基礎(chǔ)理論修改1

1、第二章 MEMS基礎(chǔ)理論在微觀世界，許多物理現(xiàn)象同宏觀世界相駁，這可由尺寸效應(yīng)來(lái)解釋。所謂尺寸效應(yīng)是指當(dāng)物體的尺寸L改變時(shí)，種種的物理量比例于Ln而變化的現(xiàn)象。比如，在空中舉著的物體手離開時(shí)會(huì)下落這一宏觀世界的常識(shí)對(duì)蒲公英的種子或者眼睛看不到的灰塵卻不適應(yīng)，由于它們質(zhì)量非常輕，作用在其表面的空氣的摩擦力使其在空中浮游。另以潛水艇為例，它通?？柯菪龢D(zhuǎn)向后攪動(dòng)水，依靠反作用的慣性力動(dòng)作，此時(shí)作用在潛水艇表面的水的黏性摩擦表現(xiàn)為阻力。在宏觀世界，慣性力對(duì)摩擦力的比(即雷諾數(shù))非常大，螺旋槳可用作推進(jìn)器。但是，若將潛水艇微縮到針頭大小時(shí)，螺旋槳即使轉(zhuǎn)動(dòng)潛水艇也難以前行，這是由于在微觀世界雷諾數(shù)接近

2、或小于1，摩擦力處于支配地位，在水中螺旋槳猶如在高粱飴中轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)然不能前行。事實(shí)上，觀察有些細(xì)菌可知，它們帶有螺旋狀長(zhǎng)長(zhǎng)的鞭毛，尤如軟木塞起蓋器一樣邊旋轉(zhuǎn)邊前行而非簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)動(dòng)。在微觀世界，熱交換和化學(xué)反應(yīng)等尤為迅速。生活中以煮蘿卜為例，整根蘿卜放入鍋里很難煮熟，也不入味，若將蘿卜切成碎塊則易熟易入味，能很快端上餐桌，這是由于熱交換或化學(xué)反應(yīng)速率正比于物體的表面積。通常人們認(rèn)為鐵不會(huì)燃燒，但是若將鐵研磨成超級(jí)粉末，其表面積大大增加在空氣中會(huì)燃燒起來(lái)。同理為了提高火藥(它的英文是powder,原意指粉末)爆炸的威力，一般盡可能使原料攪拌均勻并研磨成細(xì)粉狀。另外，在微觀世界里液體表面的張力也不能忽視

3、。對(duì)微機(jī)械而言，由于尺寸極其微小，傳統(tǒng)的能源驅(qū)動(dòng)方式難以奏效，需要利用一些新型驅(qū)動(dòng)方式，如靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)或熱膨脹力驅(qū)動(dòng)等。另外，從微制造工藝的特點(diǎn)考慮，通常使用硅或改性硅作為機(jī)械材料，有時(shí)也根據(jù)需要使用一些其他材料。2.1 尺寸效應(yīng)隨著器件或系統(tǒng)的尺寸縮小，它們的性能如何變化？表2-1匯總了一些物理量隨長(zhǎng)度L(代表尺寸)變化的關(guān)系式和尺寸效應(yīng)。通常，體積或質(zhì)量比例于L3，運(yùn)動(dòng)方程式中外力等于慣性力fi和摩擦力ff的和，慣性力和黏性力分別比例于L4和L2。當(dāng)L變小時(shí)，慣性力相對(duì)減小，而黏性力相對(duì)增大。因此，很小的物體運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦問題不容忽視，尤其在流體中存在著很大的粘性阻力。對(duì)于固體的固有振動(dòng)

4、頻率而言，它與L成反比例變化，這意味著L愈小響應(yīng)速度愈快。另外，熱傳導(dǎo)量比例于L，這意味著微觀領(lǐng)域較利于散熱。表2-1 物理參數(shù)的尺寸效應(yīng) 參 數(shù)記號(hào)關(guān)系式尺寸效應(yīng) 備注長(zhǎng)度(代表尺寸)表面積體積質(zhì)量LSVmLL2L3VLL2L3L3:密度壓力重力慣性力摩擦力彈性力fpfgfifffeSpmgm (d2x/dt2)uS/d (dx/dt)eS (L/L)L2L3L4L2L2p:壓力，S:面積g重力加速度x:位移量， t:時(shí)間u:粘性系數(shù)， d:間隔e:楊氏彈性模量線性彈性系數(shù)固有振動(dòng)頻率轉(zhuǎn)動(dòng)慣量重力產(chǎn)生的撓度雷諾數(shù)KIDRe2UV/(L)2amr2m/Kfi/ffLL-1L5L2L2U:單位體

