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《西安电子科技大学》 2004年
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MEMS及纳米接触研究

田文超  
【摘要】:本文系统的研究了MEMS的主要工作原理、工艺方法、主要存在的问题,重点讨论了严重影响MEMS性能、阻碍MEMS进入市场的纳米接触问题,并从物理力学领域出发,根据物质结构和固体物理学理论,详细分析了纳米接触的实质,提出一种工程实用的纳米接触力计算方法,为MEMS的结构设计提供理论依据,分析了AFM针尖同试样面的纳米接触力,为AFM实现原子操纵研究提供理论基础。主要工作如下: 1)分析了影响MEMS性能的粘附现象,提出了粘附现象的实质为物质间的纳米接触问题,并阐述了纳米接触问题的研究方法为量子力学法、分子动力学法和连续介质法,介绍了分子动力学和连续介质法的研究现状。 2)系统分析了MEMS的压容原理、压阻原理、静电原理、压电原理、隧道原理和形状记忆合金原理等工作原理:介绍了MEMS的平面加工工艺、体硅加工工艺、LIGA技术、准分子激光加工技术、分子操纵技术等MEMS工艺,提出了MEMS有待进一步研究的领域。 3)介绍了双原子势函数,重点分析了Lennard-Jones势,推导出Lennard-Jones势中的A、B常数的表达式,计算出双原子间引力最大位置和力平衡位置,阐述了微观连续介质的理论基础——Hamaker假设。 4)通过分析双原子间引力,发现Hamaker假设在距离近时不成立的现象;通过分析相对误差,得到Hamaker假设的定义域为接触距离大于7倍的原子半径的结论;计算了双原子的斥力,得到Hamaker假设的合力定义域为接触距离大于10倍的原子半径的结论。分析了Hamaker常数和数字密度,得到Hamaker常数和数字密度均随距离变化的结论。 5)提出了Hamaker假设的距离修正理论,首次对Hamaker假设进行了修正。分析了距离修正系数,并计算了修正系数对多原子修正时的误差变化规律,得到计算微观物质间作用力的连续介质法的计算式。 6)介绍了晶体结构和空间点阵,发现Hamaker假设模型中存在原子空隙,导致Hamaker假设1和Hamaker假设2存在矛盾,并由此介绍了W-S模型。 7)通过分析双原子模型,推导出体心立方体和面心立方体的引力、斥力空隙修正系数;进一步分析空隙修正系数发现,当距离趋向无穷远时,空隙修正系数等于W-S单元体积和原子体积比值的平方,由此得到Hamaker假设仅在距离无穷远处才成立的结论。 8)分析了W-S模型连续介质法对不同距离的原子修正时的误差变化规律,提出Hamaker假设的空隙修正理论,对Hamaker假设进行了第二次修正。提出纳米接触的W-S模型连续介质法的计算式。 9)建立了面心立方体结构的刚性平面同单原子之间作用力的离散模型,用离散法推导出单原子同刚性平面间的作用力表达式,通过大量仿真,从量上证实了对合力起作用的原子主要是接触区域附近的少数原子的结论。 10)用W-S模型连续介质法推导出单原子同刚性平面的作用力表达式,并同离散法得到的单原子——刚性平面作用力比较,通过仿真,比较两者的相对误差, MEMS及纳米接触研究 得到两种方法结果误差很小的结论,从而完善了W一S模型微观连续介质法的理 论基础。 11)用w一S连续介质法推导出AFM球型针尖同试样面的作用力,经过仿真 计算,并同实验结果比较,发现修正结果很明显,进一步验证了W一S模型连续 介质法的正确性。 12)推导出AFM圆锥针尖、四棱锥针尖、抛物面体针尖同试样面作用力的 表达式。通过比较引力、斥力的相对误差,得到圆锥、四棱锥和抛物面体针尖同 试样面的纳米接触力分别在接触距离大于2、2.5、3.5倍的原子距离时,可以不 考虑斥力对合力的影响的结论。仿真了三种常见的AFM针尖同试样面的粘着力。 13)基于分析力学的虚功原理,讨论了微悬臂梁的弹性力同粘着力间的粘 着稳定性;分析了非稳定平衡位置对微梁状态的影响;通过增加微梁刚度的方法, 分析了微梁为避免粘着现象发生,其结构尺寸所具有的关系,并给出了触点分别 为抛物面型、圆锥型和四棱锥型时的仿真结果,为工程实际微梁的结构设计提供 理论基础。 14)讨论了悬臂梁的动力响应,通过对微梁连续体的离散化,用有限元理 论仿真出悬臂梁末端同基座的粘附现象。 关键词:MEMS,纳米接触,粘着力,AFM,Hamaker假设,微观连续介质理 论
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TH703

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 张鉴;MEMS加工中电感耦合等离子体(ICP)刻蚀硅片的模型与模拟[D];东南大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 张秀艳;基于分子动力学模拟的纳米压痕技术研究[D];西安电子科技大学;2006年
2 徐大为;低压化学气相沉积模型与模拟[D];东南大学;2006年
【参考文献】
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【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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2 郑哲敏;;学习钱学森先生技术科学思想的体会[A];钱学森技术科学思想与力学论文集[C];2001年
