微悬臂梁在冲击载荷作用下大变形解

摘要 讨论微电子机械系统(MEMS)的三个力学问题：（1）微系统界面区域的力学性质。(2)薄膜—基底结构界面的裂纹扩展。(3)微机械的弹塑性—粘着接触力学。文中在简述了研究现状后,简要地报导了者上述三个问题的研究结果。 关键词 微电子机械系统 界面(相)力学 薄膜基底结构 弹塑性—粘着接触力学 Abstract Three problems of solid mechanics for micro-electro-mechanical systems are discussed: (1)Mechanical behavior of interfacial region for the components of microsystem: By using the strain gradient theory, the theoretical analysis shows the existense of boundary layer near interfaces and the significance of strain gradient effects on interfacial deformation. (2)Crack growth on the interface of thin film/substrate structures: the residual stress in the film induced by the mechanical and thermal mismatch in the manufacture is an important cause of initialization and extension of interface crack. The modified three parameters (Γ0,^σ/σs,t) cohesive modelwas used to investigate the cleavage fracture under outer plastic deformation fields. Atypical resistance curves have been calculated by using finite element method. (3)Elastic-plastic contact mechanics considering adhesive effects: A non-linear spring element has been used tosimulate the adhesive force. Through specific quantitative analysis, two parameters of the adhesive force are adopted. After a simple review on the research status in the topics shown above, some new results for three problems are presented. Key words Micro-electro-mechanical system; Interface(Interphase) mechanics; Thin film/substrate structure; Elastic-plastic adhesive contact mechanics 第一章 绪论 1.1引言 微系统，微电子机械系统，是大规模集成电路等信息技术工艺和机械系统结合的新的高技术。有人预言它将引发新的技术革命。其基本特征是MEMS的尺度，至少有一个已进入微米、亚微米的量级。 随着材料尺寸、加工尺寸的日益减少，微电子机械系统的微尺寸效应变得越来越明显。微梁作为MEMS机电结合的元件，在MEMS中具有不可替代的作用，然而，微梁同基座间的粘附问题严重影响MEMS性能，作为MEMS产生废品率的主要因素。尤其是微梁的“突陷”问题，已严重制约着微梁在MEMS中的应用。 以MEMS加工技术制备柔性仿壁虎微米阵列的方法。利用ICP设备，采用低温(CRYO)工艺，在硅片上制作仿壁虎微米硅模板，然后注入有机硅胶成型，经剥离后得到柔性仿壁虎微米阵列。爬壁机器人是机器人学的一个重要分支。具有攀爬与粘附能力的机器人在故障检测、抢险救灾、高楼清洗、空间安全等方面都具有良好的应用前景。机器人工作壁面质构与粗糙度大不相同，研究一种具有良好吸附能力、对各种环境和各种表面具有良好适应性的粘附爬行结构十分必要。在上百万年的生物进化过程中，一些动物(如壁虎、苍蝇、蜜蜂、蝗虫等)的足掌具有很好的几何设计和生物材料特性，可保证它们在各种环境不同材料、粗糙度的表面上运动和停留。