平方向刚度影响。考虑到深硅刻蚀的难度和成本问题,器件层的厚度不宜太厚。而且梁受力变形,厚度对水平方向的刚度影响很大。选取l=7 000 μm,m=30 μm。通过ANSYS软件研究了梁水平方向刚度对器件层厚度参数的依赖关系,如图8(a)所示。

图8 器件层厚度和梁长度与梁刚度的关系

由图8(a)可以看出,梁水平刚度和器件层厚度正相关,随着厚度的增加,刚度迅速增加。刚度增大可以增大夹持力,夹持纳米线效果更好,但也增大了静电驱动部分的负载。器件层厚度也要考虑制造工艺的难度和价格。深硅刻蚀工艺复杂,要求具有一定的深宽比,如果刻蚀太深,则垂直性保持变差。因此,要结合实制造工艺和静电驱动结构,确定合适的器件层厚度。

2.4 悬臂梁长度对梁刚度的影响

在系统分析中,根据力的传递关系,传感梁的刚度系数对计算分析十分重要,直接影响了系统精度[14]。在t=50 μm、m=30 μm情况下,l从5 000 μm增加到9 000 μm,步长1 000 μm,通过ANSYS软件仿真分析了梁水平方向刚度对梁长度的依赖关系,如图8(b)所示。

梁的水平刚度和梁长负相关,随着长度增加,刚度迅速下降。刚度增大可以增加夹持纳米线的效果,但也增大了静电驱动部分的负载。由于传感梁属于悬臂梁结构,长度越长末端重力影响越大,而且由于材料内应力的存在,较长的梁会发生应力变形[22],从而影响系统的功能。因此,必须根据刚度曲线和制造工艺变形选择合适的梁长度。

2.5 缝隙角度对接触滑移的影响

夹持部分采用V型缝隙结构,缝隙角度如图6所示。虽然缝隙角度越小滑移情况越不容易发生,越有利于测试的稳定性,但是这对放置纳米线提出了十分苛刻的要求,纳米线要弯曲接近90°才能被夹持。因此为了降低放置纳米线的空间操作难度和效率,采用一定角度的结构设计。静电叉指驱动部分可以实现两个方向的运动,当放置纳米线时,反向驱动扩大间隙,方便微纳操作手操作。

静电驱动结构在驱动电压下,沿轴线水平运动。梁接触后可能会出现滑移现象,在垂直方向有运动分量。滑移将导致夹持纳米线的不稳定,影响测量结果。在静摩擦系数为0.2,纳米线未受轴向拉伸力时,两缝隙角度α从10°到40°,间隔10°,对滑移情况进行仿真分析,如图9(a)所示。

图9 缝隙角度与滑移和静摩擦系数的关系

从结果分析可以看出缝隙角度在22.5°以下,滑移值为正,可以有效避免接触滑移现象的产生。在设计缝隙角度时,角度越小滑移越小,但是这增加了放置纳米线的难度。角度越大滑移越明显,则作用在纳米线的轴向拉力越小,甚至不能拉断纳米线。必须考虑到实际操作的问题,设计合适的缝隙角度。在纳米线受轴向力时,不考虑弯曲应力的影响。滑移现象跟传感梁的位移和支撑梁的刚度系数有关,静电力越大,传感梁刚度系数越小滑移越不容易发生。

3 结果与讨论

通过有限元仿真软件对静电驱动结构、梁结构和接触滑移进行了仿真测试,结合制造工艺和操作难度,讨论了关键结构尺寸对器件的影响。在同一电压作用下,可以实现夹持和拉伸纳米线的功能,避免了焊接固定纳米线的不足。通过仿真分析,在缝隙角度选择小于22.5°时,能够避免接触滑移现象的发生。纳米线与梁的静摩擦系数也影响滑移,纳米线与梁的静摩擦系数越大,越有利于纳米线的夹持,滑移也越小。为了增加纳米线与梁的静摩擦力,减小垂直方向滑移造成的影响,可以光刻出锯齿形状,增加梁末端摩擦系数[23]。摩擦系数和缝隙角度的关系如图9(b)所示,可以看出随着静摩擦系数的增加,缝隙角度可以更大,以方便操作。

所设计MEMS器件结构,接触滑移低,不用对纳米线进行焊接,减少了外界的干预条件,可以提高MEMS器件重复利用率。能够满足纳米线机械性能测试要求,可对最大承受拉力为9.817×10-6N内的纳米线进行断裂强度测试。

4 结束语

文中设计了一种非焊接式测试器件,避免了焊接纳米线的不足,可对一般常见纳米线的机械性能进行重复测试。,通过有限元仿真软件对系统进行了仿真验证,结合制造工艺和操纵难度,研究了关键参数对器件的影响,重点讨论了V型缝隙角度对器件滑移的影响,在小于22.5°时可以有效避免滑移。仿真结果表明所设计器件具有可行性,提高了MEMS器件利用率,为利用新器件测试纳米线的机械性能提供了新思路。将来可结合实际加工误差和对称性特点对测量误差进行进一步分析。

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Design of a MEMS Device for Mechanical Property Testing of Nanowires without Welding

DU Lin,RAO Jinjun,WU Zhizheng,LIU Mei,CAO Ning

(School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

In researches about mechanical properties of nanowires,welding methods,such as FIB and EBID which are most common methods used to fixed nanowires,reduce devices lifetime and repeatability. In order to overcome the shortcomings of the welding method,a new MEMS device without need of welding or depositing was designed in this paper. Basing on the electrostatic interdigital structure and bearing beam structure,a clamping and stretching structure using the rigidity difference was designed,in which a V-shaped structure is designed to avoid welding or depositing. It was simulated and validated by FEA,and the optimal structure was obtained. When the angle of V-shaped gap is less than 22.5°,it can meet the requirements of the mechanical properties of nanowires,and improve application repeatability.

MEMS;mechanical properties;rigidity difference;without welding;electrostatic actuation;contact slip

杜 林(1990-),男,硕士研究生。主要研究方向微机电系统,液体粘度检测,dylandavid@shu.edu.cn;

饶进军(1978-),男,博士,副研究员,主要研究方向为机器人系统与智能,微机电技术,jjrao@shu.edu.cn。

项目来源:国家自然科学基金项目(61573236);上海市科委基金项目(14JC1491500)

2016-12-09 修改日期:2017-02-16

TK513.5

A

1004-1699(2017)06-0831-05

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.005