《Sensors and Actuators A: Physical》：Investigation of contact area in a MEMS switch performed with AFM
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微机电系统（MEMS）开关因高射频性能和紧凑尺寸备受关注，但其可靠性受机械接触和材料影响。本文分析50微米长铀微机电开关的接触表面，通过扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）发现接触面积与材料屈服强度成反比，增大接触垫颗粒尺寸可优化接触，高湿度下毛细力不可忽略。
伊利亚·V·乌瓦罗夫|维克托·V·瑙莫夫|塔玛拉·I·穆拉维耶娃|奥尔加·O·谢尔巴科娃|维塔利·B·斯韦托沃伊
NRC“库尔恰托夫研究所” – 瓦列耶夫微电机械研究所，雅罗斯拉夫尔分部，Universitetskaya 21号，雅罗斯拉夫尔150067，俄罗斯
摘要
由于在射频（RF）性能、紧凑尺寸、高切换速度和低功耗方面的优势，微机械开关在通信系统中具有重要意义。MEMS开关的主要问题是可靠性较低，这主要取决于机械接触和所用材料的状态。本文研究了一种非常小的微开关，其悬臂长度为50微米，接触凸起宽度为3微米。接触表面由溅射钌制成，通过扫描电子显微镜进行了定性分析，并通过原子力显微镜（AFM）进行了定量分析。后者提供了关于接触表面的最详细信息。通过对16对AFM图像（接触凸起/接触垫）的分析，可以确定在给定负载力下的接触面积和材料的屈服强度。接触面积与屈服强度之间存在良好的反比关系。通过增大接触垫上的晶粒尺寸，可以增加接触面积。研究表明，在高湿度条件下，分子间作用力可以忽略不计，但毛细力可能很重要。
引言
近几十年来，微电机械系统（MEMS）得到了快速发展。MEMS加速度计[1]、陀螺仪[2]和压力传感器[3]在电子元件市场中占据了重要地位，而其他MEMS设备尚未得到广泛应用。不断发展的微波系统需要先进的电子元件来切换吉赫兹范围内的信号。然而，传统开关的性能已接近极限。MEMS开关[4]可以解决这一问题。它们结合了半导体开关的小尺寸和短切换时间，以及机电继电器所具有的高线性和优异的RF参数。这些特性使得MEMS开关在雷达应用[5]、卫星通信[6]、第五代移动技术和物联网[7]领域具有广阔前景。
对MEMS开关的主动研究始于上世纪90年代。尽管如此，这些设备仍然存在可靠性不足的问题。最近的一些综述[8]、[9]、[10]对此进行了广泛讨论。主要问题与接触组有关。由于活动电极与下方接触垫的接触面积小，电阻式开关经常发生故障。因此，接触面积是设计中需要考虑的关键参数。它由执行器的特性（如接触力）以及接触表面的材料特性和拓扑结构决定[11]。
格林伍德和威廉姆森[12]基于赫兹弹性接触理论提出了粗糙表面之间接触的描述方法。然而，人们认识到该模型仅适用于非常柔软的材料。对于金属而言，塑性变形起着重要作用。他们提出了一个半经验性的宏观关系，描述了凸起上的平均压力与接触半径之间的关系[13]。该关系考虑了材料的屈服强度，并涵盖了弹性、弹塑性及塑性变形区域。描述塑性变形的另一个重要因素是“塑性变形凸起的体积守恒”[14]，这有助于准确预测接触半径。接触问题的另一个方面是粘附力[15]，它们需要加到加载力中。粘附力包括分子间力[16]、[17]以及毛细力[18]、[19]、[20]、[21]。在亲水表面上，毛细力可能以毛细桥的形式出现。
表面粗糙度通常用凸起的垂直分布函数来描述。然而，许多沉积材料的实际分布与理论分布有很大偏差[22]、[23]。这些表面的高峰数量远超过理论分布。如[23]所解释的，这是由于在非平衡条件下沉积的薄膜中的应力松弛造成的。结果，实际接触发生在高度变化较大的凸起上，这可能给接触带来显著不确定性。在这方面，原子力显微镜作为研究接触现象的仪器具有领先地位，因为它提供了迄今为止关于研究表面的最准确的定量信息。
本文基于AFM提供的信息，分析了一种非常小的开关[24]。该开关的接触表面由钌制成。使用溅射钌作为接触凸起和接触垫，与金或铂相比，可以显著提高接触的耐用性[25]、[26]，因为钌的硬度更高。另一方面，钌的高电阻率和较高的硬度限制了接触面积，从而导致接触电阻增加。因此，寻找优化接触电阻的条件是一项重要任务。
材料与方法
接触现象的研究使用了一种设计用于0–10 GHz频率范围的串联开关。活动电极是一个50微米长的铝悬臂，带有三个弹性元件，如图1(a)所示。它悬挂在共面波导（CPW）传输线的信号导体上方。悬臂下方有一个产生静电力的驱动电极。悬臂配备有两个由钌制成的接触凸起。当施加驱动电压时
接触表面的粗糙度
通过微技术方法制造的器件在纳米尺度上不可避免地具有粗糙度。因此，在分析接触现象时，必须考虑粗糙度的影响，这会显著增加复杂性。溅射材料的表面粗糙度由粗糙凸起的 height 和横向尺寸决定。图2显示了厚度为100纳米的钌膜的粗糙度峰值密度分布函数
结论
原子力显微镜是研究粗糙表面之间接触问题的强大工具。MEMS开关能够替代传统的半导体和机电继电器，显著提高切换频率，这主要依赖于接触凸起和接触垫之间的机械接触。本文对具有预定接触凸起表面拓扑结构的特定MEMS开关进行了分析
CRediT作者贡献声明
伊利亚·V·乌瓦罗夫：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法论、资金获取、概念化。维克托·V·瑙莫夫：方法论、研究。塔玛拉·I·穆拉维耶娃：可视化、研究。奥尔加·O·谢尔巴科娃：可视化、研究。维塔利·B·斯韦托沃伊：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法论、研究、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
维塔利·B·斯韦托沃伊报告称获得了俄罗斯科学基金会的财务支持。伊利亚·V·乌瓦罗夫也报告获得了俄罗斯科学基金会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢L.A. Mazaletskiy进行SEM研究，以及I.A. Belozerov准备SEM和AFM样品。这项工作得到了俄罗斯科学基金会的支持。开关的制造过程和测试得到了项目编号25-19-20107的支持，而AFM检查和理论分析得到了项目编号24-29-00106的支持。
伊利亚·V·乌瓦罗夫1988年出生于俄罗斯雅罗斯拉夫尔。2010年，他在雅罗斯拉夫尔国立大学获得无线电物理学和电子学硕士学位；2013年在俄罗斯科学院瓦列耶夫物理技术研究所（Valiev IPT RAS）获得微电子学博士学位。自2009年起，他在瓦列耶夫 IPT RAS工作，该研究所于2024年与库尔恰托夫研究所合并。目前，I.V. Uvarov是该研究所的资深研究员。
