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本文用数值模拟的方法研究了微纳机构粘着接触及基于热应力的粘附修复技术,为微纳米器件的设计提供参考。
首先,介绍了粘着接触的研究方法:分子动力学方法、连续介质的研究方法、Hamaker微观连续介质理论方法和有限元方法。在传统有限元接触模型的基础上加入表面力边界条件,得到粘着接触有限元模型。
其次,结合连续介质理论方法,建立了粘着接触物理模型并利用ANSYS软件建立粘着接触有限元模型。对比弹性粘着接触模型与EMD模型,二者粘附力与弹性压缩量关系曲线趋势较为一致,证明了弹性粘着接触有限元模型的可行性。将Au和Si两种材料的弹塑性粘着接触模型与KE模型进行对比分析,发现有限元模型与KE模型的无量纲接触半径与无量纲压缩量及无量纲接触力与无量纲压缩量曲线趋势较为一致,证明了弹塑性粘着接触有限元模型的可行性。对比分析了接触球半径分别为600nm和300nm时的无量纲接触半径与无量纲压缩量及无量纲接触力与无量纲压缩量间的关系,表明:半径较小的接触球需要较小的分离力,更不容易发生粘附。分析了塑性参数分别为0.1.839和2.9时的无量纲接触半径与无量纲压缩量及无量纲接触力与无量纲压缩量间的关系,表明:塑性参数值越大,粘着接触时,更易由于塑性分离而发生材料转移。
再次,对目前常用的防粘附方法进行了系统的归纳总结。释放粘附通过CO2超临界干燥方法和无水HF气相刻蚀技术得到了很好的控制,工作粘附的控制可以通过防止微纳机构间物理接触或减小粘附力来实现。接着介绍了几种微纳米器件粘附后的修复技术,用以解决由静电力、加速度和冲击等引起的粘附。
最后,用数值模拟的方法研究了微梁基于热应力的粘附失效修复技术,双层微梁模型在静电力的作用下发生弯曲,通过对微梁固定端电阻加热载荷,微梁温度升高产生热应力,弯曲梁在热应力作用下自身回复力增加,实现了与基底间的脱粘附。讨论了温度载荷对修复粘附的影响,仿真发现相同尺寸的微悬臂梁较两端固支微梁实现粘附修复需要较小的热载荷。