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《西安理工大学》 2006年
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微电子机械系统力学性能及尺寸效应研究

韩光平  
【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。
【学位授予单位】:西安理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TH703

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