淺析微電子機械系統的力學問題

楊秦天

摘 要：現階段，力學問題廣泛存在于微電子機械系統當中，對這些力學問題的分析和研究工作是促進微電子領域持續創新和發展的關鍵。本文就微構件材料的基本力學性能研究作出了闡述，分析了計算微構件的力學問題，深入探討了微電子機械系統中的各種力學問題。希望通過本文的分析，能對微電子機械系統中的力學問題給出有效的見解。

關鍵詞：微電子;機械系統;力學問題;研究分析

一、引言

隨著加工制造業的更新迭代，微電子機械系統（MEMS）的應用已在我國廣泛普及，是當下行業與企業持續關注的話題。在MEMS當中，力學問題舉足輕重，需要對其進行深入的研究，以思考解決這一系列問題的方法。通過這樣的分析和研究，最終實現MEMS的高效性以及最大價值。

二、微構件材料的基本力學性能

通常情況下，材料的微觀組織結構，是決定著材料力學性能的關鍵所在，也就是說，材料力學性能要發生明顯變化，是依照材料微觀組織的結構特征發生尺度上的變化而決定的。這種因由結構特征發生變化而造成的性質變化現象，一般被叫作機制性的尺度效應。而在這種尺度效應下，納米銅在室溫之中呈現出來的超塑性得以實現。如今的MEMS當中，一般采用薄膜工藝完成構件材料的制備工作，借由工藝過程當中眾多因素的影響，所以就算是一樣的薄膜材料，力學性質通常也會體現出較大的差異性。對于一些質量要求較高且精度要求較高的MEMS設計來說，這些因素是尤為重要的。故此，需要在注意到各種相關因素的情況下進行微構件材料力學性能的研究，并且把力學分析、模擬以及實際測試結合起來，才可以找出并修正不同的影響，從而讓數據更加真實細致。

三、分析計算微構件的力學問題

對微機械構件的各種不同變化以及其運動規律的高效掌控，對微尺度之下表面與尺度效應的掌控，都是MEMS技術當中最主要也是比較難的問題，這也是設計功能得以實現的重要基礎。此外，在MEMS中采用微構件作為諧振件時，設計的一大要素便是固有頻率。在分析微構件的動力學過程中，空氣對微構件運動時造成的阻力，以及結構上和溫度變化上造成的阻力，都會使得固有頻率產生改變，并且可以致使性能參數失穩等。值得一提的是，在微構件的力學分析過程中，還必須重視殘余應力這個方面。整體來說，顧及到微尺度當中各種不同的力的運用機制，顯現微系統之中表現出的各種影響要素，多種非線性因素存在的構件變形變化的規律以及研究運動的規律，都是極為重要的。

四、微電子機械系統中的力學問題

（一）粘附問題

所謂粘附問題，實質就是微構件所具有的回彈力對表面中近距離的接觸活動發生時產生的粘著力不能有效克服。微電子機械系統中發生粘附問題的現象有很多，比如在加工過程當中結構的釋放，周圍的環境溫度發生變化，以及在運行當中表面產生近距離的接觸等。有效降低表面接觸過程中的粘著力，并且提升機械構件所含彈性的恢復能力，是預防粘附問題的基礎思想。

事實證明，微尺度之下的表面能和表面力確定著表面接觸的變化以及粘著。因為存在表面力，所以實際的接觸面會變大，就算是零載荷狀態，也會致使接觸變形。現有的JKR和DMT等模型，是基本的模型，是對經典Hertz接觸理論實施所謂計入的表面力修正工作。應對單峰的接觸，可以應用這些基本模型及其理論。眼下，對于抗粘附的相關研究當中，接觸表面改性，從而降低粘附力這種技術是最為高效的。基本的方式包含自組裝單分子膜，還有氮化硅固體膜，以及表面疏水層、物理修飾等。

（二）微構件當中的疲勞磨損以及破壞

在微尺度之中，表面粗糙程度所起的作用就像細小的裂紋一樣，要研究疲勞破壞這個問題，就需要注意粗糙度所造成的影響。仔細觀察力學對于微米尺度和亞微米尺度材料細觀本構的關系研究，就可以研究到細小裂紋擴展的過程和破壞的現象，這是作為微構件相關疲勞研究的理論基礎。微構件相關防磨損的工作，是為了保障系統長久且穩定的運作。美國的Sandia實驗室在研究微型發動機時，從中得出，摩擦表面出現磨損或者咬死現象，是構件發生失效的一大主要因素。通過研究還發現，若周圍環境達到50%的濕度時，磨損比較低且粘附也比較低，這是由于摩擦副當中吸附水膜將表面實施了鈍化工作，所以形成潤滑的意義。在這當中，要是濕度上升，那么粘附幾率就會加大，若濕度下降至10%左右的時候，摩擦表面就可能發生嚴重的磨損。因此，微尺度之下所出現的磨損問題，在力學模型當中，必須全面考慮到表面的粗糙問題、環境濕度問題以及化學和物理各方面的因素問題。

（三）多層材料之間發生層間脫裂的問題

介于加工工藝對微機械所造成的限制，當前的單層型結構的多晶硅構件僅僅只能完成有限的運動以及變形工作，雙層的還可以被制成可旋轉的齒輪，而要到三層結構的才可以被許可裝配設計。不過，多層結構的材料常常出現脫裂問題。要解決這個問題，減少殘余應力以及加大界面當中的吸附力，并且降低接觸面的排斥力這些方面都是關鍵所在。

總而言之，對抗粘附的研究想要完成對構件“活動起來”這種問題的解決，必須要結合彈塑性力學以及接觸力學的相關理論，再加上對構件回彈和接觸兩力的控制。而實施減少摩擦的研究，為的是解決構件之中“平穩運動”這個問題，這需要涉及到動力學加上潤滑力學，對構件運動的相關規律進行掌控。想讓構件使用期限夠長，解決這個問題需要抗疲勞研究以及對防磨損方面的研究。還有眾多有價值的研究，都需要與微電子機械系統緊密結合起來。

五、結束語

美國是MEMS產業、技術和產品的發源地，其發展水平在世界處于領先地位。由于我國MEMS產業起步較晚，MEMS產業還處于發展的起步階段，我國MEMS傳感器產品在力學問題的研究中與國外存在巨大差距，應用范圍也多局限于傳統領域。對微電子機械系統中力學問題的分析研究，是目前必須重視的一項研究，它關系著這個系統的發展前景。只有通過大量實驗研究，仔細分析MEMS中存在哪些力學問題，采取有效策略解決這些問題，才能使MEMS這種系統的應用實現高效化。

參考文獻：

[1]陳文濤.關于微電子機械系統的力學問題分析[J].科學中國人.2015，12.

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