陳林林，李 偉，張玉華

(鄭州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州 450064)

0 引言

近些年，柔性電子器件的發(fā)展較為迅速，具有較強(qiáng)的可彎曲性，制造工藝成本較低且可容易實(shí)現(xiàn)微小型化和智能化。其以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸占領(lǐng)柔性傳感、可穿戴電子皮膚及無(wú)人機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-3]。21世紀(jì)以來(lái)，在雷達(dá)及物聯(lián)網(wǎng)中具有廣泛應(yīng)用前景的射頻微機(jī)電系統(tǒng)(RF MEMS)柔性器件受到越來(lái)越多科學(xué)研究者的青睞[4-5]。但是目前市場(chǎng)上存在的絕大多數(shù)MEMS V型梁熱驅(qū)動(dòng)器還是以傳統(tǒng)的剛性材料作為襯底[6-8]，雖然國(guó)內(nèi)外的部分高校或者科研院所也提出過(guò)以柔性材料代替剛性材料作為RF MEMS柔性器件的襯底，但這些方案均以器件設(shè)計(jì)、器件的制造及非彎曲狀態(tài)下的性能測(cè)試為主[9-15]，對(duì)RF MEMS柔性器件在彎曲狀態(tài)下的性能測(cè)試基本無(wú)人研究。

為了研究襯底彎曲對(duì)器件的影響，本文以柔性MEMS V型梁器件為例，研究彎曲曲率、梁長(zhǎng)及梁傾角對(duì)其性能的影響。經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試得到了襯底彎曲曲率的增大(從0增至33.3 m-1)、梁長(zhǎng)的增加(從400 μm增至600 μm)及逐漸增大的梁傾角(從13°增至27°)對(duì)柔性器件的性能影響。然后對(duì)各參數(shù)影響柔性器件的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，為后續(xù)MEMS V型柔性器件的設(shè)計(jì)和制造提供理論支撐。

1 MEMS V型梁結(jié)構(gòu)工作原理

MEMS V型梁結(jié)構(gòu)通常包括錨區(qū)、V型梁、中間推桿以及柔性襯底等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。錨區(qū)的作用是將V形梁結(jié)構(gòu)牢牢固定在襯底上，其一般分布于梁的兩端，當(dāng)錨區(qū)之間有電壓作用時(shí)，產(chǎn)生的電流會(huì)在梁內(nèi)轉(zhuǎn)化為焦耳熱，焦耳熱的產(chǎn)生使得梁發(fā)生了熱膨脹，從而產(chǎn)生了應(yīng)力。應(yīng)力導(dǎo)致中間推桿發(fā)生位移上的變化，使得驅(qū)動(dòng)器閉合。雖然梁的熱膨脹量較小，但是可以通過(guò)加大縱向位移量實(shí)現(xiàn)大位移的驅(qū)動(dòng)。因此本文研究的MEMS V型梁熱驅(qū)動(dòng)器具備大的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)位移。

圖1 MEMS V型梁結(jié)構(gòu)

本文采用的梁彎曲力學(xué)模型如下[16]:當(dāng)柔性襯底由于彎曲發(fā)生變化時(shí)，兩端錨之間的距離也會(huì)隨之變化，從而導(dǎo)致梁與水平方向的夾角增大。隨之會(huì)使梁中間的推桿發(fā)生平移，會(huì)對(duì)梁的驅(qū)動(dòng)距離產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響到梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電流。假設(shè)MEMS V型梁結(jié)構(gòu)的梁長(zhǎng)、梁寬及梁厚分別用L、w及t表示。梁與水平方向的夾角用φ0表示。驅(qū)動(dòng)器在推桿方向的位移可由式(1)計(jì)算得出：

(1)

式中：Lp=Lcosφ0；Y0=Lsinφ0；k、ρ、α、V分別為熱導(dǎo)率、電阻率、熱膨脹系數(shù)和施加的電壓。

驅(qū)動(dòng)電流可通過(guò)式(1)中的電壓V和電阻率ρ推導(dǎo)出，驅(qū)動(dòng)力F可通過(guò)式(2)求出。驅(qū)動(dòng)力越大，驅(qū)動(dòng)距離越遠(yuǎn)。

(2)

式中E為楊氏模量。

為了能夠增大驅(qū)動(dòng)力，本文通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式將4個(gè)V型梁熱驅(qū)動(dòng)器單元結(jié)合，示意圖如圖2所示，驅(qū)動(dòng)力可由式(2)改寫(xiě)成式(3)得：

圖2 級(jí)聯(lián)起來(lái)的V型梁熱驅(qū)動(dòng)器

(3)

