淺析微電子機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)問題

楊秦天

摘 要：現(xiàn)階段，力學(xué)問題廣泛存在于微電子機(jī)械系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)這些力學(xué)問題的分析和研究工作是促進(jìn)微電子領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展的關(guān)鍵。本文就微構(gòu)件材料的基本力學(xué)性能研究作出了闡述，分析了計(jì)算微構(gòu)件的力學(xué)問題，深入探討了微電子機(jī)械系統(tǒng)中的各種力學(xué)問題。希望通過本文的分析，能對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)中的力學(xué)問題給出有效的見解。

關(guān)鍵詞：微電子;機(jī)械系統(tǒng);力學(xué)問題;研究分析

一、引言

隨著加工制造業(yè)的更新迭代，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的應(yīng)用已在我國廣泛普及，是當(dāng)下行業(yè)與企業(yè)持續(xù)關(guān)注的話題。在MEMS當(dāng)中，力學(xué)問題舉足輕重，需要對(duì)其進(jìn)行深入的研究，以思考解決這一系列問題的方法。通過這樣的分析和研究，最終實(shí)現(xiàn)MEMS的高效性以及最大價(jià)值。

二、微構(gòu)件材料的基本力學(xué)性能

通常情況下，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，是決定著材料力學(xué)性能的關(guān)鍵所在，也就是說，材料力學(xué)性能要發(fā)生明顯變化，是依照材料微觀組織的結(jié)構(gòu)特征發(fā)生尺度上的變化而決定的。這種因由結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變化而造成的性質(zhì)變化現(xiàn)象，一般被叫作機(jī)制性的尺度效應(yīng)。而在這種尺度效應(yīng)下，納米銅在室溫之中呈現(xiàn)出來的超塑性得以實(shí)現(xiàn)。如今的MEMS當(dāng)中，一般采用薄膜工藝完成構(gòu)件材料的制備工作，借由工藝過程當(dāng)中眾多因素的影響，所以就算是一樣的薄膜材料，力學(xué)性質(zhì)通常也會(huì)體現(xiàn)出較大的差異性。對(duì)于一些質(zhì)量要求較高且精度要求較高的MEMS設(shè)計(jì)來說，這些因素是尤為重要的。故此，需要在注意到各種相關(guān)因素的情況下進(jìn)行微構(gòu)件材料力學(xué)性能的研究，并且把力學(xué)分析、模擬以及實(shí)際測試結(jié)合起來，才可以找出并修正不同的影響，從而讓數(shù)據(jù)更加真實(shí)細(xì)致。

三、分析計(jì)算微構(gòu)件的力學(xué)問題

對(duì)微機(jī)械構(gòu)件的各種不同變化以及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的高效掌控，對(duì)微尺度之下表面與尺度效應(yīng)的掌控，都是MEMS技術(shù)當(dāng)中最主要也是比較難的問題，這也是設(shè)計(jì)功能得以實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。此外，在MEMS中采用微構(gòu)件作為諧振件時(shí)，設(shè)計(jì)的一大要素便是固有頻率。在分析微構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)過程中，空氣對(duì)微構(gòu)件運(yùn)動(dòng)時(shí)造成的阻力，以及結(jié)構(gòu)上和溫度變化上造成的阻力，都會(huì)使得固有頻率產(chǎn)生改變，并且可以致使性能參數(shù)失穩(wěn)等。值得一提的是，在微構(gòu)件的力學(xué)分析過程中，還必須重視殘余應(yīng)力這個(gè)方面。整體來說，顧及到微尺度當(dāng)中各種不同的力的運(yùn)用機(jī)制，顯現(xiàn)微系統(tǒng)之中表現(xiàn)出的各種影響要素，多種非線性因素存在的構(gòu)件變形變化的規(guī)律以及研究運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，都是極為重要的。

四、微電子機(jī)械系統(tǒng)中的力學(xué)問題

（一）粘附問題

所謂粘附問題，實(shí)質(zhì)就是微構(gòu)件所具有的回彈力對(duì)表面中近距離的接觸活動(dòng)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的粘著力不能有效克服。微電子機(jī)械系統(tǒng)中發(fā)生粘附問題的現(xiàn)象有很多，比如在加工過程當(dāng)中結(jié)構(gòu)的釋放，周圍的環(huán)境溫度發(fā)生變化，以及在運(yùn)行當(dāng)中表面產(chǎn)生近距離的接觸等。有效降低表面接觸過程中的粘著力，并且提升機(jī)械構(gòu)件所含彈性的恢復(fù)能力，是預(yù)防粘附問題的基礎(chǔ)思想。