5、積伸長(zhǎng)所需能量a:常數(shù)， r:旋轉(zhuǎn)體的半徑熱傳導(dǎo)熱對(duì)流熱輻射QcQtQrTA/dhTSCT4SLL2L2T:溫度差， :熱傳導(dǎo)率A:斷面積h:溫度傳導(dǎo)率C:常數(shù)靜電力電磁力熱膨脹力FeFmFTSE2/2SH2/2eS L(T)/LL0L4L2:介電常數(shù)，E：電場(chǎng):導(dǎo)磁率，H：磁場(chǎng)強(qiáng)度壓電力也類似表2-2給出了運(yùn)動(dòng)參數(shù)受尺寸影響的估算值。作為大小分別相差103倍的世界，分子的代表尺寸假定為1nm，細(xì)菌為1um，微機(jī)械為1mm。人的代表尺寸若為1m,質(zhì)量和表面積假定為50kg和1m2。按照質(zhì)量比例于L3，表面積比例于L2變化，可估算出各自的質(zhì)量m和表面積S。這里，各自的運(yùn)動(dòng)速度假定為每秒自身長(zhǎng)(實(shí)

6、際上，這種速度假設(shè)對(duì)人而言比較接近，對(duì)細(xì)菌來(lái)說約大十倍)。表2-2 與運(yùn)動(dòng)參數(shù)相關(guān)的尺寸效應(yīng)參 數(shù)單位符號(hào)，關(guān)系式分子細(xì)菌微機(jī)械人代表尺寸mL10-9(1nm)10-6(1m)10-3(1mm)1(1m)質(zhì) 量kgmL35×10-265×10-175×10-85×101表 面 積m2SL210-1810-1210-61速 度m/sv(假定L)(水分子)300m/s10-6(1m/s)10-3(1mm/s)1(1m/s)響應(yīng)時(shí)間(水中)sL25×10-75×10-15×105雷諾數(shù):密度，：摩擦系數(shù)Re=Lv/L210-6水中

7、1水中106水中10-12空氣中10-6空氣中1空氣中動(dòng)量kgm/smvL4(水分子)10-235×10-235×10-115×101運(yùn)動(dòng)能量J,kgm2/s2mv2/2L55×10-23(水分子的熱運(yùn)動(dòng)能)2.5×10-292.5×10-142.5×101設(shè)外力為F，黏性阻抗系數(shù)為f,速度為v，一般質(zhì)量m的系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下 （2-1）由該方程的解v=F/f(1-e-t/)可知，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為m/f。對(duì)于半徑L/2的球，黏性系數(shù)為u時(shí)，由斯托克斯定律知f等于3uL，因此比例于L2?？紤]水中u約為10-3N·

8、s/m2，可計(jì)算得到表中的數(shù)值，這些數(shù)值說明物體尺寸愈小其響應(yīng)時(shí)間愈快。由表2-1還可知，對(duì)于微機(jī)械而言，在水中時(shí)其雷諾數(shù)約為1，而在空氣中其雷諾數(shù)小于1，黏性力處于支配地位。動(dòng)量mv比例于L4，動(dòng)能比例于L5，由計(jì)算結(jié)果可知微機(jī)械的動(dòng)能比較小，這意味著對(duì)操作器而言耗能?。粚?duì)傳感器而言，意味著高靈敏度。下面以水分子為例考察熱運(yùn)動(dòng)的影響。熱運(yùn)動(dòng)的能量等于玻爾茲曼常量k(1.38×10-23J/K)和溫度T的乘積，即kT ，室溫時(shí)(T=300K)水分子的能量約5×10-21J，這個(gè)值比表2-2所計(jì)算的細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)能量要大。水分子的質(zhì)量為3×10-26kg,由下列兩式可進(jìn)

9、一步求得它的動(dòng)量和速度，通過計(jì)算其動(dòng)量mv約為1×10-23kg·m/s，速度v約300m/s。比較表2-2可知，水分子的動(dòng)量與細(xì)菌(5×10-23kg·m/s)的相近，細(xì)菌受到熱運(yùn)動(dòng)的影響是很大的。 （2-2） （2-3）2.2 微機(jī)械常用材料在微機(jī)械中通常使用硅作功能材料，如用硅制做微型靜電電機(jī)或微型齒輪等微機(jī)械，這是由于硅材料具有下列一些優(yōu)點(diǎn)。（1） 它比鋁輕，比不銹鋼的拉伸強(qiáng)度高，硬度高，彈性好，抗疲勞。（2） 在許多環(huán)境下，不生銹，不溶解，耐高溫。（3） 可援用現(xiàn)有的集成電路加工設(shè)備及工藝技術(shù)，很容易制做出微米程度的微構(gòu)造，從而大大降低了MEM

