MEMS纳米接触的多尺度分析

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微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)是将电子和机械部件集成在一起的一种微型集成设备或系统,能够在纳观尺度下单独执行或同时执行驱动、感知和控制等功能。与传统机械系统不同,表面效应在MEMS中占主导地位,粘着和摩擦是决定MEMS性能和可靠性的重要因素。粘着是MEMS中的一种主要的失效形式,也是造成MEMS低合格率的主要原因。粘着接触问题的研究对MEMS的设计与使用具有重要的意义,本文采用准连续介质(QC)法研究了镍压头与单晶铜基体之间的纳米粘着接触问题。首先,基于QC法建立了光滑表面接触模型,研究了接触过程中的微观变形机制。接触过程中接触边缘附近的基体出现了“挤出”现象。接触过程中,压头下方的铜基体内部形成的“面角位错”阻碍了铜基体内部位错的运动,弹性变形在整个接触过程中占主导地位。对接触载荷、接触半径-位移曲线和接触区域应力分布进行了详细的分析。此外,简要回顾了Hertz、Johnson-Kendall-Roberts (JKR)和Maugis-Dugdale(M-D)经典接触理论,并验证了这些经典理论在纳米接触问题中的适用性。综合分析表明, M-D理论能够较准确的描述纳米接触过程中接触半径与接触载荷之间的关系。由M-D理论获得的应力分布曲线与由QC法得到的曲线基本吻合。由于粘着效应的存在,在压头下方与铜基体非局部区域的相邻部分出现了一个较小的不规则的拉应力区。其次,采用QC法模拟分析了单粗糙峰接触过程的微观变形机制,接触模型中粗糙峰与压头的尺寸在一个量级上。研究了载荷-位移响应曲线和接触面积-载荷响应曲线。载荷-位移响应曲线存在大载荷突降和小载荷突降,它们对应两种不同变形机制。发生小载荷突降时基体内部形成新的位错,而大载荷突降发生时基体内部原先形成的位错被破坏,同时出现大量的原子迁移。对比分析表明,单粗糙峰有效削弱了压头与基体之间的粘着效应。由M-D理论得到的接触面积-载荷曲线与相应的QC曲线之间存在较大的差异,这是因为在接触过程中单粗糙峰发生了较大的塑性变形且存在大量的原子迁移,而M-D理论没有考虑这些因素,这意味着M-D理论不能用于描述单粗糙峰接触问题。最后,基于QC法,建立了压头初始位置在中间粗糙峰正上方(=0)和压头初始位置在左侧两粗糙峰之间的波谷正上方(=-L)的两个具有不同压头初始位置的多粗糙峰接触模型。模拟结果显示,这两个接触模型在接触过程中的微观变形机制不同。=0接触模型中基体的变形主要为孪晶变形,而=-L接触模型基体内部在接触过程中形成了许多间隔分布的“面角位错”,抑制了孪晶变形的发生。此外,在接触过程中这两个接触模型的基体变形都是不对称的。基于QC模拟结果,研究了光滑表面接触模型、=0接触模型和=-L接触模型的纳米硬度-位移响应曲线。最后,采用Oliver-Pharr方法估算了这三个模型在位移最大处基体的纳米硬度,并将估算结果与QC模拟结果进行了对比。结果表明,对于光滑表面接触模型,采用Oliver-Pharr方法估算基体的纳米硬度比QC结果要高30%左右。而对于多粗糙峰接触模型,Oliver-Pharr方法能较好的估算基体的纳米硬度,只有约5%的误差。同时,无论采用何种计算方法,=-L接触模型的基体硬度比=0接触模型中基体的硬度要高20%左右。
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