壓電粘彈性微梁的粘附分析

摘要：以處于粘附狀態(tài)下的壓電粘彈性微梁為研究對(duì)象，通過(guò)引入?yún)?shù)剝離數(shù)表示其粘附特征，分析了壓電電壓、粘彈性參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)處于粘附狀態(tài)下壓電粘彈性微梁剝離數(shù)的影響.結(jié)果表明，壓電電壓能有效提高微梁的剝離數(shù)，這給通過(guò)壓電電壓修復(fù)已處于粘附狀態(tài)的壓電微梁提供了理論依據(jù)和參考.同時(shí)，微梁的幾何參數(shù)對(duì)微梁的剝離數(shù)也有著重要影響，這對(duì)微梁的設(shè)計(jì)造成了一定的限制.

關(guān)鍵詞：壓電粘彈性微梁；粘附；粘彈性；壓電效應(yīng)；幾何參數(shù)；剝離系數(shù)

中圖分類號(hào)：O345文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

微梁結(jié)構(gòu)是MEMS中主要的結(jié)構(gòu)之一，其主要用于微型開關(guān)[1]，傳感器[2]，執(zhí)行器[3]等.由于微結(jié)構(gòu)的尺寸遠(yuǎn)小于宏觀物體的尺寸，其有著顯著的尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，這使得其在制造和工作的過(guò)程中，容易受到周圍環(huán)境的溫度[4]和濕度[5]等因素和結(jié)構(gòu)間的微觀力[6-7]的影響.加上微結(jié)構(gòu)尺寸小，結(jié)構(gòu)本身抵抗這些不利因素影響的能力比較脆弱，這使得MEMS在制造、運(yùn)輸和使用的過(guò)程中容易發(fā)生粘附失效.為了揭示微結(jié)構(gòu)粘附失效的力學(xué)機(jī)理，學(xué)者們從粘附力的產(chǎn)生[8]，影響因素[9]以及粘附變形[10]等方面對(duì)其進(jìn)行了大量研究，努力尋求相應(yīng)的解決方法，并取得了豐富的成果.

上述研究主要基于彈性理論.研究表明，一些用于制造MEMS結(jié)構(gòu)的材料本身既具有蠕變現(xiàn)象，又具有明顯的壓電效應(yīng)[11-12]，所以研究壓電粘彈性微結(jié)構(gòu)的粘附失效行為，揭示其力學(xué)機(jī)理，并討論剝離修復(fù)粘附狀態(tài)下的微結(jié)構(gòu)的方法和理論有著重要的實(shí)際意義.本文以壓電粘彈性微梁為研究對(duì)象，分析了S型粘附微梁的力學(xué)特性，討論了壓電電壓、粘彈性特性和幾何參數(shù)對(duì)粘附微梁剝離數(shù)的影響，同時(shí)分析了通過(guò)壓電電壓對(duì)粘附微梁進(jìn)行剝離修復(fù)的可能性.

1基本方程

3結(jié)論

本文通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)固體材料模型及連續(xù)介質(zhì)理論，提出一個(gè)考慮微梁的壓電效應(yīng)和粘彈性特性下的粘附懸臂微梁的EulerBernoulli梁模型，并分析了壓電效應(yīng)，粘彈性特性和微梁的幾何參數(shù)對(duì)微梁剝離數(shù)的影響.結(jié)果表明，作用在微梁上的壓電電壓越大，粘附微梁的剝離數(shù)越大，這給實(shí)際工程中通過(guò)壓電效應(yīng)來(lái)修復(fù)已粘附的壓電微梁提供了理論依據(jù)和參考.此外，材料的粘彈性特性和微梁的幾何參數(shù)對(duì)微梁的剝離數(shù)有著重要的影響，其對(duì)微梁的設(shè)計(jì)造成了一定的限制.

參考文獻(xiàn)

[1]BALMA D， A LAMBERTI A， MARASSO S L， et al. Piezoelectrically actuated MEMS microswitches for high current applications[J]. Microelectronic Engineering， 2011，88（8）： 2208-2210.

[2]LIU X， MARTIN M， LI X J， et al. Paperbased piezoresistive MEMS sensors[J]. Lab on a Chip， 2011，11（13）： 2189-2196.

[3]NADA Y， MEDHAT M， MARTY F， et al. Mechanical displacement multiplier： 250μm stable travel range MEMS actuator using frictionless simple compliant structures[C]//Micro Electro Mechanical Systems （MEMS）， 2012 IEEE 25th International Conference on.Piscataway， N J： IEEE， 2012： 1161-1164.

[4]胡淏， 董景新， 劉云峰. 溫度、預(yù)載電壓對(duì) MEMS 加速度計(jì)輸出的影響[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)， 2009， 17（4）： 464-468.

[5]唐潔影， 陳龍龍， 宋競(jìng). 振動(dòng)作用對(duì) MEMS 微結(jié)構(gòu)濕汽吸附的影響[J]. 納米技術(shù)與精密工程， 2009，7（2）： 173-177.

[6]LI G H， LABORIANTE I， LIU F， et al. Measurement of adhesion forces between polycrystalline silicon surfaces via a MEMS doubleclamped beam test structure[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering， 2010， 20（9）： 95015-95023.

[7]LUI H， GAO S， NIU S， et al. Analysis on the adhesion of microcomb structure in MEMS[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics， 2010， 33（3）：979-984.

[8]DELRIO F W， DE BORER M P， KNAPP J A， et al. The role of van der Waals forces in adhesion of micromachined surfaces[J]. Nature materials， 2005， 4（8）： 629-634.

[9]NINGBO L， PING Y. Effect of temperature on nanoscale adhesion for MEMS[J]. International Journal of Materials and Product Technology， 2008， 31（2）： 354-364.

[10]DE BOER M P， MICHALSKE T A. Accurate method for determining adhesion of cantilever beams[J]. Journal of Applied Physics， 1999， 86（2）： 817-827.

[11]FANG T H， CHANG W J， LIN C M. Nanoindentation and nanoscratch characteristics of Si and GaAs[J]. Microelectronic Engineering， 2005， 77（3/4）： 389-398.

[12]SODERKVIST J， HJORT K. The piezoelectric effect of GaAs used for resonators and resonant sensors[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering， 1994， 4（1）：28-34.

[13]SCHAPERY R A. A method of viscoelastic stress analysis using elastic solutions[J]. Journal of the Franklin Institute， 1965， 279（4）： 268-289.

[14]MASTRANGELO C， HSU C. Mechanical stability and adhesion of microstructures under capillary forces—part II： experiments[J]. Microelectromechanical System， 1993， 2（1）： 44-55.