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量子效应对微纳机械系统稳定性的影响

童梓洋  
【摘要】: Casimir效应是一个纯粹的量子效应,它是真空电磁场中因边界条件的变化而使零点能涨落所引起的效应,是量子真空对边界的依赖的一个直接表现。它表现为真空两平行金属板之间的一个吸引力。虽然Casimir力看起来非常微弱,但在低于微米的距离内,Casimir力却成为两个物体之间的最强力。例如,在10纳米的距离上,Casimir力产生的作用相当于一个大气压。 在MEMS/NEMS稳定性的研究中中遇到的一个重要问题就是粘附效应(stiction),当两块微/纳构件之间的距离减小到一定程度,就会突然粘附到一起,而且是不能复原的,就会导致器件失效。在亚微米量级,Casimir效应就是造成粘附现象的最主要的原因之一。 本文第一,二章介绍了电磁场真空零点能与Casimir效应的关系以及真空中平行的理想导体板之间量子电磁场的Casimir力,介绍了一些重要的有关Casimir力的实验方法和Casimir效应在物理学中不同的研究领域的应用。 第三章对一个一维集总的微纳机械开关结构进行建模分析,讨论了在Casimir效应下系统的稳定性问题。发现开关模型的两平行金属板之间存在一个临界初始距离(pull-in gap),当两平板之间的距离小于此值,粘附现象就会发生。当加在平板之间的电压达到一个临界值时(pull-in voltage),两平板也会粘附在一起,造成失效。 第三章中我们全面分析了材料性质——材料的导电性,表面粗糙程度和环境温度对于Casimir力的影响,并带入到微纳机械开关稳定性的分析中并讨论了开关参数是如何随材料性质的变化而变化的。随着板间距离的缩小,材料导电性和表面粗糙程度的影响越来越大,在亚微米范围已经不能忽视。而当两板之间的距离为几个微米时,温度对于Casimir力的影响是很大的,当板间距离减小到微米以下时,影响则比较小。 第四章计算了微纳机械开关结构中两个十分重要的临界参数(pull-inparameters)——临界电压(pull-in voltage)和临界距离(pull-in gap)。并在计算中引入Casimir力的各项修正因子,着重讨论了材料性质和环境温度对于微纳器件稳定性和临界参数的影响。 第五章介绍了声场Casimir效应的产生机制,除了由零点电磁场(zero-point field)Casimir效应,声场Casimir效应对于微纳器件的稳定性也有着不可忽视的影响。由于声场Casimir效应的引入,温度的影响也变得十分重要。 在微/纳机械系统的制造中,通过选择不同的材料和控制环境的温度可以极大地改善系统的稳定性。


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1 童梓洋;量子效应对微纳机械系统稳定性的影响[D];华东师范大学;2008年
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