微电子机械系统的力学特性与尺度效应

针对微电子机械系统（MEMS）材料的力学特性,工艺过程对力学特性的影响以及微执行器、微机器人的尺度效应等力学问题进行了研究。从力学角度提出了硅和常用的薄膜材料作为MEMS结构材料时应遵循的设计和加工原则,并系统地分析、归纳了静电、电磁、压电、形状记忆合金等各种微执行器的尺度效应特征。通过对机器蚂蚁、微型飞机、微型机器鱼等微机器人在微尺度下的动力学特性分析,得到微机器人在尺寸越小时越容易被驱动的结论,为设计和制作微机器人等复杂微系统提供了理论依据。     

微机电系统的机械学特性研究

目前微机电系统的研究成果主要侧重于制造加工工艺方面，而对微机电系统机械学特性的系统研究则显缺乏。在概述微机电系统发展状况的基础上，归结分析了微机电系统在组成结构、材料特性以及力学行为等方面异于宏观机械的一些新特征，并探讨了微机电系统的机械学特性。     

微拉曼光谱技术及其在微结构残余应力检测中的应用

多孔硅薄膜，硅基底结构是微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)中的一个基本组元，其厚度为微米量级。由于薄膜与基底材料之间存在着晶格错配，在薄膜，基底间的界面上会出现残余应力，严重时会导致裂纹出现而发生断裂。微拉曼光谱法(micro-Raman spectroscopy，MRS)是近些年来在化学、物理、材料和力学等学科领域迅速发展的光学测量方法。文中对这一方法进行介绍，并且用来测量化学腐蚀多孔硅薄膜结构的残余应力，发现随着孔隙率的增加，多孔硅表面的拉伸应力逐渐增大。特别对某一样品出现裂纹区的拉曼测量表明，在裂纹区的残余应力急剧上升，达到了0．92GPa。使用金相显微镜观察不同孔隙率的多孔硅薄膜表面的微观形貌，这种不同程度的微观孔穴结构与残余应力的分布存在着紧密的联系。     

SiC薄膜制备MEMS结构

采用PECVD方法制备了无定形SiC薄膜,在此基础上,以SiC为结构层,利用传统的表面硅牺牲层工艺制作了电容式谐振器以及薄膜残余应力的在片检测结构。对SiC的MEMS结构进一步进行了长时间的腐蚀,以获得SiC材料的腐蚀特性。对SiC材料的力学特性进行了研究。深入探讨了退火工艺、薄膜硅碳原子比对SiC薄膜力学特性的影响,同时对薄膜硅碳原子比与制备工艺参数(包括硅烷、甲烷流量)之间的关系进行了实验研究。     

微型机械材料的力学特性测量

概述了国内外MEMS材料力学特性的测量原理、方法和特点,主要包括弹性模量、残余应力、疲劳特性、破坏强度的测量,为微机电系统的设计和制造提供有益的参考。     

微电子机械系统中的残余应力问题

残余应力一直是微系统技术（MST）发展中一个令人关注的问题,它影响着MEMS器件设计、加工和封装的全过程。文中考虑薄膜中残余应力的起源,介绍测量残余应力的主要方法,并就计算薄膜中残余应力的Stoney公式及其推广形式作了详细的讨论,针对微尺度下残余应力对MEMS结构力学行为的影响,例如屈曲和粘附等进行了初步的分析。     

用于微机械的形状记忆合金薄膜工艺研究

形状记忆合金薄膜以其功密度高、输出力和位移大成为微型机电系统领域最有潜力的微驱动材料之一。研究了丝材冷轧和溅射薄膜工艺 ,获得了理想的 Ti Ni薄膜 ,对于溅射工艺 ,给出了增加溅射薄膜中 Ti含量的一种新途径 ,并应用原子力显微镜对薄膜进行了微观形貌分析。     

TiN薄膜的残余应力调控及力学性能研究

残余应力是制约物理气相沉积（Physical vapor deposition,PVD）硬质薄膜厚度的关键因素。采用多弧离子镀技术在高速钢基体上制备了厚度从3.7 m到15.5 m的TiN薄膜,结合曲率法和有限元法研究残余应力及结合性能随膜厚的变化规律。结果表明,随着膜厚的增加,基片弯曲程度加剧,而薄膜平均残余应力降低;膜层内残余应力的整体水平决定了界面切应力大小,薄膜结合性能随界面切应力的增加而降低。增加基体偏压、降低工作气压均导致薄膜内部残余应力的升高。当残余压应力较高时,TiN薄膜具有细小、致密的柱状晶结构,并呈现（111）择优取向,薄膜硬度及断裂韧度较高,耐磨性能良好。研究结果提示我们,通过残余应力的调控可提高硬质薄膜的力学特性。     

