MEMS粘附问题研究

　　1　引　　言

　　随着材料尺寸、加工尺寸的日趋减小,微电子机械系统(Micro Electro-mechanical system,简称MEMS)的微尺寸效应对系统的影响越来越明显。在微加速度计、数字微镜、微镊子等许多MEMS中,器件之间因相对运动而产生的粘附(sticking)问题,已成为研究热点。粘附力控制的好坏,成为MEMS走向市场的关键因素之一。本文综述了粘附问题的研究现状,揭示了该问题的本质和研究范围,介绍了目前研究粘附问题的各种前沿方法,并对粘附研究的发展提出展望。

　　2　粘附现象

　　实验证明,微表面静止接触或两表面间隙处于纳米量级时,由于表面粘着力使两表面粘附在一起,这不仅使微器件的动作失效,而且在微构件的制造中也是造成废品的重要因素。图1是Sandia实验室拍摄到的齿轮和凸缘粘附磨损失效的扫描电镜图[1]。图2是Sandia实验室制造多组悬臂梁时出现粘附失效的扫描电镜图[1]。用于通讯导航领域的微陀螺仪也存在粘附问题[2]。

　　在MEMS中,也有不少器件利用粘附来提高性能。图3所示是TI公司研制的数字微镜[3]。镜片底部的弹性片与基底之间的粘附作用对镜片的缓冲、稳定和延长寿命起着至关重要的作用。图4是Sandia实验室研制的微镊子。通过控制镊子和被镊物体间的粘附力以达到抓取物体的目的[1]。粘附力在工程中最成功的应用是1985年Binning发明的原子力显微镜[4](Atomic Force Microscope,简称AFM),通过控制粘附力,使人类清晰地看到原子,并可实现原子操纵。Binning在1986年为此获得诺贝尔物理奖。

　　粘附问题是研究特征尺寸在0.1～100nm之间的微细结构所涉及到的力、能量问题,其研究的范围属于纳米力学范围,即从纳米的尺度上展示力学的观念。粘附问题同细观力学(特征尺寸在100nm～0.1mm之间)研究的问题不同,粘附问题不仅仅以连续介质力学为载体,还兼具连续介质同离散描述的特征;粘附问题同单纯量子力学研究的问题也不同,它是由成千上万原子组成的物质所涌现的带有整体特性的力学行为,它的研究范畴可追溯到钱学森开创的物理力学领域[5]。

　　3　研究方法

　　目前粘附问题的研究主要分两个方面:以分子动力学为代表的纳观计算力学和以纳米压痕法为代表的纳观实验力学。

　　物质在宏观领域表现为连续性,由于物质由分子、原子和离子构成,因此,在微观世界,物质表现为离散性。用常规的连续方法研究微观世界物质间的粘附问题已不符合微观世界的规律了。在计算力学领域,从理论上考虑,研究离散的微观物质世界存在三种方法:(1)根据量子力学理论,用薛定鄂方程求解。(2)利用分子动力学方法模拟离散分子、原子等的运动。(3)根据Hamaker三个假设,通过对宏观方法修正,用连续介质方法计算。第一种方法由于需要解薛定鄂方程,根据目前的计算能力,很能解决工程实际问题。因此,本文仅介绍后两种方法。