微悬臂梁在冲击载荷作用下大变形解

摘要

讨论微电子机械系统(MEMS)的三个力学问题：（1）微系统界面区域的力学性质。(2)薄膜—基底结构界面的裂纹扩展。(3)微机械的弹塑性—粘着接触力学。文中在简述了研究现状后,简要地报导了者上述三个问题的研究结果。

关键词微电子机械系统界面(相)力学薄膜基底结构弹塑性—粘着接触力学

Abstract

Three problems of solid mechanics for micro-electro-mechanical systems are discussed: (1)Mechanical behavior of interfacial region for the components of microsystem: By using the strain gradient theory, the theoretical analysis shows the existense of boundary layer near interfaces and the significance of strain gradient effects on interfacial deformation.

(2)Crack growth on the interface of thin film/substrate structures: the residual stress in the film induced by the mechanical and thermal mismatch in the manufacture is an important cause of initialization and extension of interfa ce crack. The modified three parameters (Γ0,^σ/σs,t) cohesive modelwas used to investigate the cleavage fracture under outer plastic deformation fields. Atypical resistance curves have been calculated by using finite element method. (3)Elastic-plastic contact mechanics considering adhesive effects: A non-linear spring element has been used tosimulate the adhesive force. Through specific quantitative analysis, two parameters of the adhesive force are adopted. After a simple review on the research status in the topics shown above, some new results for three problems are presented.

Key words Micro-electro-mechanical system;Interface(Interphase) mechanics;Thin film/substrate structure;Elastic-plastic adhesive contact mechanics

第一章绪论

1.1引言

微系统，微电子机械系统，是大规模集成电路等信息技术工艺和机械系统结合的新的高技术。有人预言它将引发新的技术革命。其基本特征是MEMS的尺度，至少有一个已进入微米、亚微米的量级。

随着材料尺寸、加工尺寸的日益减少，微电子机械系统的微尺寸效应变得越来越明显。微梁作为MEMS机电结合的元件，在MEMS 中具有不可替代的作用，然而，微梁同基座间的粘附问题严重影响MEMS性能，作为MEMS产生废品率的主要因素。尤其是微梁的“突陷”问题，已严重制约着微梁在MEMS中的应用。

以MEMS加工技术制备柔性仿壁虎微米阵列的方法。利用ICP 设备，采用低温(CRYO)工艺，在硅片上制作仿壁虎微米硅模板，然后注入有机硅胶成型，经剥离后得到柔性仿壁虎微米阵列。爬壁机器人是机器人学的一个重要分支。具有攀爬与粘附能力的机器人在故障检测、抢险救灾、高楼清洗、空间安全等方面都具有良好的应用前景。机器人工作壁面质构与粗糙度大不相同，研究一种具有良好吸附能力、对各种环境和各种表面具有良好适应性的粘附爬行结构十分必要。在上百万年的生物进化过程中，一些动物(如壁虎、苍蝇、蜜蜂、蝗虫等)的足掌具有很好的几何设计和生物材料特性，可保证它们在各种环境不同材料、粗糙度的表面上运动和停留。其中壁虎脚上功夫尤为神奇，能够攀墙自如、倒挂悬梁，甚至在水里以及真空环境中，它脚上的粘着力都不会失灵。因而仿壁虎爬行机器人的研制成为一个

新的研究方向。目前仿壁虎爬行机器人技术的研究主要集中在粘附技术上，主要围绕两点展开，一是仿壁虎脚掌的粘附材料的研究，二是仿壁虎物理结构脚掌——微纳米阵列的研制。表面微细加工技术(surface micromachining)是通过在基底上沉积一层薄膜材料，并对其进行有目的的选择性刻蚀得到需要结构的一种微细加工技术，被认为是加工微机电(MEMS)器件的核心技术之一。目前采用MEMS技术制造的压力传感器、加速度计、光学开关、DMD(digital mirror display)等已得到广泛的应用。

1.2微电子机械系统的优良性能

这项新的制造技术有着许多鲜明的优点：首先，微电子机械系统是一项差异性极大的技术，它带给各种商业及军事产品极大的潜在的冲击。微电子机械系统已经运用于从居家使用的血压监控器到汽车悬挂系统的各类产品。微电子机械技术的实质以及其广阔的应用范围，使其比集成电路制作技术更具冲击力。其次，微电子机械技术使复杂的机械系统与集成电路间的界限变得模糊。一直以来，传感器和执行元件是大型电控系统中成本最昂贵，可靠性最差的部分。相对来说，微电子机械技术保障了我们可以大批量制造如此复杂的机电系统，并使传感器和执行元件的成本与可靠性和集成电路保持在同一水平。有趣的是，虽然我们对微电子机械设备和系统的运行要求高于大尺寸零件和系统，但却希望它有一个相对低廉的价格。

微电子机械系统技术制造的工艺其优点主要有：1）表面工艺具有与传统、成熟的IC(integrated circuit)技术兼容的特点；2）采用表