10、S的研制費(fèi)。（4） 利用集成電路技術(shù)有可能把微機(jī)械同微處理器，傳感器等電路巧妙地集成到一塊硅片上。（5） 利用光刻技術(shù)和自動(dòng)生產(chǎn)線可廉價(jià)大量生產(chǎn)。（6） 硅資源很豐富，市場(chǎng)上有大量的高純度硅片出售。 通常人們認(rèn)為硅片易碎裂，這是接觸很薄且較大的硅片所得的體會(huì)。但是對(duì)微構(gòu)造而言，由硅制做的膜片，梁或彈簧呈現(xiàn)很好的彈性且無(wú)塑性變形，其機(jī)械強(qiáng)度和可靠性比同樣形狀和尺寸的金屬微結(jié)構(gòu)更為優(yōu)異。另外，與硅相關(guān)聯(lián)的材料有二氧化硅，氮化硅(Si3N4)等也經(jīng)常使用，它們與半導(dǎo)體工藝有很好的整合性。硅的缺點(diǎn)是易于磨耗，不能做為磁性體使用等。 除硅材料外，根據(jù)用途不同也使用一些其他材料表2-3。作為構(gòu)造材料有聚酰

11、亞胺(polyimide)等高分子材料及鉭、鉬、鎳、銅、金等金屬材料。作為操作器的材料常使用石英，氧化鋅(ZnO)，PZT壓低陶瓷等壓電材料和鈦鎳(TiNi)等形狀記憶合金。另外，作為潤(rùn)滑材料還使用氮化硅，金剛石膜(DLC)等硬質(zhì)素材。這里，采用旋轉(zhuǎn)涂層的辦法很容易制做聚酰亞胺膜，多層重疊的話可獲得數(shù)十微米厚的膜，這種膜與硅膜相比較柔軟，能得到大的變形，并可用作絕緣層。另外，將LIGA技術(shù)和電鍍技術(shù)結(jié)合起來(lái)可得到厚達(dá)0.1mm以上的三維構(gòu)造。 表2-3 微機(jī)械使用的材料及其特性名 稱用 途制 造 工 藝特 征聚酰亞胺鎢鉬鎳，銅，金GaAs石英ZnOPZTTiNiSi3N4DLC構(gòu)造材料同上同上

12、同上光學(xué)器件執(zhí)行器同上同上同上潤(rùn)滑膜潤(rùn)滑膜半導(dǎo)體工藝同上同上電鍍半導(dǎo)體工藝異向異性腐蝕半導(dǎo)體工藝厚膜工藝半導(dǎo)體工藝同上同上成膜簡(jiǎn)單，有柔性，性能穩(wěn)定不溶于氫氟酸，有韌性有韌性，用LIGA可制造0.1mm以上構(gòu)造發(fā)光，受光，可動(dòng)構(gòu)造可能具有壓電性，絕緣，透明具有壓電性強(qiáng)壓電性形狀記憶合金穩(wěn)定，絕緣，高強(qiáng)度金剛石膜2.3微構(gòu)造的機(jī)械特性微構(gòu)造的特性很大程度上依存于材料的物理性能。表2-4給出了材料的物理性能及它們對(duì)微小構(gòu)造體的影響。壓力、加速度，及振動(dòng)傳感器的機(jī)械特性受材料內(nèi)應(yīng)力和彈性模量的影響很大。這里以圓形薄膜微型壓力傳感器為例，當(dāng)有內(nèi)部應(yīng)力存在時(shí)，壓力p和中心變形w0的關(guān)系為(薄膜中心的變形

13、量與膜厚相比較小時(shí)) (2-4) 表2-4 材料的物理性能及對(duì)微構(gòu)造的影響 物理性能 影 響 影響舉例內(nèi)應(yīng)力(Pa)楊氏模量(Pa)拉伸強(qiáng)度(Pa)疲勞強(qiáng)度(Pa)熱傳導(dǎo)率 W/(m·K)熱容量(J/K)摩擦磨耗彈性變形，固有頻率，彎曲變形機(jī)械強(qiáng)度，可靠性熱慣性常數(shù)，熱絕緣性摩擦阻抗持久性壓力傳感器的靈敏度，振動(dòng)傳感器的固有振動(dòng)頻率微型水泵等的構(gòu)造強(qiáng)度流量傳感器和熱紅外線傳感器的響應(yīng)速度及靈敏度微型電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度式中：a和t為薄膜的半徑和厚度；E、和分別為薄膜的彈性模量、泊松比和內(nèi)部應(yīng)力。對(duì)壓力傳感器而言，它的靈敏度正比例于應(yīng)變。圖2-1給出了一組應(yīng)變和內(nèi)應(yīng)力間的計(jì)算結(jié)果，由圖可知，

