大撓度彎曲的三角形懸臂梁MEMS探針設(shè)計

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，法國里爾大學(xué)（University of Lille）的Steve Arscott在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Skate, overtravel, and contact force of tilted triangular cantilevers for microcantilever-based MEMS probe technologies”的最新論文，提出了一種描述大撓度彎曲的三角形懸臂梁的滑行、超行程、接觸力之間關(guān)系的可擴展模型，為實現(xiàn)錐形MEMS探針的零滑行提供了可行的解決方案，對參與片上測試的探針工程師和MEMS探針的設(shè)計者具有一定的指導(dǎo)意義。

微小的可變形微加工芯片邊緣微懸臂梁對于各種表面探測技術(shù)都非常有用。例如，它們是近場顯微術(shù)的關(guān)鍵元素，在近場顯微術(shù)中，它們在小撓度狀態(tài)下的力學(xué)行為被很好的理解和記錄，這對于結(jié)果的解釋非常重要。近場顯微術(shù)中使用的這種懸臂梁的探針撓度是以納米為單位計算的，這與它們的長度（通常為幾十和幾百微米）相比非常小。相比之下，如果微懸臂梁被用作其他微型探測技術(shù)的載體，例如新興的微型電測試探針，則其撓度可能會稍高，例如，由于實現(xiàn)低電阻接觸可能需要更大的接觸力。

圖1a–c給出了使用硅微技術(shù)制造的MEMS電探針示例，該技術(shù)可以制造出微米厚的長懸臂梁。對于此類探針，其彎曲可能會使其進入大撓度配置，在這種配置中，其力學(xué)性能的理解和記錄較少。在大撓度情況下，探針尖端撓度可能高達懸臂梁長度的一半。與表面接觸的傾斜微懸臂探針被施加稱為“超行程”的垂直運動時會發(fā)生力學(xué)變形。這種彎曲的結(jié)果是（i）尖端的橫向運動穿過被稱為“滑行”的接觸面，（ii）尖端和表面之間產(chǎn)生接觸力（見圖1d）。

圖1 MEMS微加工技術(shù)制造的含有微懸臂梁的電探針

超行程、滑行和接觸力之間的關(guān)系取決于懸臂梁的形狀和剛度，以及懸臂梁相對于下表面的傾斜角度。對于處于小撓度狀態(tài)下的懸臂梁，人們已經(jīng)探討了這種關(guān)系。對于大撓度下的矩形懸臂梁，本文作者也對其關(guān)系進行了描述。相比之下，平面、錐形三角形微懸臂梁更適合于片上測試，因為它們易于定位，并且錐形結(jié)構(gòu)可以將寬的低電阻軌道傳遞到小的尖端觸點——這在圖1a-c中很明顯；例如，圖1c中的金觸點為200nm × 200nm。

滑行、超行程和傾斜懸臂梁/表面的接觸力之間的關(guān)系取決于懸臂梁的彎曲，而懸臂梁的彎曲又取決于其特定形狀。平面、錐形三角形懸臂梁與矩形懸臂梁的撓度不同，這意味著超行程/滑行/接觸力之間的關(guān)系將不同。本文描述并研究了平面三角形懸臂梁的滑行、超行程和接觸力之間的關(guān)系。在電探針中，接觸力是一個重要的參數(shù)，因為它在一定程度上決定了金屬對金屬電觸點的質(zhì)量。

彎曲懸臂梁上產(chǎn)生的表面應(yīng)力也很重要，因為它將控制探針的最大可施加的超行程——超過這個限度，探針就可能失效。在一些應(yīng)用中，探針尖端/表面相切也可能具有一定的重要性，以使位于探針尖端的任何金屬觸點與下層接觸面平行——隨著接觸力的變化，這種幾何形狀也可能影響探針可實現(xiàn)的最小接觸電阻。通過超行程補償實現(xiàn)零滑行的想法也適用于三角形懸臂梁——研究結(jié)果為這一問題指出了一個實用的解決方案。能夠預(yù)測上述問題對于大撓度彎曲下工作的MEMS探針工程師來說非常重要，這也是本文的目標(biāo)。

基于此，本文提出了一種可擴展的模型，可用于描述傾斜三角形懸臂梁中滑行、超行程和產(chǎn)生的尖端接觸力之間的關(guān)系，其中懸臂梁以高撓度彎曲并與平坦表面接觸。利用宏觀三角形懸臂梁（由聚苯乙烯板材制造）對模型進行了實驗測試，實驗結(jié)果與所提出的模型吻合良好。有趣的是，與矩形懸臂梁相比，實現(xiàn)三角形懸臂梁的超行程/滑行相切條件所需的超行程更少，這是由于三角形懸臂梁的圓弧形彎曲（而不是矩形懸臂梁的三次多項式彎曲）造成的。這對超行程/尖端與表面接觸力之間的關(guān)系有影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)，滑行/超行程之間的關(guān)系與三角形底邊寬度無關(guān)，這在0.12至0.74的b/L范圍內(nèi)（即從強等腰到準(zhǔn)等邊）得到了實驗驗證。這意味著三角形懸臂梁的滑行/超行程關(guān)系與懸臂梁的剛度無關(guān)。接觸力和尖端處的集中負載力（這會導(dǎo)致大撓度下的彎曲）之間存在關(guān)系。測得的尖端/表面接觸力作為三角形懸臂梁底邊寬度的函數(shù)線性增加。接觸力取決于三角形的底邊寬度。三角形懸臂梁的彎曲意味著底邊處沒有應(yīng)力集中，這與矩形懸臂梁的情況不同；就未來微懸臂梁的魯棒性而言，這可能是一個優(yōu)勢。由于圓弧形彎曲，三角形懸臂梁中的相切條件比具有相同長度的矩形懸臂梁更早達到（即超行程較?。@在電接觸方面可能是一個優(yōu)勢。這些發(fā)現(xiàn)也為在錐形MEMS探針中實現(xiàn)零滑行提供了實用的解決方案。終上所述，關(guān)于大撓度傾斜三角形懸臂梁的超行程、滑行和尖端與表面接觸力之間的相互作用的研究結(jié)果，對于使用微技術(shù)制造的、在大撓度彎曲下工作的新興MEMS微懸臂梁探針技術(shù)可能具有重要意義。