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外电场作用下精微机械的界面粘附特性研究与控制

作　者: 熊毅
导　师: 温诗铸
学　校: 清华大学
专　业: 机械工程
关键词: 外电场精微机械粘附电荷注入近壁面液体层粘弹性
分类号: TH161
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

由于尺寸效应和表面效应,界面行为已经成为精微机械领域中的关键性基础问题,其导致的界面粘附失效是精微机械中最常见的失效模式之一。本论文针对精微机械的典型粘附失效形式,分别从固-固界面及固-液界面角度讨论了外电场作用下的界面粘附特性及规律。为了研究外电场作用下的固-固界面粘附特性,本文研制了力分辨率在10μN的微观粘着测试仪,可以测量不同环境湿度、外电场强度下各种接触材料在0.1-7mN范围内的接触粘着力。该仪器可研究外电场作用下的固-固界面粘附特性以及液体介质对外电场作用下的固-固界面粘附特性的影响。论文实验研究了外电场作用下固-固界面的粘附力及其变化规律,建立了针对球-面接触的粗糙表面扩散充电模型。利用该模型分析了接触充电时间、外电场强度、界面材料特性等对固-固界面粘附特性的影响,建立了最大电荷注入密度、等效充电时间常数与外电场强度、电介质材料性质之间关系的物理模型,并基于该模型揭示出不同电介质材料对固-固界面粘附特性的影响。论文将外电场作用下固-固界面粘着物理模型应用到射频MEMS开关设计,从引入表面形貌修正的C-V曲线揭示了三种开关失效模式的机理和规律,给出了考虑界面电荷积累效应的开关使用寿命计算模型,并提出了改进开关性能的新设计方案。通过对外电场作用下固-固界面粘附机理的分析,提出将液体介质引入固-固界面以实现对其界面粘附特性的改变与控制,并以甘油及十六烷作为典型的极性与非极性液体,应用微观粘着测试仪进行了相关的实验验证。本论文将动态石英晶振微天平(QCM)在液体测试中的响应函数拓展到双层膜模型,并在此基础上定量研究了外电场作用下5CB液晶近固-液界面(近壁面)层的粘弹性性质及相变行为。研究发现外电场作用将导致5CB近壁面层复剪切粘度降低,与体相液晶的电粘效应相反,同时电场与壁面的耦合作用导致近壁面层液晶的相变温度升高,且高于根据向列相模型得到的5CB液晶的相应理论值。论文利用液晶分子长棒模型从分子排列角度对其进行了解释,并发现电场导致的近壁面有序分子层的存在可以使液晶在边界润滑区产生较低摩擦系数的现象,提出了通过电场控制精密机械低速启动中的界面粘附问题的新思路。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-11
第1章引言  11-27
  1.1 外电场作用下典型精微机械中的界面粘附问题  11-15
    1.1.1 外电场作用下典型精微机械的固-固界面粘附问题  12-13
    1.1.2 外电场作用下典型精微机械的固-液界面粘附问题  13-15
  1.2 外电场作用下的固-固界面粘附特性研究现状  15-21
    1.2.1 利用MEMS 器件的研究现状  15-20
    1.2.2 利用微观粘着测试仪的研究现状  20-21
  1.3 外电场作用下固-液界面近壁面层粘弹性的研究现状  21-25
    1.3.1 利用表面力仪（SFA）的研究现状  21-22
    1.3.2 利用石英晶体微天平（QCM）的研究现状  22-24
    1.3.3 利用摩擦实验机的研究现状  24-25
  1.4 课题意义与研究内容  25-27
    1.4.1 课题意义  25
    1.4.2 研究内容  25-27
第2章微观粘着测试仪的研制及QCM 测试原理  27-46
  2.1 本章引论  27
  2.2 微观粘着测试仪的研制  27-40
    2.2.1 总体结构设计  27-28
    2.2.2 粘着力的测量—微观粘着测试仪的工作原理  28-30
    2.2.3 测量传感部分  30-31
    2.2.4 数据采集部分  31-33
    2.2.5 运动控制部分  33
    2.2.6 测量及控制单元的标定  33-37
    2.2.7 微观粘着测试仪的误差分析  37-40
  2.3 石英晶体微天平（QCM）测试原理  40-45
    2.3.1 QCM 工作原理  40-43
    2.3.2 KSV QCM-Z500 工作界面及性能参数  43-44
    2.3.3 KSV QCM-Z500 的误差分析  44-45
  2.4 本章小结  45-46
第3章外电场作用下固-固界面粘附特性的研究  46-70
  3.1 本章引论  46
  3.2 外电场作用下固-固界面粘附的理论基础  46-49
  3.3 试验样品的制备与表征  49-51
    3.3.1 试验样品的制备  49-50
    3.3.2 试验样品的表征  50-51
  3.4 外电场作用下固-固界面粘附特性的实验及机理研究  51-69
    3.4.1 表面形貌对外电场作用下固-固界面粘附特性的影响  51-57
    3.4.2 接触充电时间对外电场作用下固-固界面粘附特性的影响  57-60
    3.4.3 外电场强度对外电场作用下固-固界面粘附特性的影响  60-67
    3.4.4 材料特性对外电场作用下固-固界面粘附特性的影响  67-69
  3.5 本章小结  69-70
第4章外电场作用下精微机械的固-固界面防粘附设计研究  70-98
  4.1 本章引论  70
  4.2 外电场作用下RF MEMS 开关界面粘附问题研究与设计  70-88
    4.2.1 外电场作用下固-固界面粘附基础理论与开关 C-V 曲线仿真  70-77
    4.2.2 表面形貌与开关C-V 曲线仿真  77-81
    4.2.3 扩散充电模型与开关寿命预测  81-85
    4.2.4 固-固界面粘附机理与开关性能改进  85-88
  4.3 采用液体介质层改变外电场作用下固-固界面粘附特性  88-97
    4.3.1 液体介质引入对界面粘附特性的影响  89-91
    4.3.2 甘油对外电场作用下界面粘附特性的影响  91-95
    4.3.3 正十六烷对外电场作用下界面粘附特性的影响与控制  95-97
  4.4 本章小结  97-98
第5章外电场作用下近固-液界面层液体性质及精微机械的固-液界面防粘附设计研究  98-132
  5.1 本章引论  98-99
  5.2 含近壁面液体层的QCM 理论模型  99-105
    5.2.1 KANASAWA 模型及其双层膜响应模型的推导  99-103
    5.2.2 MCHALE 多层膜模型及其与KANASAWA 模型的比较  103-105
  5.3 外电场作用下液晶的界面特性实验及机理探讨  105-125
    5.3.1 5CB 液晶在电场作用下的体相性质  105-108
    5.3.2 向列相温度下5CB 液晶在电场作用下的界面特性  108-119
    5.3.3 外电场对界面处近壁面层5CB 液晶相变温度的影响  119-125
  5.4 利用外电场作用下5CB 液晶近壁面层性质进行精微机械的启动防粘附设计  125-130
    5.4.1 外电场作用下的5CB 液晶界面低速下摩擦力控制  126-128
    5.4.2 温度与电场耦合作用下的5CB 液晶界面的摩擦力控制  128-130
  5.5 本章小结  130-132
第6章结论与展望  132-135
  6.1 结论  132-133
  6.2 创新点  133-134
  6.3 展望  134-135
参考文献  135-145
致谢  145-146
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  146

外电场作用下精微机械的界面粘附特性研究与控制

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