微机电系统(MEMS)纳米摩擦学研究进展

随着微型机电系统(MEMS）的快速发展，MEMS摩擦学已成为当前纳米摩擦学研究中最活跃的前沿领域之一。微观尺寸上的摩擦磨损和润滑对整个MEMS系统的性能、稳定性和寿命起着决定作用，因此研究MEMS的微观摩撩学性能至关重要。本文对近年国内外MEMS摩擦学研究的新进展作了综述，介绍了MEMS系统的纳米摩擦学特性，讨论了包括环境条件、材料处理、表面改性、分子超薄膜润滑等在解决MEMS摩擦和润滑问题上的研究状况，提出了当前相关研究的几个重要问题。     

微力电系统中多层膜的端部应力集中

微电子技术的发展对其本身及封装的结构可靠性提出了更高的要求，微机械的出现又使得微电子－机械元器件的电学行为和力学行为密不可分，从而扩展成为一个统一的微力电系统，微力电系统的强度问题主要是多层膜在制造和使用过程中，由于不同材料热学与力学参量的失配引起的残余热应力，特别是在界面和端部的应力集中，本文应用有限元方法分析了在不同的端部几何形状和组合形状下，多层膜中应力沿界的分布，对于微电子元件在成型过程中     

Mechanical characterization of micro/nanoscale structures for MEMS/NEMS applications using nanoindentation techniques

Mechanical properties of micro/nanoscale structures are needed to design reliable micro/nanoelectromechanical systems (MEMS/NEMS). Micro/nanomechanical characterization of bulk materials of undoped single-crystal silicon and thin films of undoped polysilicon, SiO(2), SiC, Ni-P, and Au have been carried out. Hardness, elastic modulus and scratch resistance of these materials were measured by nanoindentation and microscratching using a nanoindenter. Fracture toughness was measured by indentation using a Vickers indenter. Bending tests were performed on the nanoscale silicon beams, microscale Ni-P and Au beams using a depth-sensing nanoindenter. It is found that the SiC film exhibits higher hardness, elastic modulus and scratch resistance as compared to other materials. In the bending tests, the nanoscale Si beams failed in a brittle manner with a flat fracture surface. The notched Ni-P beam showed linear deformation behavior followed by abrupt failure. The Au beam showed elastic-plastic deformation behavior. FEM simulation can well predict the stress distribution in the beams studied. The nanoindentation, scratch and bending tests used in this study can be satisfactorily used to evaluate the mechanical properties of micro/nanoscale structures for use in MEMS/NEMS.     

硅基PZT压电功能结构研究

PZT压电薄（厚）膜是制备MEMS传感元件和执行元件重要的功能材料,对近年PZT薄（厚）膜在MEMS领域的研究现状进行了分析,提出了一种新型的双杯PZT/Si膜片式功能结构;采用有限元方法对双杯PZT/Si膜片进行了结构优化,得到PZT和上、下硅杯的结构优化值为DPZT: D1:D2 =0.75:1.1:1;一阶模态谐振频率为13.2KHz;以氧化、双面光刻、各向异性刻蚀,以及PZT厚膜丝网印刷等工艺技术制作了双杯硅基PZT压电厚膜膜片,该膜片具有压电驱动功能。双杯PZT/Si膜片式功能结构的MEMS技术兼容性好,对芯片内其它元件或电路的影响小,适合作为MEMS片内执行元件的驱动机构。     

微机电火工品薄膜结构换能元

为了满足MEMS火工品的小型化、集成化和低能发火等要求,本文基于MEMS技术,设计了一种平面"蛇"形结构的薄膜换能元,采用磁控溅射等MEMS薄膜制作技术,完成了不同薄膜桥区电阻和基底材料薄膜换能元样品的制备,采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM),低电阻测试仪、红外热像仪等设备,完成了不同换能元样品结构(薄膜桥区线宽、长度及厚度等)及性能(电阻、电热响应等)参数的测试与表征。通过分析研究,获得了薄膜桥区电阻材料、基底材料、薄膜厚度以及桥区结构形状对换能元性能的影响规律,优选确定以金属Pt和7740玻璃作为换能元电阻及基底材料,发火性能达5V/33μF,满足MEMS火工品的低能化要求。     

