基于维诺图微观颗粒表示的硅材料沿晶界断裂仿真与分析

摘要

MEMS是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,在近年来得到了越来越广泛的应用,在工业、信息和通信、航空航天、航海、医疗和生物工程、农业、环境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。
　　 由于MEMS器件体积微小,而在微观范围内,微机械的材料性能和宏观范围内的不同,因此无法通过简单的力学原理进行预测。目前,对MEMS器件机械性能的评测多是基于实例的方式。但是,通过实际制作MEMS器件的方式进行疲劳测试是有很多缺点的,比如,封装观测困难,设计制造周期长,造价昂贵。因此,本文提出利用优化的维诺图数值模型模拟计算的方法,探讨硅材料在受力情况下的断裂问题,以求达到节省成本,快速省时,方便检测的目的。
　　 本文用基于维诺图的模型模拟表示多晶硅的微观结构:用维诺图中的单元表示多晶硅的晶格,用维诺图单元的边界模拟晶格的边界。由于随机生成的维诺图形状一般不理想,不符合多晶硅的实际微观结构,因此,本文还采用了碰撞检测法改善单元形状,使得生成的维诺图与多晶硅微观结构尽可能的近似。为了达到性能和时间上的平衡,本文又提出了局部细化的方式,通过改善维诺图的疏密分布,在保证结果准确性的前提下,加速试验的过程。在得到理想的维诺图之后,将边、点信息导入ANSYS,裁剪所需要的形状,对材料属性赋值,插入晶界信息,最后施加位移约束,用非线性求解的方法,完成MEMS器件的分析。
　　 实验结果表明:采用维诺图模型数值化模拟多晶硅的方法,其模拟的形变和断裂的结果与真实硅材料的断裂情况非常近似。通过进一步的修正维诺图模型,可以生成更理想的形状和分布,进而在更短的时间内得到更好的结果。因此,利用维诺图模型的数值化方法可以较好地应用于多晶硅断裂情况的仿真和分析。而且,相对于传统制造的方法,数值模拟的方式检测模型更加容易,并且可以达到节省制造时间和成本目的。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 研究背景

第二节 本文的主要工作

第三节 本文的组织结构

第二章 MEMS基本知识

第一节 MEMS介绍

2.1.1 什么是MEMS

2.1.2 MEMS的组成

2.1.3 MEMS的特点

2.1.4 MEMS的发展

2.1.5 MEMS的现状

第二节 MEMS器件的断裂

2.2.1 非线性粘连模型

2.2.2 断裂模型

第三章 多晶硅的维诺图数值化表示方法

第一节 多晶硅的机械特性

第二节 多晶硅机械特性的评测方法

第三节 多晶硅的晶体结构模型

第四节 维诺图与多晶硅的相似性

3.4.1 多晶硅

3.4.2 维诺图的定义

3.4.3 维诺图的构造

第四章 一个简单器件的模拟

第一节 MEMS器件制作流程

第二节 维诺图材料的生成

4.2.1 颗粒数量和大小的确定

4.2.2 使用碰撞检测法改善颗粒形状

4.2.3 输出点线信息

第三节 裁剪器件形状

第四节 添加材料属性和晶界信息

第五节 施加约束

第六节 试验结果

第七节 实验结论

第五章 微夹钳的模拟

第一节 微夹钳的介绍

第二节 微夹钳的结构以及抽象

5.2.1 微夹钳的总体结构

5.2.2 微夹钳的杠杆位移放大设计

5.2.3 微夹钳的版图和抽象

第三节 简单微夹钳的数值化

5.3.1 生成维诺图

5.3.2 裁剪方法

5.3.3 施加约束

5.3.4 初步的数值化试验结果

第四节 微夹钳的改进

5.4.1 维诺图的局部细化

5.4.2 试验结果

第五节 实验结论

第六章 结论和展望

第一节 实验总结和结论

第二节 实验展望

参考文献

致谢

个人简历