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4 ;钱学森教授与近代力学教育[A];钱学森技术科学思想与力学论文集[C];2001年
5 朱如曾;;钱学森开创的物理力学之路[A];钱学森技术科学思想与力学论文集[C];2001年
6 钱令希;;工程结构优化设计[A];钱学森技术科学思想与力学论文集[C];2001年
7 童秉纲;;关于力学研究的方法论问题[A];钱学森技术科学思想与力学论文集[C];2001年
8 ;力学学科《学科发展与优先领域战略研究报告》[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
9 郑哲敏;;学习钱学森先生技术科学思想的体会[A];郑哲敏文集[C];2004年
10 刘则渊;陈悦;;新巴斯德象限:高科技政策的新范式[A];第6届东亚科技与社会(STS)国际学术会议论文摘要集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张雷;纤维相增强Cu-Ag合金的显微组织及力学和电学性能[D];浙江大学;2005年
2 张朝阳;纳秒脉冲电流微细电解加工技术研究[D];南京航空航天大学;2006年
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7 李锦明;高信噪比电容式微机械陀螺的研究[D];中北大学;2005年
8 夏建国;技术本科教育的理论与实践[D];华东师范大学;2007年
9 陈立新;力学期刊群的内外关系与学科结构[D];大连理工大学;2008年
10 丁金华;机械结构有限元动力优化设计的逆摄动方法研究[D];大连理工大学;2000年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘凤志;金、硒纳米微粒体系的光谱特性研究[D];广西师范大学;2003年
2 谢斌;MEMS仿生矢量水声传感器设计及其工艺研究[D];中北大学;2007年
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6 黄有旺;基于XML的MEMS加工工艺数据库设计与实现[D];西北工业大学;2005年
7 李亚平;分子动力学模拟氩原子团簇负热容[D];东北师范大学;2005年
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10 郝子宇;MEMS湿法腐蚀工艺的研究[D];河北工业大学;2005年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 梁春广,徐永青,杨拥军;MEMS光开关[J];半导体学报;2001年12期
3 魏华征,郭方敏,赖宗声,朱守正,朱自强,李小卫,程知群,孙晓玮;射频微机械开关的计算机辅助设计[J];半导体学报;2002年09期
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6 程未,曾晓鹭,卞剑涛,冯勇建;基于MEMS技术的微电容式加速度传感器的设计[J];传感器技术;2003年08期
7 陈光焱,吴嘉丽,赵龙;微机械G开关的研制[J];传感器技术;2005年06期
8 程东,严立,严志军;单晶Cu在纳米压痕过程中的微观破坏机制[J];大连海事大学学报;2005年02期
9 王阳元,武国英,郝一龙,张大成,肖志雄,李婷,张国炳,张锦文;硅基MEMS加工技术及其标准工艺研究[J];电子学报;2002年11期
10 朱瑛,姚英学,周亮;纳米压痕技术及其试验研究[J];工具技术;2004年08期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 赵强;基于MEMS技术的微型泵的研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2004年
2 王洪喜;微结构的静电驱动特性研究[D];西安电子科技大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李爱军;高密度等离子体刻蚀轮廓的数值研究[D];西安电子科技大学;2001年
2 何兰;微/纳米机电系统中的碳纳米管的机械性能研究[D];西北工业大学;2004年
3 李娟;CVD法采用TEOS-O_3沉积二氧化硅膜[D];河北大学;2004年
4 李幼真;PECVD法制备含氟碳膜工艺及机理研究[D];中南大学;2002年
5 金翠云;基于机器微视觉的MEMS平面微运动测试技术的研究[D];天津大学;2003年
6 周再发;用元胞自动机方法模拟硅的各向异性腐蚀[D];东南大学;2004年
7 樊康旗;基于两态稳定性的超高密度数据存储[D];西安电子科技大学;2005年
8 黄有旺;基于XML的MEMS加工工艺数据库设计与实现[D];西北工业大学;2005年
9 余才佳;MEMS系统级的跨平台建模技术研究[D];西北工业大学;2005年
10 张秀艳;基于分子动力学模拟的纳米压痕技术研究[D];西安电子科技大学;2006年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孙曦庆,谢会开,刘理天,李志坚,钱佩信;一种硅基集成微晃动马达[J];半导体学报;1995年02期
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3 孟军,茅盘松;微硅加速度传感器的发展[J];电子器件;1999年04期
