據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，法國(guó)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(kuò)展模型，為實(shí)現(xiàn)錐形MEMS探針的零滑行提供了可行的解決方案，對(duì)參與片上測(cè)試的探針工程師和MEMS探針的設(shè)計(jì)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(duì)于各種表面探測(cè)技術(shù)都非常有用。例如，它們是近場(chǎng)顯微術(shù)的關(guān)鍵元素，在近場(chǎng)顯微術(shù)中，它們?cè)谛隙葼顟B(tài)下的力學(xué)行為被很好的理解和記錄，這對(duì)于結(jié)果的解釋非常重要。近場(chǎng)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(jì)算的，這與它們的長(zhǎng)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(cè)技術(shù)的載體，例如新興的微型電測(cè)試探針，則其撓度可能會(huì)稍高，例如，由于實(shí)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(zhǎng)懸臂梁。對(duì)于此類探針，其彎曲可能會(huì)使其進(jìn)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(dá)懸臂梁長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生力學(xué)變形。這種彎曲的結(jié)果是（i）尖端的橫向運(yùn)動(dòng)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(duì)于下表面的傾斜角度。對(duì)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(duì)于大撓度下的矩形懸臂梁，本文作者也對(duì)其關(guān)系進(jìn)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(cè)試，因?yàn)樗鼈円子诙ㄎ?，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(diǎn)——這在圖1a-c中很明顯；例如，圖1c中的金觸點(diǎn)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(gè)重要的參數(shù)，因?yàn)樗谝欢ǔ潭壬蠜Q定了金屬對(duì)金屬電觸點(diǎn)的質(zhì)量。
彎曲懸臂梁上產(chǎn)生的表面應(yīng)力也很重要，因?yàn)樗鼘⒖刂铺结樀淖畲罂墒┘拥某谐獭^這個(gè)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)的最小接觸電阻。通過超行程補(bǔ)償實(shí)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(gè)實(shí)用的解決方案。能夠預(yù)測(cè)上述問題對(duì)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(kuò)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(duì)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)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(shí)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(xiàng)式彎曲）造成的。這對(duì)超行程/尖端與表面接觸力之間的關(guān)系有影響。通過實(shí)驗(yàn)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(qiáng)等腰到準(zhǔn)等邊）得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(fù)載力（這會(huì)導(dǎo)致大撓度下的彎曲）之間存在關(guān)系。測(cè)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(gè)優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)度的矩形懸臂梁更早達(dá)到（即超行程較?。@在電接觸方面可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。這些發(fā)現(xiàn)也為在錐形MEMS探針中實(shí)現(xiàn)零滑行提供了實(shí)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(duì)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。
圖2 制造的五根平面三角形宏觀懸臂梁
圖3 三角形懸臂梁的滑行/超行程實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4 接觸力與超行程關(guān)系實(shí)驗(yàn)
圖5 接觸力與超行程關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果
論文信息：https://doi.org/10.1038/s41598-022-23973-5
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