基于微纳米纹理的MEMS侧壁面抗磨机理及设计方法

This project is focused on the antiwear mechanism and design method of silicon sidewall using micro/nano-patter technology, as the wear at sidewall is the main failure mode of the MEMS including extensive sliding/rotating parts. In order to reduce wear at silicon sidewall, a strategy coupling the micro/nano-patter with the microtopography of sidewall formed by processing is proposed, which can be rapidly implemented by existing micro/nanoscale machining technology and can be merged into the processing of MEMS device. Based on the research of the effect of the micro/nano-patter on the wear property, the antiwear mechanism of the silicon sidewall using micro/nano-patter technology is investigated from nanomechanical properties, contact mechanics during wear, damage mechanism in wear surface and abrasive dynamics. Then, the influence of the geometric parameter of micro/nano-patter and the microtopography of sidewall on the wear property is systematicly studied under different loading conditions. And an optimized design method coupling artificial neural network with genetic algorithm is established in order to design the micro/nano-patter with low wear silicon sidewall. This work can provide theoretical support for developing the MEMS including extensive sliding/rotating parts.

本项目以含大范围滑动/旋转零部件MEMS失效的主要形式---侧壁面磨损为研究对象，以降低侧壁面的磨损为目标，提出将微纳米纹理与加工遗传的侧壁面微观形貌相耦合的策略，实现基于已有微纳米加工技术的高耐磨侧壁面的快速制备并与MEMS器件加工过程相融合。建立实验研究、分子动力学模拟与理论分析相结合的研究方法，开展基于微纳米纹理技术的硅侧壁面抗磨机理和抗磨设计方法研究。在研究微纳米纹理对侧壁面磨损性能影响规律的基础上，从纳米力学性能、磨损接触力学、磨损面损伤机制及磨料动力学四个方面揭示基于微纳米纹理技术的硅侧壁面抗磨机理。研究不同加载条件下微纳米纹理和侧壁面原有微观形貌几何参数对侧壁面磨损性能的影响规律，建立人工神经网络结合遗传算法的磨损性能优化设计方法，实现降低硅基MEMS侧壁面磨损的微纳米纹理设计，为促进含大范围滑动/旋转零部件MEMS的发展提供重要的基础理论支持。

纳米磨损使得“微米尺寸甚至纳米尺寸的零部件”迅速丧失功能甚至导致整个旋转MEMS器件完全失效，大大缩短了整个系统的寿命，成为限制旋转MEMS 实用化、市场化的关键因素之一。纳米纹理化作为解决这些问题的手段之一具有很大的发潜力。本研究采用分子动力学模拟、理论研究和实验相结合的方法，研究了纳米尺度下微纳米纹理硅表面在无磨损的单峰接触干摩擦条件下的摩擦特征，揭示了微纳米纹理的硅表面的线性摩擦法则及其物理本质。分析了纹理图案几何尺度对摩擦行为的影响规律，查明了控制表面摩擦性能的关键参数，实现了纳米尺度下基于微纳米纹理的硅侧壁面摩擦增强和减弱的双向控制。研究结果表明微纳米纹理表面的摩擦行为、摩擦法则与光滑表面完全不同。不论在黏着接触还是非黏着接触下，承载力和摩擦力随着滑动距离的周期性同步振荡频率由纳米纹理周期决定。纳米纹理表面在黏着和无黏着单峰接触下承载力和摩擦力会一致保持线性关系，且与纳米纹理几何无关。在黏着和无黏着单峰接触下摩擦力-真实接触面积和真实接触面积-载荷的线性依赖才是纳米尺度摩擦的一般本质。微纳米纹理不仅能增大摩擦力也能显著的降低摩擦力。摩擦的增加和降低跟纳米纹理周期紧密相关，而不是面积率。较大的纳米纹理周期能促使摩擦降低，反之摩擦增加。进一步研究了纳米接触下微纳米纹理硅侧壁面的磨损行为；分析了磨损过程摩擦力、载荷的周期性演化规律；从原子尺度上讨论了微纳米纹理硅侧壁面的磨损特征，表面原子的去除、迁移机制，揭示了次表面的接触变形机制；查明了微纳米纹理对磨损行为的影响规律及其机制。最后，研究了接触载荷下单晶硅的纳米力学行为、塑性变形机制和高压相变；在原子尺度上分析了单晶硅高压相变的发生过程、转变机制；揭示了单晶硅纳米压入过程中高压相变、位错、材料挤出、开裂四种变形机理及其发生的应力条件；建立了单晶硅纳米力学响应与其变形机制之间的关联。分析了单晶硅纳米力学行为和高压相变的各向异性特征；查明了最大接触载荷、加载速率、接触应力状态等对单晶硅高压相变的影响规律；阐明了单晶硅的相变与晶体滑移的内在关系。