MEMS及納米接觸研究.pdf

1、本文系統(tǒng)的研究了MEMS的主要工作原理、工藝方法、主要存在的問題,重點(diǎn)討論了嚴(yán)重影響MEMS性能、阻礙MEMS進(jìn)入市場(chǎng)的納米接觸問題,并從物理力學(xué)領(lǐng)域出發(fā),根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和固體物理學(xué)理論,詳細(xì)分析了納米接觸的實(shí)質(zhì),提出一種工程實(shí)用的納米接觸力計(jì)算方法,為MEMS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),分析了AFM針尖同試樣面的納米接觸力,為AFM實(shí)現(xiàn)原子操縱研究提供理論基礎(chǔ).主要工作如下:1)分析了影響MEMS性能的粘附現(xiàn)象,提出了粘附現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)為物質(zhì)間

2、的納米接觸問題,并闡述了納米接觸問題的研究方法為量子力學(xué)法、分子動(dòng)力學(xué)法和連續(xù)介質(zhì)法,介紹了分子動(dòng)力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)法的研究現(xiàn)狀.2)系統(tǒng)分析了MEMS的壓容原理、壓阻原理、靜電原理、壓電原理、隧道原理和形狀記憶合金原理等工作原理;介紹了MEMS的平面加工工藝、體硅加工工藝、LIGA技術(shù)、準(zhǔn)分子激光加工技術(shù)、分子操縱技術(shù)等MEMS工藝,提出了MEMS有待進(jìn)一步研究的領(lǐng)域.3)介紹了雙原子勢(shì)函數(shù),重點(diǎn)分析了Lennard-Jones勢(shì),推導(dǎo)出

3、Lennard-Jones勢(shì)中的A、B常數(shù)的表達(dá)式,計(jì)算出雙原子間引力最大位置和力平衡位置,闡述了微觀連續(xù)介質(zhì)的理論基礎(chǔ)——Hamaker假設(shè).4)通過分析雙原子間引力,發(fā)現(xiàn)Hamaker假設(shè)在距離近時(shí)不成立的現(xiàn)象;通過分析相對(duì)誤差,得到Hamaker假設(shè)的定義域?yàn)榻佑|距離大于7倍的原子半徑的結(jié)論;5)提出了Hamaker假設(shè)的距離修正理論,首次對(duì)Hamaker假設(shè)進(jìn)行了修正.6)介紹了晶體結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣,發(fā)現(xiàn)Hamaker假設(shè)模型中存

4、在原子空隙,導(dǎo)致Hamaker假設(shè)1和Hamaker假設(shè)2存在矛盾,并由此介紹了W-S模型.7)通過分析雙原子模型,推導(dǎo)出體心立方體和面心立方體的引力、斥力空隙修正系數(shù)8)分析了W-S模型連續(xù)介質(zhì)法對(duì)不同距離的原子修正時(shí)的誤差變化規(guī)律,提出Hamaker假設(shè)的空隙修正理論,對(duì)Hamaker假設(shè)進(jìn)行了第二次修正.提出納米接觸的W-S模型連續(xù)介質(zhì)法的計(jì)算式.9)建立了面心立方體結(jié)構(gòu)的剛性平面同單原子之間作用力的離散模型.10)用W-S模型連

5、續(xù)介質(zhì)法推導(dǎo)出單原子同剛性平面的作用力表達(dá)式,并同離散法得到的單原子——?jiǎng)傂云矫孀饔昧Ρ容^,通過仿真,比較兩者的相對(duì)誤差.11)用W-S連續(xù)介質(zhì)法推導(dǎo)出AFM球型針尖同試樣面的作用力.12)推導(dǎo)出AFM圓錐針尖、四棱錐針尖、拋物面體針尖同試樣面作用力的表達(dá)式.13)基于分析力學(xué)的虛功原理,討論了微懸臂梁的彈性力同粘著力間的粘著穩(wěn)定性;分析了非穩(wěn)定平衡位置對(duì)微梁狀態(tài)的影響;通過增加微梁剛度的方法,分析了微梁為避免粘著現(xiàn)象發(fā)生,其結(jié)構(gòu)尺寸所