微/纳机构抗粘附研究进展

　　0　引　言

　　微型机械的研究,最初是由美国斯坦福大学于1970年开始的, 20世纪80年代以后,美国、日本和西欧各国相继将此项研究列为重要发展领域[1]。MEMS通常包括弹簧、悬臂梁、薄膜、铰链和齿轮等微/纳型基本单元,在这些典型结构的制造或使用过程中,由于微型机械的表面积与体积之比相对提高,表面效应和尺寸效应增强,相邻构件或构件与基体间经常发生粘附。粘附已成为造成微机械失效的主要原因之一,其控制的好坏直接影响着MEMS的商品化。

　　基于粘附控制的重要性,本文重点阐述了近年国内外在粘附理论控制研究和抗粘附实验研究所取得的一些成果,并就几种新的粘附控制方法作了简单介绍。

　　1　抗粘附设计理论研究进展

　　微/纳机构设计时,可从表面能或粘附功分析,该法相对较简单方便,但材料表面能的影响因素多,故测量误差较大[2];也可首先从微观考虑球形微凸体的粘附接触变形,再积分后用于实际的工程粗糙表面,该法计算较复杂,但能更深刻地刻划问题的实质。

　　1.1　粘附机理和表面能法防粘附结构设计

　　国内外已有很多文献对粘附的机理进行研究,表明产生粘附的主要原因是表面张力、静电力、范德华力、Casimir力等表面力作用[3]。应力的大小与微/纳机构的材料、表面状况、所处环境的湿度、温度、相对运动等因素有关。

　　1. 1. 1　表面张力和毛细力

　　液体表面张力是由于液面及其附近的分子聚合力不平衡而产生,其结果是液面趋于收缩,并具有类似于展开的弹性膜特性。丁建宁等人[4]研究了表面张力对多晶硅微悬臂梁结构稳定性和粘附的影响(如图1),通过不同h下结构参数L, t的对数坐标关系,可以设计出表面张力作用下稳定的抗粒附多晶硅微悬臂梁。

　　由于硅表面的亲水性,在两实际粗糙表面间的缝隙里也会凝聚液体而产生使两表面粘附的毛细力。张向军等人[5]研究了微梁构件在毛细力作用下的粘附行为,提出为了防止构件粘附,可在微梁与基底之间作出有一定高度的凸起,凸起的高度h0=h-yB,其中, h为微梁与基体间距,yB为梁允许的最大变形挠度值。表面张力和毛细力控制的好坏是微机械结构制造过程中能否成功释放的关键。

　　1.1.2　范德华力

　　范德华力存在于所有材料中,是中性原子间的作用力。原子的电偶极矩平均值为0,这是因为原子的定态具有确定的宇称。但由于涨落原子可以有偏离平均值的自发偶极矩,而这个偶极矩在另一原子处产生的电场使原子极化,产生电偶极矩。这种偶极—偶极相互作用便是范德华力的来源。范德华力是所有作用力中最弱的,但因其处处存在而不失其重要性。张建等人[3]以悬臂梁为模型,考虑实际粗糙表面接触,得出了在范德华力作用下梁抗粘附临界长度,其中,E为弹性模量, t为梁厚,g为悬臂梁与基体间隙,γ′eff为粗糙表面单位面积范德华能。