MEMS微结构变形行为尺度效应的研究进展

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         微机电系统(MEMS)的超小体积及其独特的高智能集成系统,使其在机械、信息、生物医学及纳米技术等领域中有着广泛的应用前景。随着材料科学和微加工技术的发展,MEMS中的微小器件的尺寸往往是微米、亚微米甚至到目前已出现的纳米量级。但是,目前MEMS还没有做到真正意义上微构件合成和微机械的推广应用,主要原因是人们对微构件的物理特性和力学行为的尺度效应缺泛深刻的认识,没有形成一定的理论基础,对微构件的设计和分析只能凭经验和反复测试试探的方法,成为整个MEMS长足发展的“瓶颈”。在MEMS中最常见的微米尺寸悬臂梁驱动结构经常在制备或使用过程中因受到静态或循环载荷的作用而引起破坏,破坏的原因是由于结构尺寸偏小,微结构的弹性、塑性性能及宏观变形行为与尺度效应有关。因此,系统研究微小结构变形和损伤等力学行为的尺度效应对于保证这些微小器件的设计和安全可靠的使用具有十分重要的意义。本文就微结构的变形行为的尺度效应表观现象、理论基础和研究方法进行综述,对目前研究尺度效应的高阶理论和原理进行简要的介绍。

        2　非均质介质力学性能的尺度效应理论

        研究表明:微结构力学行为的尺度效应与其材料的微结构特性有关。非均质材料细观力学经过半个多世纪各国学者的不断努力,从不同的角度发展了许多方法来描述微结构与材料宏观性能的定量关系,基本共识是将非均质基体或均质化后的介质看作高阶连续介质。总的来说,在建立非均质材料有效性质时,人们是从以下4个不同的角度进行宏观性能的预测研究:1)普适关系:即寻求非均质材料有效性质必须满足的与其本身微结构无关的关系式; 2)界限理论:即由于无法得到材料的微结构分布的全部统计信息,就利用有限的微结构信息并借助最小势能或余能原理给出材料有效性能的数值预测范围;3)近似方法:主要思路是利用Eshelby椭球夹杂模型进行应力场的局部化等效; 4)计算细观力学:主要利用数值分析的方法更全面更细致地刻画材料微观结构。尽管上述细观力学方法在预测非均质材料有效性能时取得了巨大的成功,但这些细观力学方法都是基于经典的Cauchy连续介质理论,对材料特性做了理想化的均匀假设,不考虑材料本身具有的任何微结构的特征,没有能够将夹杂或微结构的尺度引入模型,因此,无法预测材料宏观性能与微结构尺度影响关系。而这种尺度的影响,一方面随着新型材料的涌现(如,金属基复合材料、泡沫基复合材料,纳米复合材料等),此时的夹杂尺度与材料基体的特征尺度量级对比发生了变化,可能会变得突出起来(对于多晶材料、金属基复合材料这种尺度的影响十分明显并早已被试验结果证实);另一方面,对微小构件系统,如,MEMS、薄膜、纳米结构等,由于夹杂或晶粒的尺度与结构的特征尺度(如膜厚)相当,这将导致晶粒的个性影响(包括尺度)就会变得突显出来。这种尺度参数的出现,本质上是不同尺度关系下非均质材料本构的非局部性的表现,为了描述这种现象必须对经典细观力学理论进行改造和推广。传统的细观力学方法是基于连续介质力学并在如下的尺度关系框架下建立起来的:      ,其中,L代表宏观结构尺度, l 指代表单元尺度,D代表夹杂特征尺度,而lm代表基体材料的特征(内部)尺度(如晶粒尺寸)。在这种尺度关系下,基体材料微结构的影响可用一个等效的具有局部性特点的Cauchy连续介质理论来描述;但当上述关系不满足时,如D≈lm(如,多晶材料、金属基复合材料、纳米材料等情况)时,即基体材料的微结构特征尺度与夹杂尺度相当,这时再将基体材料连续化成为均与介质时就必须考虑基体材料的这种微结构的特点,而不能简单地将基体材料简单地连续化成为一个无微观结构的传统的Cauchy介质,换句话说,应将其均质化成高阶的连续介质。