14、當(dāng)內(nèi)應(yīng)力比較小(<0.1GPa)時(shí)，傳感器的靈敏度隨彈性模量E的增大下降而與無(wú)關(guān)，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力很大時(shí)(>100GPa)，靈敏度嚴(yán)重下降至接近零。圖2-1 圓形薄膜的內(nèi)應(yīng)力和變形特征 在振動(dòng)傳感器的場(chǎng)合，楊氏彈性模量和內(nèi)部應(yīng)力與振子的彈性系數(shù)有關(guān)，因此它們對(duì)固有振動(dòng)頻率有影響。楊氏彈性模量和內(nèi)部應(yīng)力的值愈大，振動(dòng)頻率愈高。從基板分離開的薄膜狀懸臂梁的彎曲變形是許多微小構(gòu)造體的共同問題，特別對(duì)利用靜電力工作的微執(zhí)行器其工作間隙通常很小，若懸臂梁產(chǎn)生變形，間隙大小難以達(dá)到要求，設(shè)計(jì)的特性就不能保證。這種變形是薄膜厚度方向內(nèi)部應(yīng)力不均衡所致，對(duì)于多層膜或雜質(zhì)摻入的場(chǎng)合，膜厚方向的內(nèi)應(yīng)力更加難以

15、控制。材料的拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是微構(gòu)造體設(shè)計(jì)上不可少的物性指標(biāo)，特別對(duì)微型閥門、泵之類利用膜片的大變形工作的構(gòu)造體更是如此。熱傳導(dǎo)率、熱容量等參數(shù)對(duì)要求熱絕緣構(gòu)造的流量傳感器或熱紅外線傳感器的設(shè)計(jì)很重要，為了獲得良好的熱絕緣性能和快速響應(yīng)，希望熱傳導(dǎo)率和熱容量都要小。摩擦和磨耗對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)或利用滑動(dòng)工作的微機(jī)械來(lái)說是不容忽視的問題，這在2.6節(jié)將進(jìn)一步論述。如上所述，材料的機(jī)械特性對(duì)微構(gòu)造的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。單晶硅的物性人們已基本弄明白，表2-5列出了單晶硅和一些普通材料的機(jī)械物性。由此表可知，單晶硅和不銹鋼的楊氏模量基本相同，但它的屈服強(qiáng)度大約高3.5倍，是一種很優(yōu)良的材料。人們對(duì)薄膜

16、材料物性的認(rèn)識(shí)還很淺薄，事實(shí)上，在厚度幾百微米的基板上形成的亞微米厚的薄膜的測(cè)定需要尖端技術(shù)，因此測(cè)定例很少。近年來(lái)，人們?cè)囍屏艘恍┠て?，微型雙支撐梁或懸臂梁這樣的簡(jiǎn)單構(gòu)造以測(cè)定薄膜的內(nèi)部應(yīng)力、楊氏彈性模量等參數(shù)。另外，為了控制薄膜的內(nèi)部應(yīng)力或彈性模量，常采用向膜內(nèi)注磷、硼或氫，并且注入雜質(zhì)的量或者注入能量不同所得到的效果也不同，有關(guān)這方面的詳細(xì)內(nèi)容見參考文獻(xiàn)。表2-5 各種材料的機(jī)械性能材料屈服強(qiáng)度/(1010dyn/cm2)努普硬度率/(1010kg/cm2)楊氏模量/(1010dyn/cm2)密度/(g/cm3)熱傳導(dǎo)率/(W/cm·)熱膨脹/(10-6/)金剛石1)SiC1)

17、TiC1)Al2O31)Si3N41)鐵1)SiO2（光纖）硅1)鋼(最大強(qiáng)度)鎢不銹鋼錳鋁50.021.020.015.414.012.68.47.04.24.02.12.10.17700024802470210034864008208501500485660275130 10.357.004.975.303.851.960.731.902.104.102.003.43 0.70 3.53.24.94.03.17.82.52.37.919.37.910.32.720.0003.5003.3000.5000.1900.8030.0141.5700.9701.7800.3291.3802.360