基于微机电系统技术的微型热电致冷器研究进展

介绍热电材料、热电器件的原理及发展历史,从材料及结构两方面,对基于微机电系统加工工艺的微型热电致冷器的最新研究进展进行综述,比较不同材料及不同结构的性能特点,对块体热电材料和低维热电材料的研究进展进行介绍,着重分析超晶格薄膜材料及Cross-Plane型器件,指出研究具有更高优值系数的新型材料,在维持Seebeck系数不变的同时提高电导率并降低热导率,及采用新的加工工艺优化致冷器的结构,减小接触电阻、接触热阻等,是提高热电致冷器性能的有效手段。     

Prediction of residual stress distribution in multi-stacked thin film by curvature measurement and iterative FEA

In this study, residual stress distribution in multi-stacked film by MEMS (Micro-Electro Mechanical System) process is predicted using Finite Element method FEMi. We develop a finite element program for residual stress analysis (RESA) in multi-stacked film. The RESA predicts the distribution of residual stress field in multi-stacked film. Curvatures of multistacked film and single layers which consist of the multi-stacked film are used as the input to the RESA. To measure those curvatures is easier than to measure a distribution of residual stress. To verify the RESA. mean stresses and stress gradients of single and multilayers are measured. The mean stresses are calculated from curvatures of deposited wafer by using Stoney’s equation. The stress gradients are calculated from the vertical deflection at the end of cantilever beam. To measure the mean stress of each layer in multi-stacked film, we measure the curvature of wafer with the left film after etching layer by layer in multi-stacked film.     

单轴微拉伸MEMS材料力学性能测试的系统集成

为了对微米尺度薄膜材料的力学性能进行测试,开发了一套成本较低的单轴微拉伸MEMS材料力学性能测试系统。首先,根据有限元模拟优化设计测试样片,使其能够易于夹持、准确对中,以利于应力和应变的测量。接着采用三维非硅UV-LIGA微加工技术制备了Ni薄膜样片。根据单轴拉伸测试过程和硬件构成,以Visual Basic为平台编译了一套数据采集与分析系统。最后,应用该测试系统完成对电镀Ni薄膜材料性能的测试。实验结果表明,该系统能够精确测试试样应变,精度达到0.01μm,拉伸力精度达到mN级。得到的电镀Ni薄膜材料的杨氏模量约为94.5 GPa,抗拉强度约为1.76 GPa。该系统基本满足微米尺度材料单轴微拉伸力学性能测试的需要。     

MEMS材料力学性能的测试方法

介绍国内外MEMS(micro-electro-mechanical system)材料力学性能的测试方法,包括纳米压痕法、薄膜打压法、梁弯曲试验、微拉曼光谱法、单轴拉伸法等.分析各种测试方法的优缺点、基本原理和最新进展.详细介绍单轴拉伸试验方法的试验原理、特点及发展现状, 在此基础上介绍作者们在MEMS材料单轴拉伸试验方面的阶段性研究成果,包括单轴拉伸试样设计、夹具设计、加载方法及应变测量技术等.试样和夹具的设计采用有限元方法模拟不同形状参数试样的拉伸试验过程,确定试样的外形和尺寸.应变测量采用的是激光干涉应变计法(interference strain /displacement gauge, ISDG),并用所研制的微小试样拉伸试验机,成功测得多晶铜薄膜材料的应力-应变曲线.     

微型机械的摩擦学特性及其表面润滑技术的研究

综述了微型机械的摩擦学特性,阐述了微型机械中摩擦学问题研究的重要性,分析了影响微摩擦力的关键因素。基于目前国内外对微型机械表面润滑问题的研究现状,探讨了LB膜、自组装膜和分子沉积膜各自的特点及其在微型机械表面润滑领域的应用进展,对它们性能的优缺点进行了比较,并提出降低微型机械的表面能是减轻微摩擦磨损的有效措施。     

MEMS中的摩擦学研究及发展趋势

对近年国内外MEMS摩擦学研究的新进展作了综述，介绍了MEMS系统的纳米摩擦学特性，讨论了包括环境条件、材料处理、表面改性、固体薄膜润滑、分子超薄膜润滑等在解决MEMS摩擦和润滑问题上的研究状况，并提出了当前相关研究中所遇到的问题，及今后MEMS摩擦学发展的方向。