其中壁虎脚上功夫尤为神奇，能够攀墙自如、倒挂悬梁，甚至在水里以及真空环境中，它脚上的粘着力都不会失灵。因而仿壁虎爬行机器人的研制成为一个 新的研究方向。目前仿壁虎爬行机器人技术的研究主要集中在粘附技术上，主要围绕两点展开，一是仿壁虎脚掌的粘附材料的研究，二是仿壁虎物理结构脚掌——微纳米阵列的研制。表面微细加工技术(surface micromachining)是通过在基底上沉积一层薄膜材料，并对其进行有目的的选择性刻蚀得到需要结构的一种微细加工技术，被认为是加工微机电(MEMS)器件的核心技术之一。目前采用MEMS技术制造的压力传感器、加速度计、光学开关、DMD(digital mirror display)等已得到广泛的应用。 1.2微电子机械系统的优良性能 这项新的制造技术有着许多鲜明的优点：首先，微电子机械系统是一项差异性极大的技术，它带给各种商业及军事产品极大的潜在的冲击。微电子机械系统已经运用于从居家使用的血压监控器到汽车悬挂系统的各类产品。微电子机械技术的实质以及其广阔的应用范围，使其比集成电路制作技术更具冲击力。其次，微电子机械技术使复杂的机械系统与集成电路间的界限变得模糊。一直以来，传感器和执行元件是大型电控系统中成本最昂贵，可靠性最差的部分。相对来说，微电子机械技术保障了我们可以大批量制造如此复杂的机电系统，并使传感器和执行元件的成本与可靠性和集成电路保持在同一水平。有趣的是，虽然我们对微电子机械设备和系统的运行要求高于大尺寸零件和系统，但却希望它有一个相对低廉的价格。 微电子机械系统技术制造的工艺其优点主要有：1）表面工艺具有与传统、成熟的IC(integrated circuit)技术兼容的特点；2）采用表 面工艺制作的器件易于和控制电路集成。 微型悬臂梁结构是一种最简单的微机电系统（MEMS），它易于进行微加工以及大量生产。近年来，基于不同微悬臂梁结构的传感器广泛应用于化学和生物的实时探测。 1.3微电子机械系统存在的问题 由于微电子机械系统尺度的变化，出现了许多新的力学问题。这些问题的解决，将推动MEMS的选材、加工工艺、质量保证及其可靠性的问题取得新的进步。MEMS是由许多不同的材料加工组装的系统。材料多种多样，有金属、陶瓷或功能陶瓷、聚合物等。当其界面进入微纳米级的尺度、其材料的界面有许多新的结构与力学性能需要研究；MEMS作为结构的一个基本组元——薄膜-基底结构，由于薄膜与基底材料的力学与热学性能的失配，往往导致界面裂纹扩展；MEMS的尺度深入到微-纳米量级时，其粘着效应与表面效应渐成主导的或不可忽略的机制。 采用表面工艺制作的器件其深宽比非常小，当牺牲层被刻蚀、结构释放以后，结构层很容易因表面应力的作用而粘连到基底或相邻结构上，这种现象被称为“释放粘附”(release stiction)；另一方面，当器工作过程中，由于输入过高或者器件本身的不稳定等因素也会造成器件与基底或相邻结构的永久性粘连，这种现象被称为工作粘附(in-use stiction)[1-3]。粘附现象是影响MEMS器件的一个重要方面，对器件的成品率、使用寿命、工作可靠性等方面造成了极大的影响，增加了MEMS器件的报废率，带来不必要的损失。 1.4微电子机械系统理论概述 在微/纳机电系统(MEMS/NEMS)中，构件相对运动界面间的粘附和磨损将影响系统的性能、可靠性和寿命。为此，在构件表面组装一层低摩擦系数的分子膜成为解决这类润滑问题的主要途径。 在许多micro-electro-mechanical system (MEMS)应用中粘附是一个核心问题，在器件制造、加工、生产和工作过程中粘附都起着重要作用。对粘附最开始的理解就是静态粘附失效，指的是构件开始产生粘附是因为阻止粘附的力不足以使构件发生分离。事实上，除了这种静态粘附以外，在工作过程中粘附还通过施加力和功对正在工作的构件进行间歇或者循环接触。虽然粘附在所有尺度中都存在，但是在微尺度下尤为重要，这是由微尺度中器件的小体积，大的表面积和体积之比以及和相邻表面相离很近等因素所决定的。大的体积和表面积之比决定着面力比体积力更为重要。各种力的关系可简单地描述为:静电引力>表面张力>弹性和粘性力>重力、惯性力和电磁力。从中可以看出随着尺度的减小，表面张力的影响越来越大。随着尺寸的微小化，重力的影响可以忽略，而接触与摩擦表面之间的表面力起很大作用。接触表面之间的粘着，构件间的粘附，以及滑动表面之间的摩擦对微型机械以及纳米机械的性能和可靠性会产生很大影响。鉴于毛细粘附问题在微器件和MEMS结构中的重要性，基于微纳尺度的粘附力学机理、材料的物理、化学等性能与粘附现象的关系等的研究也在近几年迅速展开。而在微纳尺度实验研究方面，如由粘附引起物体的变形、各种检测环境对粘附的影响却很少涉及，所以需要对这些方面进行研