據麥姆斯咨詢報道，近日，法國里爾大學（University of Lille）的Steve Arscott在Scientific Reports期刊上發表了題為“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、接觸力之間關系的可擴展模型，為實現錐形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探針的設計者具有一定的指導意義。

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都非常有用。例如，它們是近場顯微術的關鍵元素，在近場顯微術中，它們在小撓度狀態下的力學行為被很好的理解和記錄，這對于結果的解釋非常重要。近場顯微術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制造的MEMS電探針示例，該技術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”的垂直運動時會發生力學變形。這種彎曲的結果是（i）尖端的橫向運動穿過被稱為“滑行”的接觸面，（ii）尖端和表面之間產生接觸力（見圖1d）。

圖1 MEMS微加工技術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下的懸臂梁，人們已經探討了這種關系。對于大撓度下的矩形懸臂梁，本文作者也對其關系進行了描述。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，并且錐形結構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系。在電探針中，接觸力是一個重要的參數，因為它在一定程度上決定了金屬對金屬電觸點的質量。

彎曲懸臂梁上產生的表面應力也很重要，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的最小接觸電阻。通過超行程補償實現零滑行的想法也適用于三角形懸臂梁——研究結果為這一問題指出了一個實用的解決方案。能夠預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。

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、超行程和產生的尖端接觸力之間的關系，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系有影響。通過實驗發現，滑行/超行程之間的關系與三角形底邊寬度無關，這在0.12至0.74的b/L范圍內（即從強等腰到準等邊）得到了實驗驗證。這意味著三角形懸臂梁的滑行/超行程關系與懸臂梁的剛度無關。接觸力和尖端處的集中負載力（這會導致大撓度下的彎曲）之間存在關系。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（即超行程較小）——這在電接觸方面可能是一個優勢。這些發現也為在錐形MEMS探針中實現零滑行提供了實用的解決方案。終上所述，關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果，對于使用微技術制造的、在大撓度彎曲下工作的新興MEMS微懸臂梁探針技術可能具有重要意義。

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/超行程實驗結果

圖4 接觸力與超行程關系實驗

圖5 接觸力與超行程關系實驗結果

論文信息：https://doi.org/10.1038/s41598-022-23973-5

編輯：黃飛

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