4 陈德英,茅盘松;振动式微硅型加速度传感器的研究[J];固体电子学研究与进展;1999年02期
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6 张泰华,杨业敏,赵亚溥,余同希,孙庆平;微型材料的拉伸测试方法研究[J];机械强度;2001年04期
7 温诗铸,丁建宁;微型机械设计基础研究[J];机械工程学报;2000年07期
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10 陈致英;金属晶界力学性质的计算机模拟[J];力学进展;1991年02期
【相似文献】
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1 赵靖松;申海兰;;弹性纳米接触的研究方法[J];科技经济市场;2007年11期
2 戴世坤,徐世浙;MT二维和三维连续介质快速反演[J];石油地球物理勘探;1997年03期
3 李育超,凌道盛,陈云敏;Cosserat连续介质的Mohr-Coulomb屈服准则及其应用[J];浙江大学学报(工学版);2005年02期
4 吴小俊,袁亚雄,张小兵,杨均匀;两相流体力学的一种新模型──连续介质—动力学混合模型[J];工程热物理学报;1996年S1期
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6 王继荣,李军;连续介质动力学普遍方程式的张量表述[J];青岛大学学报(工程技术版);2001年04期
7 柴军瑞;论连续介质渗流与非连续介质渗流[J];红水河;2002年01期
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10 魏明果,周学良,刘建国;连续介质斜界面下的反射波成像方法[J];武汉水利电力大学学报;1999年03期
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6 朱爱军;邓安福;颜昌武;;DDA与流形元耦合计算方法及其应用[A];第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集(上册)[C];2006年
7 周瑞忠;周小平;吴琛;;数值方法进展:从连续介质到离散粒子模型——第十四届全国结构工程学术会议特邀报告[A];第14届全国结构工程学术会议论文集(第一册)[C];2005年
8 李世海;刘晓宇;张磊;张俊红;易大可;田振农;;基于连续介质力学模型离散元方法研究进展[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
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10 成名;刘维甫;刘凯欣;;延性材料动态断裂过程的离散元模拟[A];北京力学会第14届学术年会论文集[C];2008年
中国重要报纸全文数据库 前4条
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2 朱广菁;“有向介质理论”因何尘封近半个世纪[N];大众科技报;2004年
3 徐开先;传感器及仪表元器件2020年国货要占七成 [N];中国工业报;2004年
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1 田文超;MEMS及纳米接触研究[D];西安电子科技大学;2004年
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5 刘建华;岩体力学行为拉格朗日分析方法研究与工程应用[D];山东大学;2006年
6 路明;基于微观粒子的固体弹性常数及尺寸效应研究[D];机械科学研究总院;2009年
7 李海波;岩土力学连续介质本构模型研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
8 赵双良;对多孔介质中流体的研究[D];湖南大学;2007年
9 宋道红;光诱导光子晶格中涡旋光传播特性的研究[D];南开大学;2009年
10 曹志霁;离散—连续组合溶剂化模型的应用研究[D];厦门大学;2004年
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1 李瑞;热膜式气体质量流量传感器的研制[D];沈阳工业大学;2006年
2 方志华;MEMS工艺版图三维重构技术研究[D];西北工业大学;2004年
3 刘文辉;连续介质微观力学均匀化方法在粘弹性复合材料中的应用[D];湘潭大学;2004年
4 杨晓东;超精密测量光路中调焦位移共轴检测技术的研究[D];厦门大学;2008年
5 胡衡;薄板与圆柱薄壳在连续介质体力学中的比较[D];武汉理工大学;2003年
6 孙斐;基于CMOS集成电路的BCI微传感系统[D];天津大学;2008年
7 唐华锋;MEMS工艺集成化设计及其可视化[D];西北工业大学;2003年
8 何茂先;微结构气体传感器设计中的关键技术研究[D];南京工业大学;2006年
9 石金川;基于MEMS技术的钛酸锶钡铁电薄膜及可调电容器研究[D];上海交通大学;2008年
10 石颖;油井井下温度场的数值模拟[D];大庆石油学院;2004年
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