微电子机械系统力学性能及尺寸效应研究

论文摘要

本论文对微电子机械系统力学性能及尺寸效应等若干重要问题进行了深入系统的理论研究。微电子机械系统是日益发展的多学科交叉技术,其研究内容主要是微米量级的微机械和微装配的加工、设计和应用等问题。在微观领域,许多材料的力学性能呈现出显著的尺寸效应,与微器件或微系统特征长度L的高次方成比率的惯性力（L4）、电磁力（L3）等的作用相对减小,而与L的低次方成比率的弹性力（L2）、表面张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对加强,同时表面积（L2）与体积（L3）之比增大,热传导、化学反应等加速和表面间的摩擦力显著增大。目前,微细加工技术日趋成熟,微电子机械系统的基础理论研究相对落后,已成为该学科继续发展的“瓶颈”,其中,材料机械性能的研究又落后于电学性能的研究,材料的力学性能需要精确的评价,尺寸效应问题尤为突出。系统研究了尺寸效应问题,详细分析了尺寸效应内涵,并按照不同的物理量对尺寸效应进行分类。提出了广义和狭义尺寸效应,建立了狭义尺寸效应的泛函分析数学模型,从泛函的绝对值、相对值和尺寸灵敏度三个方面对模型进行分析,应用实例解释了该模型。提出了尺寸的正效应、负效应和零效应及其判椐,保持了尺寸效应在宏微观领域的连续性和完整性。已有尺寸效应研究局限于单个力学性能的定性分析,该数学模型突破这一局限性,可应用于多个不同力学性能甚至其它物理量的分析,并且,应用该模型还可以对尺寸效应进行精确的定量分析。应用光刻等技术加工了六组不同尺寸的单晶硅桥式微梁试件,梯形截面的试件可代表矩形、方形等截面的常见微梁。采用纳米压痕法对试件进行弯曲测试,获取载荷、位移等重要实验数据,该法适用于弹塑性材料,且可同时获取弹性模量、硬度和弯曲强度等多种力学性能参数。理论分析表明,单晶硅的平均弹性模量为170.295±2.4850GPa,没有呈现尺寸效应;弯曲强度在3.24 -10.15GPa范围内变化,有较强的尺寸效应,平均硬度为9.4967±1.7533GPa,尺寸效应不太明显。对桥式微梁的弯曲强度进行了Weibull分析,并应用Griffith理论对桥式微梁的断裂特性进行分析,给出了应变设计准则,为硅微构件的可靠性分析提供依据。基于产品创新设计的QFD需求,建立了QFD/TRIZ/FUZZY集成模型,选取材料强度和材料变形作为设计的主要技术矛盾,对微摩擦测试仪力传感器的微梁结构进行了尺寸优化设计,该方法首次提出将管理学科的理论知识应用到微电子机械系统的产品设计,充分体现了微电子机械系统的多学科交叉的特点。研究了微电子机械系统的残余应力,对热失配应力和本征应力进行了详细分析。比较了残余应力的几种主要测量方法及其基本工作原理,指出每种方法的优缺点,探讨了残余应力的释放和控制,合理地解释了相变材料的复合韧化现象。该研究结果对微电子机械系统产品设计和应用中残余应力因素的考虑具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 MEMS 及其发展
• 1.1.2 研究力学性能及尺寸效应的意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.2.3 力学性能测试方法
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 MEMS 尺寸效应的分析模型及应用
• 2.1 引言
• 2.2 尺寸效应的内涵
• 2.2.1 尺寸效应的基本概念
• 2.2.2 尺寸的范畴
• 2.2.3 尺寸效应的研究目标
• 2.3 尺寸效应的分类
• 2.3.1 尺寸的相对性和绝对性
• 2.3.2 几何尺寸效应
• 2.3.3 力的尺寸效应
• 2.3.4 其它物理性能的尺寸效应
• 2.4 尺寸效应的数学模型及其分析
• 2.4.1 广义尺寸效应和狭义尺寸效应
• 2.4.2 狭义尺寸泛函
• 2.4.3 基本初等函数表示的尺寸效应
• 2.4.4 复杂函数表示的尺寸效应
• 2.4.5 分析模型的应用举例
• 2.5 本章小结
• 3 单晶硅微桥式梁力学性能的弯曲测试及尺寸效应分析
• 3.1 引言
• 3.2 梯形截面的几何特性
• 3.2.1 梯形截面的形心
• 3.2.2 梯形截面的惯性矩
• 3.2.3 惯性矩的尺寸效应分析
• 3.3 单晶硅微桥式梁试件加工
• 3.3.1 硅材料的特点
• 3.3.2 微细加工和集成制造
• 3.3.3 微桥式梁的加工工艺
• 3.4 微桥式梁的支反力及弯矩
• 3.4.1 微梁的力学假设
• 3.4.2 微桥式梁的支反力
• 3.4.3 微桥式梁的弯矩
• 3.5 微桥式梁的弯曲测试及力学参数计算
• 3.5.1 微梁的弯曲测试
• 3.5.2 微硬度计算
• 3.5.3 单晶硅的弹性模量
• 3.5.4 多晶硅的弹性模量
• 3.6 实验结果分析
• 3.6.1 微梁样品的几何参量
• 3.6.2 微梁弯曲测试结果
• 3.7 本章小结
• 4 单晶硅微桥式梁弯曲强度的Weibull 分布及断裂特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 阵列微梁样品
• 4.3 单晶硅微桥式梁弯曲强度
• 4.3.1 弯曲强度的线弹性分析
• 4.3.2 弯曲强度的Weibull 分析
• 4.3.3 Weibull 参量的最大似然估计值
• 4.3.4 弯曲强度的统计分析
• 4.3.5 弯曲强度的尺寸效应
• 4.4 单晶硅微桥式梁弯曲断裂特性分析
• 4.4.1 脆性材料的理想化断裂
• 4.4.2 Griffith 断裂理论
• 4.4.3 Griffith 理论修正
• 4.4.4 微梁试件的断面
• 4.4.5 单晶硅微梁断裂的应变设计
• 4.5 本章小结
• 5 基于QFD/TRIZ/FUZZY 集成技术的微摩擦测试仪力传感器尺寸优化
• 5.1 引言
• 5.2 QFD/TRIZ/FUZZY 集成创新设计数学模型
• 5.2.1 QFD 质量功能配置方法
• 5.2.2 解决冲突问题的TRIZ 理论
• 5.2.3 模糊层次分析法
• 5.3 基于QFD/TRIZ/FUZZY 集成技术的微摩擦测试仪力传感器尺寸优化
• 5.3.1 微摩擦测试仪力传感器的质量屋
• 5.3.2 技术冲突矛盾的解决方案
• 5.3.3 基于FAHP 的设计评价
• 5.4 本章小结
• 6 MEMS 残余应力分析
• 6.1 引言
• 6.2 薄膜残余应力
• 6.2.1 热膨胀系数
• 6.2.2 热失配应力
• 6.2.3 本征应力
• 6.2.4 单层薄膜和多层薄膜残余应力
• 6.2.5 残余应力梯度
• 6.3 残余应力的测量方法
• 6.3.1 谐振频率法
• 6.3.2 鼓泡法
• 6.3.3 拉曼光谱法
• 6.3.4 X 射线衍射法
• 6.3.5 微悬臂梁法
• 6.4 残余应力的释放和控制
• 6.4.1 残余应力的释放
• 6.4.2 残余应力的控制
• 6.5 本章小节
• 7 结论与展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的主要论文及成果