MEMS尺寸效应的分析模型及应用

　　0　引言

　　目前,微电子机械系统(MEMS)[1~4]的制造工艺相对超前于基础理论,主要的微细加工有表面加工、体加工和LIGA等技术[5]。利用现有工艺不仅可以加工多种微传感器和微执行器,还可设计制造出运动的微型机器人[6]。但是,各种微器件有机结合成真正意义上的MEMS,还有相当的难度,如何建立MEMS等效机构的失效模型尚未得到有效解决[7]。究其原因,人们对微观条件下MEMS器件的运动规律、物理特性和受载之下的力学行为缺乏充分的认识,没有形成基于一定理论基础之上的MEMS设计理论方法[8],只能靠传统方法进行试探性研究。研究人员采用多种技术测定微结构的材料性能[9~12],但是,MEMS基础理论研究远远不能满足人们的需要,这已成为MEMS进一步发展的“瓶颈”,需要进行系统性研究。

　　1　尺寸效应的内涵

　　MEMS不仅指以微小尺寸和工作空间为特征,更重要的是,MEMS具有自身独特的理论基础,微器件中的物理量和机械量等在微观状态下呈现出异于传统机械的特有规律,这种变化可被定义成广义尺寸效应,即通常所说的尺寸效应[13,14]。在微观领域,与特征尺寸的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小,而与特征尺寸的低次方成比例的弹性力、表面张力和静电力的作用显著,表面积与体积之比增大,因而微机械中常常采用静电力作为驱动力[15]。MEMS理论基础的研究领域都包含有一个共同的特征———“微”,说明尺度因素是MEMS设计中的主导因素。

　　以尺寸效应作为MEMS理论基础的主要研究内容,既可以突出研究重点———构件的微型化,又给出了MEMS所涉及各学科之间的联系,即微型化的构件产生的效应使其具有自身独特的性能,导致在各学科领域产生新的问题。因此,研究MEMS的基础理论,必须研究尺寸效应。

　　研究MEMS设计中的尺寸效应的目标有三个方面:①充分认识哪些宏观领域理论可以沿用,这些理论所占比例较大,起着重要的作用,如三点弯曲测试过程中,若第一主应力沿长度方向且试件的长宽比、长厚比大,弹性模量和失效强度的评价公式仍然适用[16];②了解随着特征尺寸的不断减小,在宏观领域不太明显的量,其相对作用显著增强,如静电力和表面张力等;③研究人员更为关心的是宏观理论对哪些量不再适用,如介质连续性理论在微观领域不成立[17],需要重新修正。研究手段采用传统方法,即实验、计算机模拟仿真和理论建模。

　　在广义尺寸效应中,有些量的变化不能用数字来表示,如晶格层错、介质不连续等,为了深入研究,在微观领域,当尺寸变化时,将机械量或物理量的变化用数字可度量的现象称之为狭义尺寸效应。在狭义尺寸效应中,量的变化从总体上可分为增大或减小,相应地,尺寸效应定义成正效应和负效应,没有变化则可看作是零尺寸效应。在MEMS研究领域,人们较多地关注尺寸的负效应,因为这正是两个不同领域的主要差异所在。