外电场作用下精微机械的界面粘附特性研究与控制
发布时间：2020-09-02 14:23
由于尺寸效应和表面效应,界面行为已经成为精微机械领域中的关键性基础问题,其导致的界面粘附失效是精微机械中最常见的失效模式之一。本论文针对精微机械的典型粘附失效形式,分别从固-固界面及固-液界面角度讨论了外电场作用下的界面粘附特性及规律。 为了研究外电场作用下的固-固界面粘附特性,本文研制了力分辨率在10μN的微观粘着测试仪,可以测量不同环境湿度、外电场强度下各种接触材料在0.1-7mN范围内的接触粘着力。该仪器可研究外电场作用下的固-固界面粘附特性以及液体介质对外电场作用下的固-固界面粘附特性的影响。 论文实验研究了外电场作用下固-固界面的粘附力及其变化规律,建立了针对球-面接触的粗糙表面扩散充电模型。利用该模型分析了接触充电时间、外电场强度、界面材料特性等对固-固界面粘附特性的影响,建立了最大电荷注入密度、等效充电时间常数与外电场强度、电介质材料性质之间关系的物理模型,并基于该模型揭示出不同电介质材料对固-固界面粘附特性的影响。 论文将外电场作用下固-固界面粘着物理模型应用到射频MEMS开关设计,从引入表面形貌修正的C-V曲线揭示了三种开关失效模式的机理和规律,给出了考虑界面电荷积累效应的开关使用寿命计算模型,并提出了改进开关性能的新设计方案。通过对外电场作用下固-固界面粘附机理的分析,提出将液体介质引入固-固界面以实现对其界面粘附特性的改变与控制,并以甘油及十六烷作为典型的极性与非极性液体,应用微观粘着测试仪进行了相关的实验验证。 本论文将动态石英晶振微天平(QCM)在液体测试中的响应函数拓展到双层膜模型,并在此基础上定量研究了外电场作用下5CB液晶近固-液界面(近壁面)层的粘弹性性质及相变行为。研究发现外电场作用将导致5CB近壁面层复剪切粘度降低,与体相液晶的电粘效应相反,同时电场与壁面的耦合作用导致近壁面层液晶的相变温度升高,且高于根据向列相模型得到的5CB液晶的相应理论值。论文利用液晶分子长棒模型从分子排列角度对其进行了解释,并发现电场导致的近壁面有序分子层的存在可以使液晶在边界润滑区产生较低摩擦系数的现象,提出了通过电场控制精密机械低速启动中的界面粘附问题的新思路。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2010
【中图分类】：TH161
【部分图文】：
(2) 沿界面切向方向的粘附失效：主要表现为接触部件的切向驱动力无法克服界面粘着力的切向分量，从而造成部件的“启动抱死”，典型的代表是计算机硬盘的磁头-磁盘摩擦副等[21-27]。此外，由于外电场不仅是目前大部分以微机电系统为代表的精微机械系统的驱动力来源，而且界面上的外电场还将进一步改变界面特性[9-15]，从而提供了控制界面特性的技术途径。所以，本论文主要针对上述两类界面粘附问题，集中研究外电场作用下的精微机械的界面粘附特性与规律。论文将典型精微机械系统中涉及的界面分为两种：固-固界面与固-液界面。根据已有的文献[9-27]，现分别将典型精微机械在这两种界面下的粘附问题归纳如下。1.1.1 外电场作用下典型精微机械的固-固界面粘附问题典型的精微机械如静电驱动电容式 RF MEMS（射频 MEMS）开关、静电驱动微镜结构等，其结构示意图如图 1.1、图 1.2 所示。外电场作用下的固-固界面粘附失效成为其失效的主要模式[11-20]。
图 1.2 静电驱动 MEMS 微镜系统示意图及电镜（SEM）图[11]这些典型精微机械的一个共同的特点是，将一薄层电介质层（dielectric film）引入到机械结构中来，作为绝缘层或阻蚀层，构成了典型的金属-绝缘层-金属（MIM）或金属-绝缘层-半导体（MIS）的“三明治”电容结构，而在精微机械制造或运动过程中，均会由于外电场的作用在该电介质层内部注入电荷，从而改变了界面性质，导致精微机械驱动性能下降及界面粘附失效。其电荷注入过程如图 1.3 所示[12-19]。如果电荷注入是在精微机械制造过程中完成，其往往导致精微机械的性能降低或直接失效，如图 1.2 所示的；如果电荷注入是在精微机械的运动过程中完成，则随着精微机械的长时间运行，其驱动与工作性能将逐渐降低并最终导致粘附失效，如图 1.1 所示的 RF MEMS 开关。
图 1.2 静电驱动 MEMS 微镜系统示意图及电镜（SEM）图[11]这些典型精微机械的一个共同的特点是，将一薄层电介质层（dielectric f引入到机械结构中来，作为绝缘层或阻蚀层，构成了典型的金属-绝缘层-金（MIM）或金属-绝缘层-半导体（MIS）的“三明治”电容结构，而在精微机制造或运动过程中，均会由于外电场的作用在该电介质层内部注入电荷，从改变了界面性质，导致精微机械驱动性能下降及界面粘附失效。其电荷注入程如图 1.3 所示[12-19]。如果电荷注入是在精微机械制造过程中完成，其往往导致精微机械的性降低或直接失效，如图 1.2 所示的；如果电荷注入是在精微机械的运动过程中成，则随着精微机械的长时间运行，其驱动与工作性能将逐渐降低并最终导粘附失效，如图 1.1 所示的 RF MEMS 开关。
