浅析微电子机械系统的力学问题

杨秦天

摘 要：现阶段，力学问题广泛存在于微电子机械系统当中，对这些力学问题的分析和研究工作是促进微电子领域持续创新和发展的关键。本文就微构件材料的基本力学性能研究作出了阐述，分析了计算微构件的力学问题，深入探讨了微电子机械系统中的各种力学问题。希望通过本文的分析，能对微电子机械系统中的力学问题给出有效的见解。

关键词：微电子;机械系统;力学问题;研究分析

一、引言

随着加工制造业的更新迭代，微电子机械系统（MEMS）的应用已在我国广泛普及，是当下行业与企业持续关注的话题。在MEMS当中，力学问题举足轻重，需要对其进行深入的研究，以思考解决这一系列问题的方法。通过这样的分析和研究，最终实现MEMS的高效性以及最大价值。

二、微构件材料的基本力学性能

通常情况下，材料的微观组织结构，是决定着材料力学性能的关键所在，也就是说，材料力学性能要发生明显变化，是依照材料微观组织的结构特征发生尺度上的变化而决定的。这种因由结构特征发生变化而造成的性质变化现象，一般被叫作机制性的尺度效应。而在这种尺度效应下，纳米铜在室温之中呈现出来的超塑性得以实现。如今的MEMS当中，一般采用薄膜工艺完成构件材料的制备工作，借由工艺过程当中众多因素的影响，所以就算是一样的薄膜材料，力学性质通常也会体现出较大的差异性。对于一些质量要求较高且精度要求较高的MEMS设计来说，这些因素是尤为重要的。故此，需要在注意到各种相关因素的情况下进行微构件材料力学性能的研究，并且把力学分析、模拟以及实际测试结合起来，才可以找出并修正不同的影响，从而让数据更加真实细致。

三、分析计算微构件的力学问题

对微机械构件的各种不同变化以及其运动规律的高效掌控，对微尺度之下表面与尺度效应的掌控，都是MEMS技术当中最主要也是比较难的问题，这也是设计功能得以实现的重要基础。此外，在MEMS中采用微构件作为谐振件时，设计的一大要素便是固有频率。在分析微构件的动力学过程中，空气对微构件运动时造成的阻力，以及结构上和温度变化上造成的阻力，都会使得固有频率产生改变，并且可以致使性能参数失稳等。值得一提的是，在微构件的力学分析过程中，还必须重视残余应力这个方面。整体来说，顾及到微尺度当中各种不同的力的运用机制，显现微系统之中表现出的各种影响要素，多种非线性因素存在的构件变形变化的规律以及研究运动的规律，都是极为重要的。

四、微电子机械系统中的力学问题

（一）粘附问题

所谓粘附问题，实质就是微构件所具有的回弹力对表面中近距离的接触活动发生时产生的粘着力不能有效克服。微电子机械系统中发生粘附问题的现象有很多，比如在加工过程当中结构的释放，周围的环境温度发生变化，以及在运行当中表面产生近距离的接触等。有效降低表面接触过程中的粘着力，并且提升机械构件所含弹性的恢复能力，是预防粘附问题的基础思想。

事实证明，微尺度之下的表面能和表面力确定着表面接触的变化以及粘着。因为存在表面力，所以实际的接触面会变大，就算是零载荷状态，也会致使接觸变形。现有的JKR和DMT等模型，是基本的模型，是对经典Hertz接触理论实施所谓计入的表面力修正工作。应对单峰的接触，可以应用这些基本模型及其理论。眼下，对于抗粘附的相关研究当中，接触表面改性，从而降低粘附力这种技术是最为高效的。基本的方式包含自组装单分子膜，还有氮化硅固体膜，以及表面疏水层、物理修饰等。

（二）微构件当中的疲劳磨损以及破坏

在微尺度之中，表面粗糙程度所起的作用就像细小的裂纹一样，要研究疲劳破坏这个问题，就需要注意粗糙度所造成的影响。仔细观察力学对于微米尺度和亚微米尺度材料细观本构的关系研究，就可以研究到细小裂纹扩展的过程和破坏的现象，这是作为微构件相关疲劳研究的理论基础。微构件相关防磨损的工作，是为了保障系统长久且稳定的运作。美国的Sandia实验室在研究微型发动机时，从中得出，摩擦表面出现磨损或者咬死现象，是构件发生失效的一大主要因素。通过研究还发现，若周围环境达到50%的湿度时，磨损比较低且粘附也比较低，这是由于摩擦副当中吸附水膜将表面实施了钝化工作，所以形成润滑的意义。在这当中，要是湿度上升，那么粘附几率就会加大，若湿度下降至10%左右的时候，摩擦表面就可能发生严重的磨损。因此，微尺度之下所出现的磨损问题，在力学模型当中，必须全面考虑到表面的粗糙问题、环境湿度问题以及化学和物理各方面的因素问题。

（三）多层材料之间发生层间脱裂的问题

介于加工工艺对微机械所造成的限制，当前的单层型结构的多晶硅构件仅仅只能完成有限的运动以及变形工作，双层的还可以被制成可旋转的齿轮，而要到三层结构的才可以被许可装配设计。不过，多层结构的材料常常出现脱裂问题。要解决这个问题，减少残余应力以及加大界面当中的吸附力，并且降低接触面的排斥力这些方面都是关键所在。

总而言之，对抗粘附的研究想要完成对构件“活动起来”这种问题的解决，必须要结合弹塑性力学以及接触力学的相关理论，再加上对构件回弹和接触两力的控制。而实施减少摩擦的研究，为的是解决构件之中“平稳运动”这个问题，这需要涉及到动力学加上润滑力学，对构件运动的相关规律进行掌控。想让构件使用期限够长，解决这个问题需要抗疲劳研究以及对防磨损方面的研究。还有众多有价值的研究，都需要与微电子机械系统紧密结合起来。

五、结束语

美国是MEMS产业、技术和产品的发源地，其发展水平在世界处于领先地位。由于我国MEMS产业起步较晚，MEMS产业还处于发展的起步阶段，我国MEMS传感器产品在力学问题的研究中与国外存在巨大差距，应用范围也多局限于传统领域。对微电子机械系统中力学问题的分析研究，是目前必须重视的一项研究，它关系着这个系统的发展前景。只有通过大量实验研究，仔细分析MEMS中存在哪些力学问题，采取有效策略解决这些问题，才能使MEMS这种系统的应用实现高效化。

参考文献：

[1]陈文涛.关于微电子机械系统的力学问题分析[J].科学中国人.2015，12.

[2]王志宏.微电子机械系统技术与应用领域研究[J].电子技术与软件工程.2014，20：122.