式中N為級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)，N=4。

2 設(shè)計(jì)與制作

2.1 V型梁結(jié)構(gòu)彎曲特性的ANSYS仿真

本文將通過(guò)ANSYS軟件及耦合力學(xué)有限元分析法完成對(duì)V型梁熱驅(qū)動(dòng)器在彎曲狀態(tài)下的仿真，以獲取襯底彎曲曲率對(duì)V型梁結(jié)構(gòu)的影響。

2.1.1 耦合力學(xué)有限元分析法

對(duì)V型梁尺寸的設(shè)置如表1所示，為了充分闡明梁夾角與梁長(zhǎng)對(duì)V型梁彎曲的影響，本文對(duì)這2個(gè)參數(shù)規(guī)格取5組，當(dāng)梁夾角為13°時(shí)，梁長(zhǎng)為600 μm；當(dāng)梁夾角為20°時(shí)，梁長(zhǎng)分別為400 μm、500 μm、600 μm；當(dāng)梁夾角為27°時(shí)，梁長(zhǎng)為600 μm。

表1 V型梁結(jié)構(gòu)尺寸 μm

模型中的結(jié)構(gòu)材料均為金，梁和襯底間的空隙處填充空氣層，材料的參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)

通過(guò)ANSYS軟件生成的模型圖如圖3所示，為了保證所得結(jié)果具有較高的精確度，建模時(shí)對(duì)各連接處一定要做到精確。仿真時(shí)，在錨處施加的初始電流為0.3 A，隨后逐漸增大電流使得推桿驅(qū)動(dòng)距離增至3 μm時(shí)停止，閉合驅(qū)動(dòng)器得到驅(qū)動(dòng)電流的大小。

圖3 V型梁結(jié)構(gòu)的仿真模型圖

2.1.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖4所示。當(dāng)梁長(zhǎng)為600 μm時(shí)，不同梁夾角(分別為13°、20°、27°)的驅(qū)動(dòng)電流與曲率的變化關(guān)系如圖4(a)所示，當(dāng)梁夾角為20°時(shí)，不同梁長(zhǎng)下(分別為400、500、600 μm)驅(qū)動(dòng)電流與曲率變化關(guān)系如圖4(b)所示。

(a)梁長(zhǎng)一定時(shí)，不同梁夾角的驅(qū)動(dòng)電流與曲率的關(guān)系

從圖4的仿真結(jié)果可以看出，V型梁驅(qū)動(dòng)電流與襯底彎曲曲率成正比關(guān)系。由圖4(a)得，當(dāng)梁長(zhǎng)為600 μm時(shí)，襯底的彎曲曲率為33.3 m-1時(shí)，梁夾角為13°的V型梁驅(qū)動(dòng)電流增大了17.6%，梁夾角為20°的V型梁驅(qū)動(dòng)電流增大了11.7%，梁夾角為27°的V型梁驅(qū)動(dòng)電流增大了9.5%。由圖4(b)得，當(dāng)梁夾角為20°時(shí)，襯底的彎曲曲率為33.3 m-1時(shí)，梁長(zhǎng)為400、500、600 μm的V型梁驅(qū)動(dòng)電流分別增大了8.8%、9.3%、11.7%。

從上述的仿真結(jié)果可得，當(dāng)V型梁襯底曲率增大時(shí)(即彎曲程度增大)，錨之間的距離就會(huì)發(fā)生變化，使得梁夾角增大，導(dǎo)致推桿向后移動(dòng)，增加了驅(qū)動(dòng)距離，進(jìn)而增大了驅(qū)動(dòng)電流。

2.2 工藝步驟

本文將以柔性LCP(液晶聚合物)作為襯底完成對(duì)V型梁熱驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，然后通過(guò)微納加工技術(shù)完成對(duì)器件的制造，具體的工藝步驟如圖5所示。

圖5 V型梁熱驅(qū)動(dòng)器的制造工藝

具體步驟如下:

(1)對(duì)LCP進(jìn)行徹底的表面清洗，然后鍍一層平整的銅膜。

(2)通過(guò)磁控濺射鍍一層種子層。

(3)在種子層表面涂一層光刻膠，然后通過(guò)顯影等方式制作出CPW傳輸線。

(4)再次通過(guò)磁控濺射鍍一層金屬銅膜，采用刻蝕機(jī)去掉沒(méi)被電鍍的種子層。

(5)繼續(xù)涂一層光刻膠，然后通過(guò)顯影方式制作出橋墩?qǐng)D案。

(6)通過(guò)納米團(tuán)簇鍍一層金種子層。

(7)重復(fù)步驟(5)制作出梁圖案。

(8)蒸鍍一層4 μm厚的銅膜。

(9)最后除去光刻膠及種子層，并釋放犧牲層。

2.3 V型梁熱驅(qū)動(dòng)器的加工與制造

通過(guò)以上的工藝步驟完成了V型梁熱驅(qū)動(dòng)器的加工與制造，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察其表面結(jié)構(gòu)如圖6所示，改變襯底彎曲曲率前后對(duì)比的SEM圖如圖7所示。

