用于影像測量系統(tǒng)的V型梁模塊的設(shè)計和研究*

于海燕， 李 宇， 張德賢

(1.鄭州科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2. 鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；3.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

近些年，柔性電子器件的發(fā)展較為迅速，逐漸成為市場的主流，它具有較強的可彎曲性，制造工藝成本較低且可容易實現(xiàn)微小型化和智能化。其以獨特的優(yōu)勢逐漸占領(lǐng)柔性傳感、自動影像測量系統(tǒng)、可穿戴電子皮膚及無人機系統(tǒng)等領(lǐng)域[1～3]。21世紀以來，在雷達及物聯(lián)網(wǎng)中具有廣泛應(yīng)用前景的射頻微機電系統(tǒng)(RF MEMS)柔性器件越來越受到更多科學(xué)研究者的青睞[4,5]。但是目前市場上存在的絕大多數(shù)MEMS V型梁模塊還是以傳統(tǒng)的剛性材料作為襯底[6～8]，雖然國內(nèi)外的部分高?；蛘呖蒲性核蔡岢鲞^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、器件的制造及非彎曲狀態(tài)下的性能測試為主[9～15]，對RF MEMS柔性器件在彎曲狀態(tài)下的性能測試基本無人研究。

襯底的彎曲程度對RF MEMS柔性器件的性能有著不可或缺的影響，因此為了填充這一領(lǐng)域的空白，研究襯底彎曲對器件的影響勢在必行。

本文將以柔性MEMS V型梁器件為特例研究彎曲曲率、梁長及梁傾角對其性能的影響。經(jīng)過一系列的測試得到了襯底彎曲曲率的增大(從0增至34.1 m-1)、梁長的增加(從450 μm增至650 μm)及逐漸增大的梁傾角(從15°增至30°)對柔性器件的性能影響。然后通過微納加工工藝完成V型梁模塊的制備和實驗測試。本文研究的V型梁模塊可滿足自動影像測量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠、精度高、抗干擾能力強等要求。

1 MEMS V型梁模塊的設(shè)計

MEMS V型梁模塊基本的結(jié)構(gòu)單元主要由錨區(qū)將V型梁固定在襯底上，當電壓施加于兩個錨區(qū)之間時，V形梁中將產(chǎn)生電流，流通的電流產(chǎn)生焦耳熱，V型梁受熱膨脹，進而在梁內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，使得V形梁向凸出的方向產(chǎn)生橫向位移，從而實現(xiàn)驅(qū)動。雖然V型梁模塊中梁長度方向上產(chǎn)生的熱膨脹量雖然很小，但是由于V型梁模塊在驅(qū)動方向上的剛度遠小于梁長度方向上的剛度，梁長度方向上的熱膨脹得到放大，因此可以實現(xiàn)較大的驅(qū)動力和驅(qū)動位移。

本文設(shè)計的熱驅(qū)動V型梁模塊的三維模型示意圖如圖1所示，熱驅(qū)動V型梁模塊主要由V型梁模塊、中間推桿、接觸結(jié)構(gòu)、傳輸線、兩個錨區(qū)以及柔性襯底組成，錨區(qū)位于V型梁的兩端，將V型梁固定于柔性襯底上，V型梁中間推桿頂端和傳輸線接觸結(jié)構(gòu)之間具有一定的初始驅(qū)動距離。當V型梁兩側(cè)錨區(qū)不施加驅(qū)動電壓時，梁內(nèi)沒有電流通過，因此不存在熱膨脹效應(yīng)，V型梁中間推桿不會前推，傳輸線接觸結(jié)構(gòu)中間斷開，處于截止狀態(tài)；當V型梁兩側(cè)錨區(qū)施加一定的驅(qū)動電壓時，梁內(nèi)有電流通過，從而產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)，V型梁受熱膨脹，導(dǎo)致中間推桿前推，當梁內(nèi)流過的電流達到熱驅(qū)動V型梁模塊的驅(qū)動電流時，中間推桿和傳輸線接觸結(jié)構(gòu)貼合，傳輸線處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖1 設(shè)計的MEMS V型梁模塊三維模型示意

2 相位特性模型

本文針對V型梁模塊的相位特性進行研究，當柔性襯底由于彎曲發(fā)生變化時，兩端錨之間的距離也會隨之變化，從而導(dǎo)致梁與水平方向的夾角增大[16]。隨之會使梁中間的推桿發(fā)生平移，會對梁的驅(qū)動距離產(chǎn)生一定的影響，進而影響到梁模塊的驅(qū)動電流。假設(shè)MEMS V型梁模塊的梁長、梁寬及梁厚分別用L,w及t表示，V型梁所在平面內(nèi)梁與水平方向的夾角為φ0，由熱傳導(dǎo)方程可計算出V型梁的熱分布情況為

