MEMS器件工作中粘附失效的跨尺度分析

摘要

MEMS结构的粘附失效问题作为一种主要的MEMS器件可靠性问题，其理论与实验方面的研究都十分广泛。对平行表面间粘附失效机理的研究多使用纳米级的微观统计方法，而对实际MEMS结构粘附失效实验的研究则通常并不考查表面间的纳米级特性。这两方面研究的脱离使得对与MEMS结构的粘附失效物理机制的理解仍不明晰，对有些特殊的粘附失效实验结果仍没有合理的解释。因此，对粘附失效问题的微观与宏观方法的综合分析是对MEMS粘附失效问题全面理解的必然要求，也可以为进一步提高MEMS器件与系统可靠性提供参考。
　　 本文在分析了多种现有的粘附问题纳米级统计分析方法基础上建立多元分布描述方法，以对MEMS的表面形貌以及表面间作用力进行分析。该模型可以定量计算毛细力、van der waals力及表面形变回复力随表面间平均间距、表面形貌特性参数及各种环境参数之间的变化关系；在此基础上，还利用跨尺度分析方法，将这一模型应用到了以MEMS悬臂梁为代表的MEMS结构的粘附失效分析中，得出了更为准确的粘附系统能量变化曲线，通过一定的变换方法，与粘附力测量、单位表面粘附能测量及粘附剥离实验等多种经典粘附实验结果进行了对比，证明了该分析方法的准确性。跨尺度分析方法表明，经典理论对于大面积粘附失效的分析较为准确，而对于点粘附失效的分析有较大的误差。使用跨尺度分析方法，可以将经典理论无法统一解释的不同粘附现象统一起来，从而证明了粘附现象都具有相同的物理本质。对于MEMS器件工作中粘附失效问题，则以悬臂梁结构在半正弦冲击加速度下的动态特性分析为例，使用准静态粘附分析中计算出的系统能量曲线作为系统的势能曲线，通过计算系统在临界接触时包括动能在内的总能量，得出MEMS器件工作中受到突发载荷作用时的粘附失效概率。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 MEMS简介

1.1.1 MEMS的定义及应用

1.1.2 MEMS面临的挑战

1.2 MEMS可靠性

1.3 MEMS可靠性的跨尺度分析

1.4 本篇论文的主要工作

第二章 MEMS粘附可靠性

2.1 MEMS失效概述

2.2 MEMS粘附失效的现象

2.2.1 释放过程中的粘附

2.2.2 工作中的粘附

2.3 MEMS粘附失效的理论研究的发展与现状

2.3.1 微米级粘附理论研究

2.3.2 纳米级粘附理论研究

2.4 MEMS粘附失效的实验研究现状

2.4.1 单位表面粘附能测量

2.4.2 粘附力测量

第三章 粘附失效的微观机理

3.1 MEMS结构表面型貌分析

3.1.1 一元分布统计与多元分布统计

3.1.2 p点粗糙模型

3.2 MEMS表面力统计模型

3.2.1 毛细力模型

3.2.2 van der Waals力模型

3.2.3 表面形变回复力的统计模型

3.2.4 其他表面力

3.2.5 总体表面力

3.3 MEMS表面力的数值计算

3.3.1 表面特征参数的选取

3.3.2 表面力的计算结果

第四章 MEMS结构的准静态粘附失效分析

4.1 粘附失效的跨尺度分析方法

4.1.1 跨尺度分析基本原理

4.1.2 MEMS结构准静态粘附的有限元分析方法

4.2 准静态粘附失效的有限元仿真

4.2.1 悬臂梁S型粘附仿真

4.2.2 悬臂梁C型粘附仿真

4.2.3 悬臂梁粘附系统能量与粘附失效

4.3 本章小结

第五章 MEMS器件工作中粘附失效分析

5.1 MEMS器件工作中粘附简介

5.1.1 MEMS器件结构与粘附失效原因

5.1.2 MEMS器件工作中受到的载荷

5.2 动态粘附的实验研究方法

5.2.1 器件粘附失效的统计方法

5.2.2 动态粘附与解粘附

5.3 悬臂梁冲击粘附失效概率分析

5.4 本章小结

第六章 结束语

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及教材翻译

致谢