本文编号：2810712
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2010
【中图分类】：TH161
【部分图文】：
(2) 沿界面切向方向的粘附失效：主要表现为接触部件的切向驱动力无法克服界面粘着力的切向分量，从而造成部件的“启动抱死”，典型的代表是计算机硬盘的磁头-磁盘摩擦副等[21-27]。此外，由于外电场不仅是目前大部分以微机电系统为代表的精微机械系统的驱动力来源，而且界面上的外电场还将进一步改变界面特性[9-15]，从而提供了控制界面特性的技术途径。所以，本论文主要针对上述两类界面粘附问题，集中研究外电场作用下的精微机械的界面粘附特性与规律。论文将典型精微机械系统中涉及的界面分为两种：固-固界面与固-液界面。根据已有的文献[9-27]，现分别将典型精微机械在这两种界面下的粘附问题归纳如下。1.1.1 外电场作用下典型精微机械的固-固界面粘附问题典型的精微机械如静电驱动电容式 RF MEMS（射频 MEMS）开关、静电驱动微镜结构等，其结构示意图如图 1.1、图 1.2 所示。外电场作用下的固-固界面粘附失效成为其失效的主要模式[11-20]。
图 1.2 静电驱动 MEMS 微镜系统示意图及电镜（SEM）图[11]这些典型精微机械的一个共同的特点是，将一薄层电介质层（dielectric film）引入到机械结构中来，作为绝缘层或阻蚀层，构成了典型的金属-绝缘层-金属（MIM）或金属-绝缘层-半导体（MIS）的“三明治”电容结构，而在精微机械制造或运动过程中，均会由于外电场的作用在该电介质层内部注入电荷，从而改变了界面性质，导致精微机械驱动性能下降及界面粘附失效。其电荷注入过程如图 1.3 所示[12-19]。如果电荷注入是在精微机械制造过程中完成，其往往导致精微机械的性能降低或直接失效，如图 1.2 所示的；如果电荷注入是在精微机械的运动过程中完成，则随着精微机械的长时间运行，其驱动与工作性能将逐渐降低并最终导致粘附失效，如图 1.1 所示的 RF MEMS 开关。
图 1.2 静电驱动 MEMS 微镜系统示意图及电镜（SEM）图[11]这些典型精微机械的一个共同的特点是，将一薄层电介质层（dielectric f引入到机械结构中来，作为绝缘层或阻蚀层，构成了典型的金属-绝缘层-金（MIM）或金属-绝缘层-半导体（MIS）的“三明治”电容结构，而在精微机制造或运动过程中，均会由于外电场的作用在该电介质层内部注入电荷，从改变了界面性质，导致精微机械驱动性能下降及界面粘附失效。其电荷注入程如图 1.3 所示[12-19]。如果电荷注入是在精微机械制造过程中完成，其往往导致精微机械的性降低或直接失效，如图 1.2 所示的；如果电荷注入是在精微机械的运动过程中成，则随着精微机械的长时间运行，其驱动与工作性能将逐渐降低并最终导粘附失效，如图 1.1 所示的 RF MEMS 开关。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 袁晓林;黄庆安;;电容式RF开关介电电荷及相关可靠性模型及模拟[J];传感技术学报;2006年01期
2 吴银锋;万江文;于宁;;介质层充电对电容式RF MEMS开关的影响[J];传感技术学报;2006年05期
3 李贵才;朱生发;杨苹;黄楠;;石英晶体微天平在蛋白吸附领域的研究进展[J];传感器世界;2007年12期
4 李锐,廖小平;硅基铝T形梁MEMS可变电容的设计与模拟[J];电子元件与材料;2005年01期
5 车录锋,徐志农,周晓军,程耀东;微型机械设计中某些理论问题的探讨[J];工程设计;1998年02期
6 宋聚平,夏钟福,林华茂,张晓青,沈绍群;恒栅流负电晕充电的Si基SiO_2驻极体的电荷稳定性[J];功能材料;1999年06期
7 王洪喜,贾建援,樊康旗;求解静电驱动微梁变形的数值与解析方法[J];机械设计与研究;2005年02期
8 温诗铸,丁建宁;微型机械设计基础研究[J];机械工程学报;2000年07期
9 沈明武,雒建斌,温诗铸,姚俊斌;液晶添加剂的纳米级润滑性能与机理[J];科学通报;2001年07期
10 翟文杰,山本雄二;外加电场对边界润滑条件下钢-钢摩擦副摩擦磨损性能的影响[J];摩擦学学报;2000年06期
相关博士学位论文 前1条
1 胡波;电控摩擦现象的电化学机理和实验研究[D];清华大学;2005年
本文编号：2810712
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jixiegongcheng/2810712.html
