MEMS及納米接觸研究.pdf

1、本文系統(tǒng)的研究了MEMS的主要工作原理、工藝方法、主要存在的問題,重點討論了嚴重影響MEMS性能、阻礙MEMS進入市場的納米接觸問題,并從物理力學領域出發(fā),根據物質結構和固體物理學理論,詳細分析了納米接觸的實質,提出一種工程實用的納米接觸力計算方法,為MEMS的結構設計提供理論依據,分析了AFM針尖同試樣面的納米接觸力,為AFM實現(xiàn)原子操縱研究提供理論基礎.主要工作如下:1)分析了影響MEMS性能的粘附現(xiàn)象,提出了粘附現(xiàn)象的實質為物質間

2、的納米接觸問題,并闡述了納米接觸問題的研究方法為量子力學法、分子動力學法和連續(xù)介質法,介紹了分子動力學和連續(xù)介質法的研究現(xiàn)狀.2)系統(tǒng)分析了MEMS的壓容原理、壓阻原理、靜電原理、壓電原理、隧道原理和形狀記憶合金原理等工作原理;介紹了MEMS的平面加工工藝、體硅加工工藝、LIGA技術、準分子激光加工技術、分子操縱技術等MEMS工藝,提出了MEMS有待進一步研究的領域.3)介紹了雙原子勢函數(shù),重點分析了Lennard-Jones勢,推導出

3、Lennard-Jones勢中的A、B常數(shù)的表達式,計算出雙原子間引力最大位置和力平衡位置,闡述了微觀連續(xù)介質的理論基礎——Hamaker假設.4)通過分析雙原子間引力,發(fā)現(xiàn)Hamaker假設在距離近時不成立的現(xiàn)象;通過分析相對誤差,得到Hamaker假設的定義域為接觸距離大于7倍的原子半徑的結論;5)提出了Hamaker假設的距離修正理論,首次對Hamaker假設進行了修正.6)介紹了晶體結構和空間點陣,發(fā)現(xiàn)Hamaker假設模型中存

4、在原子空隙,導致Hamaker假設1和Hamaker假設2存在矛盾,并由此介紹了W-S模型.7)通過分析雙原子模型,推導出體心立方體和面心立方體的引力、斥力空隙修正系數(shù)8)分析了W-S模型連續(xù)介質法對不同距離的原子修正時的誤差變化規(guī)律,提出Hamaker假設的空隙修正理論,對Hamaker假設進行了第二次修正.提出納米接觸的W-S模型連續(xù)介質法的計算式.9)建立了面心立方體結構的剛性平面同單原子之間作用力的離散模型.10)用W-S模型連

5、續(xù)介質法推導出單原子同剛性平面的作用力表達式,并同離散法得到的單原子——剛性平面作用力比較,通過仿真,比較兩者的相對誤差.11)用W-S連續(xù)介質法推導出AFM球型針尖同試樣面的作用力.12)推導出AFM圓錐針尖、四棱錐針尖、拋物面體針尖同試樣面作用力的表達式.13)基于分析力學的虛功原理,討論了微懸臂梁的彈性力同粘著力間的粘著穩(wěn)定性;分析了非穩(wěn)定平衡位置對微梁狀態(tài)的影響;通過增加微梁剛度的方法,分析了微梁為避免粘著現(xiàn)象發(fā)生,其結構尺寸所