事實(shí)證明，微尺度之下的表面能和表面力確定著表面接觸的變化以及粘著。因?yàn)榇嬖诒砻媪Γ詫?shí)際的接觸面會(huì)變大，就算是零載荷狀態(tài)，也會(huì)致使接觸變形?，F(xiàn)有的JKR和DMT等模型，是基本的模型，是對(duì)經(jīng)典Hertz接觸理論實(shí)施所謂計(jì)入的表面力修正工作。應(yīng)對(duì)單峰的接觸，可以應(yīng)用這些基本模型及其理論。眼下，對(duì)于抗粘附的相關(guān)研究當(dāng)中，接觸表面改性，從而降低粘附力這種技術(shù)是最為高效的?；镜姆绞桨越M裝單分子膜，還有氮化硅固體膜，以及表面疏水層、物理修飾等。

（二）微構(gòu)件當(dāng)中的疲勞磨損以及破壞

在微尺度之中，表面粗糙程度所起的作用就像細(xì)小的裂紋一樣，要研究疲勞破壞這個(gè)問題，就需要注意粗糙度所造成的影響。仔細(xì)觀察力學(xué)對(duì)于微米尺度和亞微米尺度材料細(xì)觀本構(gòu)的關(guān)系研究，就可以研究到細(xì)小裂紋擴(kuò)展的過程和破壞的現(xiàn)象，這是作為微構(gòu)件相關(guān)疲勞研究的理論基礎(chǔ)。微構(gòu)件相關(guān)防磨損的工作，是為了保障系統(tǒng)長久且穩(wěn)定的運(yùn)作。美國的Sandia實(shí)驗(yàn)室在研究微型發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，從中得出，摩擦表面出現(xiàn)磨損或者咬死現(xiàn)象，是構(gòu)件發(fā)生失效的一大主要因素。通過研究還發(fā)現(xiàn)，若周圍環(huán)境達(dá)到50%的濕度時(shí)，磨損比較低且粘附也比較低，這是由于摩擦副當(dāng)中吸附水膜將表面實(shí)施了鈍化工作，所以形成潤滑的意義。在這當(dāng)中，要是濕度上升，那么粘附幾率就會(huì)加大，若濕度下降至10%左右的時(shí)候，摩擦表面就可能發(fā)生嚴(yán)重的磨損。因此，微尺度之下所出現(xiàn)的磨損問題，在力學(xué)模型當(dāng)中，必須全面考慮到表面的粗糙問題、環(huán)境濕度問題以及化學(xué)和物理各方面的因素問題。

（三）多層材料之間發(fā)生層間脫裂的問題

介于加工工藝對(duì)微機(jī)械所造成的限制，當(dāng)前的單層型結(jié)構(gòu)的多晶硅構(gòu)件僅僅只能完成有限的運(yùn)動(dòng)以及變形工作，雙層的還可以被制成可旋轉(zhuǎn)的齒輪，而要到三層結(jié)構(gòu)的才可以被許可裝配設(shè)計(jì)。不過，多層結(jié)構(gòu)的材料常常出現(xiàn)脫裂問題。要解決這個(gè)問題，減少殘余應(yīng)力以及加大界面當(dāng)中的吸附力，并且降低接觸面的排斥力這些方面都是關(guān)鍵所在。

總而言之，對(duì)抗粘附的研究想要完成對(duì)構(gòu)件“活動(dòng)起來”這種問題的解決，必須要結(jié)合彈塑性力學(xué)以及接觸力學(xué)的相關(guān)理論，再加上對(duì)構(gòu)件回彈和接觸兩力的控制。而實(shí)施減少摩擦的研究，為的是解決構(gòu)件之中“平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)”這個(gè)問題，這需要涉及到動(dòng)力學(xué)加上潤滑力學(xué)，對(duì)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行掌控。想讓構(gòu)件使用期限夠長，解決這個(gè)問題需要抗疲勞研究以及對(duì)防磨損方面的研究。還有眾多有價(jià)值的研究，都需要與微電子機(jī)械系統(tǒng)緊密結(jié)合起來。

五、結(jié)束語

美國是MEMS產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)源地，其發(fā)展水平在世界處于領(lǐng)先地位。由于我國MEMS產(chǎn)業(yè)起步較晚，MEMS產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展的起步階段，我國MEMS傳感器產(chǎn)品在力學(xué)問題的研究中與國外存在巨大差距，應(yīng)用范圍也多局限于傳統(tǒng)領(lǐng)域。對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)中力學(xué)問題的分析研究，是目前必須重視的一項(xiàng)研究，它關(guān)系著這個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展前景。只有通過大量實(shí)驗(yàn)研究，仔細(xì)分析MEMS中存在哪些力學(xué)問題，采取有效策略解決這些問題，才能使MEMS這種系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高效化。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳文濤.關(guān)于微電子機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)問題分析[J].科學(xué)中國人.2015，12.

[2]王志宏.微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域研究[J].電子技術(shù)與軟件工程.2014，20：122.