摘 要: 为了提高MEMS 微接触式测头的性能, 系统开展了测头的结构设计和参数优化. 根据测头结构各个部分的设计目标, 提出了测头悬挂系统拓扑结构的设计方案. 基于测头结构的力学模型, 提出了结构参数对测头性能的影响机理, 并采用有限元方法对测头的测杆、中心连接体、梁等结构参数进行了仿真优化, 获得了符合测头整体性能设计要求的参数及应力分布曲线.
关键词: M EMS; 微接触式测头; 纳米测量机; 结构设计; 优化
近些年微纳加工测试技术的迅速发展, 使得器件特征尺寸和与之关联公差的不断减小, 尤其对于半导体工业, 检测的精度要求已经达到亚微米或者纳米水平. 同时, 为了获得微器件的特性信息, 如mN 或者LN 的微力、特征尺寸等, 对具有100 nm以下不确定度的测量方法和手段也提出了迫切的要求. 传统的坐标测量机已经不能满足上述的不确定度的要求; 虽然AFM 和ST M 在纳米尺度上可以用来进行微器件、微结构的表面形貌检测, 但是测量范围受到很大的限制; 光学方法还是不能测量某些特定的三维形貌, 如物体边缘的孔径, 物体表面的方向性和相关尺寸等信息, 所以不能实现真正的三维测量. 因此, 作为未来微加工领域不可或缺的重要工具, 具有大范围、高精度, 用于测量三维尺寸、位置和其他形貌特征的纳米/ 微米坐标测量仪器, 以及高精度、微小尺寸测头的研究和开发, 成为微纳器件结构测试领域的主要工作, 例如美国NIST 开发的分子测量机[ 1] , 英国NPL 开发SCMM[ 2] , 荷兰Eindhoven大学的3D-CMM[ 3] 等, 测头方面的工作诸如聚焦式测头, 光纤隧道探针, 电感式测头等.
本课题基于德国SIOS 公司NMM[ 4] ( N ano-Measurement-Machine, 纳米测量机) 的大范围( 25mm x 25 mm x 5 mm) 高精度( 10 nm 不确定度) 测量定位平台, 研究和开发了一种MEMS 工艺的三维微接触式测头, 并最终构建微器件微结构几何量测量和性能表征的测试系统.
本文主要针对MEMS 微测头的设计展开, 首先提出测头结构的各个部分设计的内容和设计目标,然后介绍了几种测头悬挂系统拓扑结构的设计方案并做出比较. 最后基于影响测头性能参数的机理, 利用有限元ANSYS 软件对测头的测杆, 中心连接体,梁等结构参数进行了仿真和优化, 从而获得了符合测头整体性能设计要求的参数. 关于测头研究的其他工作, 如加工方法和测试表征等另文介绍.
1 微测头结构设计
三维MEMS 微接触式测头在进行测量时, 测杆端部所测量的位移变化或者力的变化是微梁上的应力发生变化, 并通过分布在梁上的压阻, 通过惠斯通电桥及后续放大调理电路处理, 输出电压信号, 从而实现对微位移或者微力的高精度测量.
1. 1 微测头的整体结构方案
三维微接触式测头结构主要包括三个部分: 测头架、测杆测端和悬挂结构, 其中测头架需要进行模块化设计, 用于连接NMM 和固定测头电气部分,测头架的设计需要结合NMM 的系统结构和相应的接口, 如图1 所示. 测端及连接测杆实现接触被测物体, 并将力传递给悬挂系统的功能. 悬挂系统用以连接测杆和测头架, 并通过敏感元件转换测头的位移为易于测量的电信号, 同时限制测头的多余自由度. 利用MEMS 工艺和微机械加工手段制成的测头悬挂结构及测杆测端照片如图2 所示.
三维微接触式测头需要较低的轴间耦合系数和较高的线性, 同时也需要在三个相互垂直的测量方向具有较高的灵敏度. 同时为了提高测量精度, 需要使测杆的自重量小于20 mg . 考虑到纳米测量机的固定结构和测试平台之间狭小的空间, 整个测头的体积应该限制在40 mm x 40 mm x 12 mm 的范围内. 因为测试系统较高的谐振频率可以削弱环境振动和测头与样品接触产生的振动的影响, 提高测试系统的谐振频率也是设计的重要目标.
1. 2 微测头悬挂结构的拓扑设计
悬挂结构影响测头性能的最重要因素, 而其拓扑结构直接影响测头的量程, 分辨力等性能参数, 微接触式测头设计需要选择合适的悬挂结构. 图3 所示为悬挂系统的几种拓扑结构, 从工艺实现难度、压阻检测、耦合程度等角度对这几种结构进行了对比,同时采用相同的敏感元件特征尺寸参数, 相同的约束条件和负载, 通过有限元仿真结果, 比较了这几种悬挂结构的最大平均应力以及安全系数.
通过仿真结果的比较发现, 四梁和八梁结构基本类似, 应力分布线性度好, 测试信号之间的耦合较小, 但八梁结构的刚度更小. 三角形悬挂结构采用了折梁[ 5] 设计, 折梁可以通过调整粗杆的参数使三轴刚度相等, 同时具有最高的安全系数和较均匀的应力分布, 但是由于测试信号之间的耦合严重, 不太适合多维测量. 边缘梁[ 6] 结构测试信号之间的相互干扰最小, 检测灵敏度和应力分布与四梁结构类似. 对角梁[ 7] 在外框架尺寸固定的情况下可以获得较长的梁, 但是由于加工造成的角度的影响, 压阻不能排布在应力变化最大的区域, 从而降低了检测灵敏度. 而中心对角梁的梁长最短, 安全系数最低, 不适合大量程测量.