(1)

式中T為V型梁溫度，q=I2R/VR為在驅(qū)動電流下材料單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量，V為施加的電壓，R為電阻，VR為阻性材料的體積，k為熱導(dǎo)率，Cp為材料的比熱容，γ為材料密度。假如q為常數(shù)，且梁結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，則熱傳導(dǎo)方程簡化為

(2)

根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)可得V型梁在驅(qū)動方向上的位移為

(3)

式中Lp=Lcosφ0,Y0=Lsinφ0,I為熱驅(qū)動V型梁模塊的驅(qū)動電流，k，ρ，α分別為熱導(dǎo)率、電阻率、熱膨脹系數(shù)。

柔性襯底彎曲時V型梁模塊在y軸方向的側(cè)視圖如圖2(a)所示。柔性襯底彎曲時接觸結(jié)構(gòu)在y軸方向的側(cè)視圖如圖2(b)所示。其中，x為接觸結(jié)構(gòu)的長度，d為接觸結(jié)構(gòu)之間的初始距離，H0(x)和H(x)分別為V型梁模塊和接觸結(jié)構(gòu)的高，R為柔性襯底彎曲曲率的半徑。

圖2 柔性襯底彎曲y軸方向的側(cè)視圖

3 V型梁模塊彎曲特性仿真

本文將通過Ansys軟件及耦合力學(xué)有限元分析法完成對V型梁模塊在彎曲狀態(tài)下的仿真，以獲取襯底彎曲曲率對V型梁模塊的影響。

對V型梁尺寸的設(shè)置：梁寬w為8.1 μm，梁厚t為2.4 μm，推桿長度L為112 μm，推桿寬度w2為49 μm，錨區(qū)邊長w1為228 μm，驅(qū)動距離ΔY為3.3 μm。為了充分闡明梁夾角與梁長對V型梁彎曲的影響，本文對這兩個參數(shù)規(guī)格取5組，當梁夾角為15°時，梁長為650 μm；當梁夾角為23°時，梁長分別為450，550，650 μm；當梁夾角為30°時，梁長為650 μm。

模型中的結(jié)構(gòu)材料均為液晶聚合物，梁和襯底間的空隙處填充空氣層，材料的參數(shù):楊氏模量E為2.225 GPa，泊松比為0.49，電阻率ρ為不適用，膨脹系數(shù)α為17×10-6/K，導(dǎo)熱系數(shù)k為0.002W/(cm·K)，密度δ為1 400kg/m3，比熱C為1 340 J/(kg·K)。

在柔性襯底彎曲條件下不同尺寸的熱驅(qū)動V型梁模塊驅(qū)動電流的仿真結(jié)果與計算結(jié)果的對比如圖3所示，其中圖3(a)為梁長650 μm，夾角15°,23°,30°的V型梁，圖3(b)為夾角23°，梁長450,550,650 μm的V型梁。

圖3 襯底彎曲對V型梁模塊的力學(xué)性能影響

從圖3的仿真結(jié)果可以看出，熱驅(qū)動V型梁模塊的驅(qū)動電流隨著梁角度增大和長度減小而逐漸增大，當柔性襯底的曲率從0逐漸增大到34.1 m-1，熱驅(qū)動V型梁模塊的驅(qū)動電流逐漸減增大，該規(guī)律和力學(xué)彎曲特性模型計算結(jié)果誤差小于3.29 %，兩者吻合的很好。從上述的仿真結(jié)果可得，當V型梁襯底曲率增大時(即彎曲程度增大)，錨之間的距離就會發(fā)生變化，使得梁夾角增大，導(dǎo)致推桿向后移動，增加了驅(qū)動距離，進而增大了驅(qū)動電流。

4 對V型梁模塊的制備與實驗測試

4.1 工藝加工

本文將以柔性LCP(液晶聚合物)作為襯底完成對V型梁模塊的設(shè)計，然后通過微納加工技術(shù)完成對器件的制造，具體的工藝步驟如圖4所示。

圖4 V型梁模塊的制造工藝

具體步驟如下:a.LCP襯底準備，濺射一層金種子層;b.涂覆光刻膠、光刻顯影共面波導(dǎo)傳輸線、驅(qū)動塊圖案;c.電鍍金并去除未被電鍍的金種子層;d.涂覆光刻膠、光刻顯影錨區(qū)圖案;e.濺射一層金種子層;f.涂覆光刻膠，形成彈簧結(jié)構(gòu)和膜橋圖案;g.電鍍金，形成錨區(qū)和雙端V型梁模塊;h.去除犧牲層;i.除去光刻膠和種子層，并釋放犧牲層;j.釋放RF MEMS V型梁模塊。

