MEMS黏著接觸特性研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展使我們邁進(jìn)了一個表面效應(yīng)在許多物理現(xiàn)象中占主導(dǎo)地位的研究領(lǐng)域。在MEMS中，受表面效應(yīng)的影響，表面能和由其派生的表面力成為決定固體表面黏著、接觸、變形等行為的關(guān)鍵因素。黏著作用不僅嚴(yán)重影響著MEMS的性能，而且已成為導(dǎo)致MEMS高廢品率的主要因素之一。本文以固體物理學(xué)、彈性力學(xué)、分子動力學(xué)、黏著力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以計算機(jī)仿真作為輔助工具，將建立微/納米級的黏著接觸模型為目標(biāo)，深入研究了兩彈性體在接觸和分離的

2、過程中，黏著力、彈性變形量、接觸面積、表面輪廓、黏著分布力等隨間距的變化規(guī)律。本課題對促進(jìn)原子級到微米級黏著接觸問題的研究、原子力顯微鏡(AFM)輕敲工作模式的理論研究具有重要的學(xué)術(shù)價值，對MEMS黏著失效的研究具有一定的指導(dǎo)意義。 基于Hamaker假設(shè)、Lennard—Jones勢能定律、經(jīng)典彈性理論建立了球體與平面黏著接觸的彈性模型，稱為基于Hamaker假設(shè)的黏著模型，該模型的仿真結(jié)果與基于Deljaguin近似黏著模型

3、、JKR理論、DMT 理論、MD理論和相關(guān)的實驗結(jié)果基本一致。 根據(jù)兩平行平面間單位面積上的黏著力計算模型，推導(dǎo)出了兩平面平衡間距與晶格常數(shù)的關(guān)系，給出了不同材料的兩平面平衡間距的確定方法。 根據(jù)JKR理論、DMT理論和MD理論分別對Bradley理論的間距和系數(shù)進(jìn)行了修正；將修正后的Bradley理論分別與現(xiàn)有的黏著接觸理論相組合，得到了三種組合黏著理論，即Bradley-JKR理論、Bradley—DMT 理論、Br

4、adley-MD理論，這三種組合黏著理論可以近似給出兩球體間的黏著力隨間距的連續(xù)變化規(guī)律。 基于Hamaker假設(shè)和Morse勢能定律建立了原子與球體的黏著模型，并根據(jù)該模型建立了球體與平面黏著接觸的分子動力學(xué)混合模擬模型；研究了球體與平面間的黏著力在球體加載和卸載時的變化規(guī)律，分析了黏著滯后和能量耗散現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。結(jié)果表明，在球體加載和卸載時，平面上的部分原子突然失穩(wěn)，發(fā)生突然躍遷，導(dǎo)致了黏著滯后和能量耗散現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5、 根據(jù)基于Hamaker假設(shè)的黏著模型研究了AFM在掃描中的“突跳”、黏著滯后、能量耗散現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素；根據(jù)能量守恒原理，給出了針尖與樣品間的黏著力所耗散的能量與AFM諧振運動的振幅及相位間的關(guān)系；根據(jù)基于Hamaker假設(shè)的黏著模型建立并求解了AFM在輕敲工作模式下的動力學(xué)模型，研究了AFM諧振運動的振幅、相位及耗散功率隨針尖與樣品間自由間距的變化規(guī)律。 基于Hamaker假設(shè)，從原子間的基本作用力出發(fā)，通過積分方