比较上述各种悬挂结构具有不同的特性和优缺点, 需要根据不同的测试需求, 选用适合的悬挂结构. 针对1. 1 提出的设计目标, 选择结构a 作为结构设计的拓扑方案.
2 微测头结构优化
在测头架的尺寸固定的情况下, 影响测头性能的最重要的因素就是悬挂系统的测杆的尺寸参数.通过对测头结构有限元仿真和相应的数据提取和比较分析, 优化了上述的设计参数, 提高了整个测头的整体性能.
2. 1 结构参数对测头性能的影响机理
结构优化的目标是通过改变测头结构的重要参数来提高测头的性能. 这些参数主要包括梁的尺寸和参数、测杆的尺寸、连接体的尺寸等, 基于矩阵分析原理和材料力学原理, 通过测头的轴向和横向力学模型计算出的测头系统的刚度K z 和K xy :
从上面的公式可以看到, 在轴向, 与刚度和应力相关的只有梁的参数, 而在横向, 测杆和中心连接体也会有不同程度的影响.
参考上述有关应力和刚度的公式, 利用应力分布和刚度、测头结构的工艺实现、材料特性和设计要求的约束等信息, 得到测头性能和测头尺寸参数之间的相关关系, 如表1 所示.
如上表所示, 对测头某一性能的优化不能简单地通过改变与之相关参数的方法来实现, 因为这会同时改变其他的测头性能. 例如, 量程的扩大可以通过选用较长较薄的梁来实现, 同时调整梁的宽度来保持刚度不变, 但是测头总体性能的要求对梁的长宽厚都有相应的限制, 梁的长度被悬挂系统有限的空间限制, 梁的厚度被薄片材料只有在有限的厚度范围内才有效的特性限制, 而梁的宽度应该小于梁的长度5 倍以上, 否则会造成悬挂系统的超定.
2. 2 微测头结构参数的优化
为了选择合适的结构尺寸参数, 在参考理论模型和工艺实现的基础上, 优化过程首先给出影响测头性能的各个参数的大概范围, 然后利用有限元仿真的方法获得各个参数对测头敏感元件的应力分布的线性分布和峰峰值, 并以此作为判别测头性能的标准, 然后比较各个参数对测头性能的影响程度, 综合确定最后的尺寸参数.
以四梁悬挂结构为例, 在轴向位移约束为0. 02mm, 横向位移约束为0. 1 mm, 同时对悬挂系统外框架进行固定约束情况下进行ANSYS 仿真, 研究梁、中心连接体和测杆的尺寸参数对测头性能的影响, 如表2, 表3, 表4 所示.
按照设计要求, 测头的设计应遵循下列原则: 测头的应力变化与所受轴向位移约束的比为10 MPa/um 左右, 与所受轴向位移约束的比为2 MPa/ um,应力分布具有较好的线性, 测杆的长度较长, 重量较小, 中心连接体尺寸较小. 按照这些原则, 最终确定的尺寸为: tb = 0. 025 mm, w b = 0. 4 mm, lb = 0. 76mm, w i= 0. 804 5 mm, l= l s+ t i= 6. 26 mm.
根据上述确定的尺寸参数, 得到结构的整体应力分布状况, 如图4 所示. 可以看到, 在轴向负载下,应力集中在每根梁的两端; 在横向负载的情况下, 应力集中在负载方向的两个梁上.
通过上面介绍的微接触式测头的工作原理可以知道, 压阻应该排布在测头正应力分布线性较好、峰峰值较大的地方, 为了得到最佳的排布位置, 通过在Ansys 中提取路径的方法, 获得了以悬挂结构的梁和中心连接体的下表面中心线为路径下, 在受到轴向和横向负载时沿梁方向的应力变化曲线, 如图5( a) 和5( b) 所示.
通过应力分布曲线可以发现, 应力分布基本是线性的, 不过在梁的两端处会有跳动, 所以压阻应该避开这个区域进行排布[ 8] . 同时, 如果测杆的底面不平, 或者测杆定位偏离中心, 梁的两端都会发生应力的跳变. 所以, 压阻排布区域应该选择图7( a) 和7( b) 所标示的区域. 有关其他因素对应力分布的影响, 另文介绍.
3 结 论
针对当然微器件和结构的测试需求和当前测试方法的局限性, 基于NMM 的测量和定位平台, 开发了一种三维压阻式微接触测头. 针对测头结构的各个部分的设计目标, 提出了测头悬挂系统拓扑结构的设计方案. 同时参照测头结构力学模型, 对测头的测杆, 中心连接体, 梁等结构参数进行了仿真优化, 获得符合测头整体性能设计要求的参数及应力分布曲线, 使设计的测头具有较高的测量精度和稳定性.
致谢
感谢北京大学微米纳米加工技术国家重点实验室张大成教授和杨芳老师在MEMS 压阻传感器加工方面的帮助, 感谢天津中鸥表业集团有限公司杨谨工程师等在测杆加工方面的帮助.
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