由于尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng),界面行為已經(jīng)成為精微機(jī)械領(lǐng)域中的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題,其導(dǎo)致的界面粘附失效是精微機(jī)械中最常見的失效模式之一。本論文針對(duì)精微機(jī)械的典型粘附失效形式,分別從固-固界面及固-液界面角度討論了外電場作用下的界面粘附特性及規(guī)律。 為了研究外電場作用下的固-固界面粘附特性,本文研制了力分辨率在10μN(yùn)的微觀粘著測試儀,可以測量不同環(huán)境濕度、外電場強(qiáng)度下各種接觸材料在0.1-7mN范圍內(nèi)的接觸粘著力。該儀器可研究外電場作用下的固-固界面粘附特性以及液體介質(zhì)對(duì)外電場作用下的固-固界面粘附特性的影響。 論文實(shí)驗(yàn)研究了外電場作用下固-固界面的粘附力及其變化規(guī)律,建立了針對(duì)球-面接觸的粗糙表面擴(kuò)散充電模型。利用該模型分析了接觸充電時(shí)間、外電場強(qiáng)度、界面材料特性等對(duì)固-固界面粘附特性的影響,建立了最大電荷注入密度、等效充電時(shí)間常數(shù)與外電場強(qiáng)度、電介質(zhì)材料性質(zhì)之間關(guān)系的物理模型,并基于該模型揭示出不同電介質(zhì)材料對(duì)固-固界面粘附特性的影響。 論文將外電場作用下固-固界面粘著物理模型應(yīng)用到射頻MEMS開關(guān)設(shè)計(jì),從引入表面形貌修正的C-V曲線揭示了三種開關(guān)失效模式的機(jī)理和規(guī)律,給出了考慮界面電荷積累效應(yīng)的開關(guān)使用壽命計(jì)算模型,并提出了改進(jìn)開關(guān)性能的新設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)外電場作用下固-固界面粘附機(jī)理的分析,提出將液體介質(zhì)引入固-固界面以實(shí)現(xiàn)對(duì)其界面粘附特性的改變與控制,并以甘油及十六烷作為典型的極性與非極性液體,應(yīng)用微觀粘著測試儀進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 本論文將動(dòng)態(tài)石英晶振微天平(QCM)在液體測試中的響應(yīng)函數(shù)拓展到雙層膜模型,并在此基礎(chǔ)上定量研究了外電場作用下5CB液晶近固-液界面(近壁面)層的粘彈性性質(zhì)及相變行為。研究發(fā)現(xiàn)外電場作用將導(dǎo)致5CB近壁面層復(fù)剪切粘度降低,與體相液晶的電粘效應(yīng)相反,同時(shí)電場與壁面的耦合作用導(dǎo)致近壁面層液晶的相變溫度升高,且高于根據(jù)向列相模型得到的5CB液晶的相應(yīng)理論值。論文利用液晶分子長棒模型從分子排列角度對(duì)其進(jìn)行了解釋,并發(fā)現(xiàn)電場導(dǎo)致的近壁面有序分子層的存在可以使液晶在邊界潤滑區(qū)產(chǎn)生較低摩擦系數(shù)的現(xiàn)象,提出了通過電場控制精密機(jī)械低速啟動(dòng)中的界面粘附問題的新思路。
【學(xué)位單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2010
【中圖分類】：TH161
【部分圖文】：

(2) 沿界面切向方向的粘附失效：主要表現(xiàn)為接觸部件的切向驅(qū)動(dòng)力無法克服界面粘著力的切向分量，從而造成部件的“啟動(dòng)抱死”，典型的代表是計(jì)算機(jī)硬盤的磁頭-磁盤摩擦副等[21-27]。此外，由于外電場不僅是目前大部分以微機(jī)電系統(tǒng)為代表的精微機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力來源，而且界面上的外電場還將進(jìn)一步改變界面特性[9-15]，從而提供了控制界面特性的技術(shù)途徑。所以，本論文主要針對(duì)上述兩類界面粘附問題，集中研究外電場作用下的精微機(jī)械的界面粘附特性與規(guī)律。論文將典型精微機(jī)械系統(tǒng)中涉及的界面分為兩種：固-固界面與固-液界面。根據(jù)已有的文獻(xiàn)[9-27]，現(xiàn)分別將典型精微機(jī)械在這兩種界面下的粘附問題歸納如下。1.1.1 外電場作用下典型精微機(jī)械的固-固界面粘附問題典型的精微機(jī)械如靜電驅(qū)動(dòng)電容式 RF MEMS（射頻 MEMS）開關(guān)、靜電驅(qū)動(dòng)微鏡結(jié)構(gòu)等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1.1、圖 1.2 所示。外電場作用下的固-固界面粘附失效成為其失效的主要模式[11-20]。

圖 1.2 靜電驅(qū)動(dòng) MEMS 微鏡系統(tǒng)示意圖及電鏡（SEM）圖[11]這些典型精微機(jī)械的一個(gè)共同的特點(diǎn)是，將一薄層電介質(zhì)層（dielectric film）引入到機(jī)械結(jié)構(gòu)中來，作為絕緣層或阻蝕層，構(gòu)成了典型的金屬-絕緣層-金屬（MIM）或金屬-絕緣層-半導(dǎo)體（MIS）的“三明治”電容結(jié)構(gòu)，而在精微機(jī)械制造或運(yùn)動(dòng)過程中，均會(huì)由于外電場的作用在該電介質(zhì)層內(nèi)部注入電荷，從而改變了界面性質(zhì)，導(dǎo)致精微機(jī)械驅(qū)動(dòng)性能下降及界面粘附失效。其電荷注入過程如圖 1.3 所示[12-19]。如果電荷注入是在精微機(jī)械制造過程中完成，其往往導(dǎo)致精微機(jī)械的性能降低或直接失效，如圖 1.2 所示的；如果電荷注入是在精微機(jī)械的運(yùn)動(dòng)過程中完成，則隨著精微機(jī)械的長時(shí)間運(yùn)行，其驅(qū)動(dòng)與工作性能將逐漸降低并最終導(dǎo)致粘附失效，如圖 1.1 所示的 RF MEMS 開關(guān)。

圖 1.2 靜電驅(qū)動(dòng) MEMS 微鏡系統(tǒng)示意圖及電鏡（SEM）圖[11]這些典型精微機(jī)械的一個(gè)共同的特點(diǎn)是，將一薄層電介質(zhì)層（dielectric f引入到機(jī)械結(jié)構(gòu)中來，作為絕緣層或阻蝕層，構(gòu)成了典型的金屬-絕緣層-金（MIM）或金屬-絕緣層-半導(dǎo)體（MIS）的“三明治”電容結(jié)構(gòu)，而在精微機(jī)制造或運(yùn)動(dòng)過程中，均會(huì)由于外電場的作用在該電介質(zhì)層內(nèi)部注入電荷，從改變了界面性質(zhì)，導(dǎo)致精微機(jī)械驅(qū)動(dòng)性能下降及界面粘附失效。其電荷注入程如圖 1.3 所示[12-19]。如果電荷注入是在精微機(jī)械制造過程中完成，其往往導(dǎo)致精微機(jī)械的性降低或直接失效，如圖 1.2 所示的；如果電荷注入是在精微機(jī)械的運(yùn)動(dòng)過程中成，則隨著精微機(jī)械的長時(shí)間運(yùn)行，其驅(qū)動(dòng)與工作性能將逐漸降低并最終導(dǎo)粘附失效，如圖 1.1 所示的 RF MEMS 開關(guān)。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2810712