4.2 V型梁模塊的表征

通過以上的工藝步驟完成了V型梁模塊的加工與制造，首先采用NANOVEA公司的CRS—25XY 3D表面形貌儀測量所制備驅(qū)動器的表面形貌，以梁長650 μm，夾角為23°的V型梁模塊為例，柔性襯底彎曲時V型梁模塊的表面形貌圖如圖5所示。

圖5 V型梁模塊的表面形貌圖

通過掃描電子顯微鏡觀察其表面結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 制造的V型梁模塊的SEM圖

4.3 實驗測試

本文將利用搭建的測試電路完成對制造的V型梁模塊進行性能測試，然后通過與仿真結(jié)果作對比證明本文提出方案的正確性。

對不同襯底彎曲曲率下熱驅(qū)動V型梁模塊驅(qū)動時間的測試所需儀器為：直流電源、函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器、雙通道示波器和探針臺。搭建的測試電路如圖7所示。首先用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生方波信號，信號周期為2 s，占空比為50 %，方波信號通過功率放大器進行放大，將驅(qū)動電流施加到熱驅(qū)動V型梁模塊的錨區(qū)上，保持輸入電流大小穩(wěn)定，并從功率放大器接口處分出一路信號連接到雙通道示波器接口上。

圖7 測試電路示意

不同尺寸V型梁的實測值與仿真結(jié)果對比圖如圖8所示，當梁長為650 μm時，不同梁夾角下(分別為15°,23°和30°)驅(qū)動電流隨曲率變化的實測與仿真結(jié)果對比圖如圖8(a)所示。當梁夾角為23°時，不同梁長(分別為450,550,650 μm)下驅(qū)動電流隨曲率變化的實測與仿真結(jié)果對比圖如圖8(b)所示。

圖8 不同彎曲曲率的襯底對V型梁模塊的力學(xué)影響

從圖8可以看出：熱驅(qū)動V型梁模塊的驅(qū)動電流隨著梁角度增大和長度減小而逐漸增大，當柔性襯底的曲率從0逐漸增大到34.1 m-1，熱驅(qū)動V型梁模塊的驅(qū)動電流逐漸減增大。其中，梁長650 μm夾角15°的熱驅(qū)動V型梁模塊驅(qū)動電流增大17.05 %，梁長650 μm夾角23°的熱驅(qū)動V型梁模塊驅(qū)動電流增大13.70 %，梁長650 μm夾角30°的熱驅(qū)動V型梁模塊驅(qū)動電流增大10.24 %，梁長450 μm夾角23°熱驅(qū)動V型梁模塊驅(qū)動電流增大9.22 %，梁長550 μm夾角23°的熱驅(qū)動V型梁模塊驅(qū)動電流增大13.22 %。該規(guī)律和力學(xué)彎曲特性模型計算結(jié)果誤差小于3.70 %，兩者吻合的很好。測量結(jié)果相較理論計算結(jié)果偏大，主要是由于制備工藝導(dǎo)致V型梁模塊中間推桿在襯底平坦條件下略微上翹，因此，導(dǎo)致梁的實際驅(qū)動距離在縱向上(垂直于驅(qū)動方向)存在一個較小的分量，從而使得實際測量的驅(qū)動電壓比理論模型計算值偏大。

4.4 V型梁模塊在自動影像測量系統(tǒng)上的驗證

將本文制作的V型梁模塊應(yīng)用在自動影像測量系統(tǒng)上進行線性吻合度的測試，并與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行對比，如圖9所示。從圖上可以看出，當自動影像測量系統(tǒng)的立柱長為150 mm時，V型梁結(jié)構(gòu)的測量系統(tǒng)在立柱的每個位置的線性吻合度基本都在1.000左右，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的線性吻合度基本保持在1.0～1.1之間。因此，可以證明本文制作的V型梁結(jié)構(gòu)可以很好地應(yīng)用于自動影像測量系統(tǒng)。

圖9 V型梁模塊在自動影像測量系統(tǒng)上的實驗驗證

5 結(jié) 論

為了彌補襯底的彎曲MEMS柔性器件的性能有著一定的影響這塊研究領(lǐng)域的空白，本文通過軟件仿真和實驗驗證完成了柔性V型梁器件受彎曲曲率的影響。首先對V型梁模塊進行了不同梁長和梁夾角的設(shè)計和微納加工，然后對不同尺寸V型梁的實測值與仿真結(jié)果作了對比，從對比結(jié)果可得，實測值與仿真值的最大誤差不大于3.70 %，當柔性襯底的曲率增大時，V型梁的驅(qū)動電流隨著襯底曲率的增加而增大。將V型梁模塊在自動影像測量系統(tǒng)進行驗證時線性吻合度基本可達100 %。本文研究的V型梁模塊可滿足自動影像測量的穩(wěn)定可靠、精度高、抗干擾能力強等要求。