MEMS納米接觸的多尺度分析.pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是將電子和機(jī)械部件集成在一起的一種微型集成設(shè)備或系統(tǒng)，能夠在納觀尺度下單獨(dú)執(zhí)行或同時執(zhí)行驅(qū)動、感知和控制等功能。與傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)不同，表面效應(yīng)在MEMS中占主導(dǎo)地位，粘著和摩擦是決定MEMS性能和可靠性的重要因素。粘著是MEMS中的一種主要的失效形式，也是造成MEMS低合格率的主要原因。粘著接觸問題的研究對MEMS的設(shè)計(jì)與使用具有重要的意義，本文采用

2、準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)(QC)法研究了鎳壓頭與單晶銅基體之間的納米粘著接觸問題。
　　首先，基于QC法建立了光滑表面接觸模型，研究了接觸過程中的微觀變形機(jī)制。接觸過程中接觸邊緣附近的基體出現(xiàn)了“擠出”現(xiàn)象。接觸過程中，壓頭下方的銅基體內(nèi)部形成的“面角位錯”阻礙了銅基體內(nèi)部位錯的運(yùn)動，彈性變形在整個接觸過程中占主導(dǎo)地位。對接觸載荷、接觸半徑-位移曲線和接觸區(qū)域應(yīng)力分布進(jìn)行了詳細(xì)的分析。此外，簡要回顧了Hertz、Johnson-Kendall-

3、Roberts(JKR)和Maugis-Dugdale(M-D)經(jīng)典接觸理論，并驗(yàn)證了這些經(jīng)典理論在納米接觸問題中的適用性。綜合分析表明，M-D理論能夠較準(zhǔn)確的描述納米接觸過程中接觸半徑與接觸載荷之間的關(guān)系。由M-D理論獲得的應(yīng)力分布曲線與由QC法得到的曲線基本吻合。由于粘著效應(yīng)的存在，在壓頭下方與銅基體非局部區(qū)域的相鄰部分出現(xiàn)了一個較小的不規(guī)則的拉應(yīng)力區(qū)。
　　其次，采用QC法模擬分析了單粗糙峰接觸過程的微觀變形機(jī)制，接觸模型中

4、粗糙峰與壓頭的尺寸在一個量級上。研究了載荷-位移響應(yīng)曲線和接觸面積-載荷響應(yīng)曲線。載荷-位移響應(yīng)曲線存在大載荷突降和小載荷突降，它們對應(yīng)兩種不同變形機(jī)制。發(fā)生小載荷突降時基體內(nèi)部形成新的位錯，而大載荷突降發(fā)生時基體內(nèi)部原先形成的位錯被破壞，同時出現(xiàn)大量的原子遷移。對比分析表明，單粗糙峰有效削弱了壓頭與基體之間的粘著效應(yīng)。由M-D理論得到的接觸面積-載荷曲線與相應(yīng)的QC曲線之間存在較大的差異，這是因?yàn)樵诮佑|過程中單粗糙峰發(fā)生了較大的塑性變

5、形且存在大量的原子遷移，而 M-D理論沒有考慮這些因素，這意味著M-D理論不能用于描述單粗糙峰接觸問題。
　　最后，基于QC法，建立了壓頭初始位置在中間粗糙峰正上方（D=0）和壓頭初始位置在左側(cè)兩粗糙峰之間的波谷正上方（D=-L）的兩個具有不同壓頭初始位置的多粗糙峰接觸模型。模擬結(jié)果顯示，這兩個接觸模型在接觸過程中的微觀變形機(jī)制不同。D=0接觸模型中基體的變形主要為孿晶變形，而D=-L接觸模型基體內(nèi)部在接觸過程中形成了許多間隔分布

6、的“面角位錯”，抑制了孿晶變形的發(fā)生。此外，在接觸過程中這兩個接觸模型的基體變形都是不對稱的?；赒C模擬結(jié)果，研究了光滑表面接觸模型、D=0接觸模型和D=-L接觸模型的納米硬度-位移響應(yīng)曲線。最后，采用Oliver-Pharr方法估算了這三個模型在位移最大處基體的納米硬度，并將估算結(jié)果與QC模擬結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，對于光滑表面接觸模型，采用Oliver-Pharr方法估算基體的納米硬度比QC結(jié)果要高30％左右。而對于多粗糙峰接觸