微電子機械系統(tǒng)力學性能及尺寸效應研究.pdf

1、本論文對微電子機械系統(tǒng)力學性能及尺寸效應等若干重要問題進行了深入系統(tǒng)的理論研究。
　　微電子機械系統(tǒng)是日益發(fā)展的多學科交叉技術,其研究內(nèi)容主要是微米量級的微機械和微裝配的加工、設計和應用等問題。在微觀領域,許多材料的力學性能呈現(xiàn)出顯著的尺寸效應,與微器件或微系統(tǒng)特征長度L的高次方成比率的慣性力(L4)、電磁力(L3)等的作用相對減小,而與L的低次方成比率的彈性力(L2)、表面張力(L1)、靜電力(L0)等的作用相對加強,同時表面積

2、(L2)與體積(L3)之比增大,熱傳導、化學反應等加速和表面間的摩擦力顯著增大。目前,微細加工技術日趨成熟,微電子機械系統(tǒng)的基礎理論研究相對落后,已成為該學科繼續(xù)發(fā)展的“瓶頸”,其中,材料機械性能的研究又落后于電學性能的研究,材料的力學性能需要精確的評價,尺寸效應問題尤為突出。
　　系統(tǒng)研究了尺寸效應問題,詳細分析了尺寸效應內(nèi)涵,并按照不同的物理量對尺寸效應進行分類。提出了廣義和狹義尺寸效應,建立了狹義尺寸效應的泛函分析數(shù)學模型,

3、從泛函的絕對值、相對值和尺寸靈敏度三個方面對模型進行分析,應用實例解釋了該模型。提出了尺寸的正效應、負效應和零效應及其判據(jù),保持了尺寸效應在宏微觀領域的連續(xù)性和完整性。已有尺寸效應研究局限于單個力學性能的定性分析,該數(shù)學模型突破這一局限性,可應用于多個不同力學性能甚至其它物理量的分析,并且,應用該模型還可以對尺寸效應進行精確的定量分析。
　　應用光刻等技術加工了六組不同尺寸的單晶硅橋式微梁試件,梯形截面的試件可代表矩形、方形等截面

4、的常見微梁。采用納米壓痕法對試件進行彎曲測試,獲取載荷、位移等重要實驗數(shù)據(jù),該法適用于彈塑性材料,且可同時獲取彈性模量、硬度和彎曲強度等多種力學性能參數(shù)。理論分析表明,單晶硅的平均彈性模量為170.295±2.4850GPa,沒有呈現(xiàn)尺寸效應;彎曲強度在3.24-10.15GPa范圍內(nèi)變化,有較強的尺寸效應,平均硬度為9.4967±1.7533GPa,尺寸效應不太明顯。對橋式微梁的彎曲強度進行了Weibull分析,并應用Griffith

5、理論對橋式微梁的斷裂特性進行分析,給出了應變設計準則,為硅微構件的可靠性分析提供依據(jù)。
　　基于產(chǎn)品創(chuàng)新設計的QFD需求,建立了QFD/TRIZ/FUZZY集成模型,選取材料強度和材料變形作為設計的主要技術矛盾,對微摩擦測試儀力傳感器的微梁結構進行了尺寸優(yōu)化設計,該方法首次提出將管理學科的理論知識應用到微電子機械系統(tǒng)的產(chǎn)品設計,充分體現(xiàn)了微電子機械系統(tǒng)的多學科交叉的特點。
　　研究了微電子機械系統(tǒng)的殘余應力,對熱失配應力和本