MEMS亟待解决的七个问题

　　1　引　　言

　　自美国加利福尼亚大学伯克利分校于1987年首次研制成功转子直径为120μm的静电微马达至今,MEMS (Micro Electromechanical Systems)已经走过17年,然而MEMS真正形成的产品却并非如当初所预料的那样乐观。文中讨论目前严重制约MEMS发展的粘着、静电力计算、微流、纳米摩擦、检测、薄膜应力和表面粗糙度7个亟待解决的问题。

　　2　粘着问题

　　当构件尺寸从1mm减小到1μm时,面积减小因子为106倍,而体积减小因子为108倍,这样正比于面积的粘附力同正比于体积的作用力如惯性力、电磁力相比,增大了数千倍而成为MEMS的主要作用力。因此,在宏观领域常被忽略的粘附力在MEMS中必须考虑。实验证明,微表面静止接触或两表面间隙处于nm量级时,由于表面粘附力使两表面粘附在一起,这不仅使微器件的性能受到严重影响,甚至动作失效,而且在微构件的制造中,是造成废品的重要因素,并直接导致MEMS的一次成功率低,成本大。图1为Bhushan实验室研制叉指电容时拍摄到的扫描电镜图,图中下方的悬臂梁同基座粘附在一起[1]。

　　粘附力控制的好坏,已成为MEMS减小废品率,提高性能,走向市场的关键因素之一。然而,至今未见能解释MEMS粘附现象的令人信服的理论。没有这方面的理论,就无法使MEMS作为交叉边缘学科走向成熟,而仅仅停留在宏观尺寸的比例缩小范围内。笔者通过对Hamaker三个假设进行间距和空隙修正,提出一种W-S模型的微观连续介质理论的粘附力计算方法[2]。

　　3　静电力问题

　　静电力作为MEMS的主要驱动力,在MEMS的研究中具有不可替代的作用,(1)式为无限大平板电容表达式。当外界激励导致d或s发生变化时,由(1)式可知电容产生相应的变化。因此通过检测电容的变化量,可检测到外界的激励量。同时,通过改变极板两端电压,可驱动极板运动。

　　c=εs/d           (1)

　　根据(1)式计算静电力是MEMS目前的主要方法,且已被人们广为接受了,然而仔细分析不难发现,随着MEMS特征尺寸的减小,MEMS极板模型已不符合无限大平行板电容模型。

　　针对MEMS极板电容及静电力计算问题,应根据支配静电场的拉普拉斯方程和位移间距和电压边界条件,首先求出电荷及电场在极板中的分布情况,再通过库仑定律积分求得静电力。图2为用有限元方法求得圆形极板中的电场分布。由图2可以看出,极板边缘的场强大于中间的场强。

　　4　微流问题

　　在微管道中流体是否呈现线性阻碍性?这个问题引起了人们的争论。微观流体力学的建立,将促进微流系统、微机器人、微传热学等领域的研究。微观流体力学的研究正受到人们越来越多的重视。在微流系统中,标征粘性力和惯性力之比的雷诺数Re很小,然而MEMS中当流动介质的特征尺寸接近平均自由程的尺寸量级时,尺寸已小到需要对流体的粘性加以修正的地步。特征尺寸处于μm量级时,液体的流动特性就会偏离Navier-Stokes方程,如何建立微观流体理论,是亟待解决的问题。