圖6 制造的V型梁熱驅(qū)動(dòng)器的SEM圖

(a)小彎曲曲率下的SEM圖

3 對(duì)V型梁結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文將利用搭建的測(cè)試電路完成對(duì)制造的V型梁熱驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行性能測(cè)試，然后通過(guò)與仿真結(jié)果作對(duì)比證明本文提出方案的正確性。

利用高靈敏度數(shù)字萬(wàn)用表、直流電壓源及四探針的Cascade探針臺(tái)搭建如圖8所示的測(cè)試電路。通過(guò)將探針壓在不同曲率(包含33.3 m-1、28.6 m-1、25.0 m-1、22.2 m-1、20.0 m-1、0)的弧形底座完成測(cè)試。驅(qū)動(dòng)器的直流PAD與電壓源通過(guò)導(dǎo)線連接，一旦驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通，萬(wàn)用表就會(huì)測(cè)得數(shù)據(jù)，以萬(wàn)用表上的電阻大小作為驅(qū)動(dòng)器是否吸合的根據(jù)。

圖8 測(cè)試電路示意圖

不同尺寸V型梁的實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果對(duì)比圖如圖9所示，當(dāng)梁長(zhǎng)為600 μm時(shí)，不同梁夾角下(分別為13°、20°和27°)驅(qū)動(dòng)電流隨曲率變化的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比圖如圖9(a)所示。當(dāng)梁夾角為20°時(shí)，不同梁長(zhǎng)(分別為400 μm、500 μm和600 μm)下驅(qū)動(dòng)電流隨曲率變化的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比圖如圖9(b)所示。

(a)600 μm梁長(zhǎng)時(shí)，不同梁夾角下驅(qū)動(dòng)電流隨曲率變化的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比圖

從圖9(a)中可以看出，當(dāng)V型梁的梁長(zhǎng)為600 μm時(shí)，梁夾角為13°的V型梁驅(qū)動(dòng)電流實(shí)測(cè)與仿真誤差低于3.3%；梁夾角為20°的V型梁驅(qū)動(dòng)電流實(shí)測(cè)與仿真誤差低于4.0%；梁夾角為27°的V型梁驅(qū)動(dòng)電流實(shí)測(cè)與仿真誤差低于1.4%。從圖9(b)中可以看出，當(dāng)V型梁的梁夾角為20°時(shí)，梁長(zhǎng)為400 μm的V型梁驅(qū)動(dòng)電流實(shí)測(cè)與仿真誤差低于4.8%；梁長(zhǎng)為500 μm的V型梁驅(qū)動(dòng)電流實(shí)測(cè)與仿真誤差低于6.0%；梁長(zhǎng)為600 μm的V型梁驅(qū)動(dòng)電流實(shí)測(cè)與仿真誤差低于4.0%。從實(shí)測(cè)的結(jié)果可得，V型梁的驅(qū)動(dòng)電流隨著梁夾角的增大而增加，隨梁長(zhǎng)的增大而減小。當(dāng)梁夾角和梁長(zhǎng)固定不變時(shí)，V型梁的驅(qū)動(dòng)電流隨著襯底曲率的增加而增大，這是因?yàn)殄^區(qū)間的距離隨著曲率的增加而發(fā)生了變化，使得V型梁與水平夾角增大，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)距離增加，最終增大了驅(qū)動(dòng)電流。

由于對(duì)制備的V型梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)時(shí)，其自身帶有一點(diǎn)上翹，使得其并非完全處于水平面，導(dǎo)致實(shí)測(cè)值相對(duì)仿真結(jié)果有一定的誤差，但最大誤差低于6.0%。從對(duì)比結(jié)果可得，相同尺寸的V型梁結(jié)構(gòu)在誤差允許的范圍內(nèi)實(shí)測(cè)值與仿真值具有很好的吻合度，證明本文提出的彎曲特性實(shí)測(cè)結(jié)果很好地對(duì)仿真理論進(jìn)行了驗(yàn)證。

4 結(jié)論

為了研究襯底彎曲曲率對(duì)MEMS柔性器件的性能的影響，本文通過(guò)軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證完成了受彎曲曲率對(duì)柔性V型梁器件的影響。首先對(duì)V型梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同梁長(zhǎng)和梁夾角的設(shè)計(jì)和微納加工，然后對(duì)不同尺寸V型梁的實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果作了對(duì)比，從對(duì)比結(jié)果可得，實(shí)測(cè)值與仿真值的最大誤差不大于6.0%，當(dāng)柔性襯底的曲率增大時(shí)，V型梁的驅(qū)動(dòng)電流隨著襯底曲率的增加而增大。