18、1.003.306.405.400.8012.000.55 2.3312.004.5017.305.0025.001） 單晶體。 dyn為非法定單位，1dyn=10-5N。2.4微構(gòu)造的振動(dòng)特性為了考察微構(gòu)造的振動(dòng)特性，考慮如下1自由度的運(yùn)動(dòng)方程式， （2-5）式中：m、k分別為質(zhì)量、阻尼常數(shù)、彈性系數(shù)。通常較小時(shí)，共振頻率f0、阻尼比和品質(zhì)因數(shù)Q由下列各式給出。在式（2-8）中，f1和f2分別是振幅下降到峰值一半所對(duì)應(yīng)的頻率。 （2-6） （2-7） （2-8）當(dāng)式（2-5）的右端施加強(qiáng)制振動(dòng)f0sint 時(shí), 若阻尼比很小，則系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，振幅非常大。由于在式(2-6)中，k比例于L，

19、m比例于L3，因此f0比例于L-1，這意味著L愈小共振頻率愈高。利用微制造工藝可制作出懸臂梁、雙端支撐梁和膜片等振動(dòng)子，振動(dòng)模式有彎曲，扭曲和表面彈性波等。激勵(lì)方法分壓電、靜電或電磁、或利用熱、光等周期性加熱等方式。與此相對(duì)應(yīng)，檢出方式也有利用壓電方式、壓阻響應(yīng)、電容變化、光反射等各種各樣。振動(dòng)子本身利用石英等壓電晶體制作的比較多，手表用的石英振子即是很好的例子。另外，也常采用壓電薄膜或靜電型執(zhí)行器和電容型傳感器相結(jié)合的構(gòu)造，即激勵(lì)用的執(zhí)行器和檢測(cè)用的傳感器同構(gòu)造的場(chǎng)合很多。f0或Q都與許多量有關(guān)，因此可利于這些量的變化測(cè)量一些物理量參數(shù)。由式（2-6）可知，f0是質(zhì)量m和彈性系k的函數(shù)，而k

20、又與材料的楊氏模量E成比例，因此可通過f0測(cè)量材料的E，同理也可以利用它的變化測(cè)量力、壓力或溫度等量，值得一提的是f0為脈沖信號(hào)，易于測(cè)量和傳送，便于計(jì)算機(jī)處理。振子周圍的媒體不同時(shí)Q發(fā)生變化，利用這個(gè)特性可測(cè)量真空度，當(dāng)真空度高或者說壓力低時(shí)，振動(dòng)的能量衰減很慢因而Q較大，反之低真空度時(shí)Q變的較低。在設(shè)計(jì)、制作加速度傳感器時(shí)為了防止共振，并要求頻率響應(yīng)寬，這就要正確設(shè)定阻尼系數(shù)，即要控制媒體的真空度。2.5微構(gòu)造的熱特性下面考察感熱器件的溫度特性。設(shè)溫度為T的器件發(fā)出功率W時(shí)其溫度上升T，此時(shí)熱平衡方程式如下 （2-9）式中：C、G分別為熱容量和等價(jià)導(dǎo)熱系數(shù)。器件所產(chǎn)生的熱按W=W0ejwt

21、變化時(shí)，上升溫度由式(2-10)決定。 (2-10)式中:等于C/G，當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1/時(shí)，溫度變化能夠跟隨熱的變化，此時(shí)靈敏度T/W0等于1/G，這意味著熱絕緣愈好(G愈小)器件的靈敏度愈高。另外，由于響應(yīng)時(shí)間等于C/G，這意味著熱容量愈小器件的響應(yīng)速度愈高。理論上，熱容量C由體積和密度的積表示，當(dāng)尺寸減少時(shí)，它按尺寸的3次方減小。熱傳播有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種形式，下面探討等價(jià)熱導(dǎo)G與尺寸的關(guān)系。熱傳導(dǎo)是指熱沿著一個(gè)物體內(nèi)部的移動(dòng)，若單位時(shí)間的傳熱量為Q，長(zhǎng)度d斷面積A的材料兩端溫度差為T時(shí)，Q由式（2-11）來(lái)表示。 （2-11）式中：為熱傳導(dǎo)率。當(dāng)尺寸L縮小時(shí)，若A/d按比例變化，則Q

22、比例于L減少。熱對(duì)流是指熱從固體到氣體或到液體的傳播，它會(huì)影響熱流量式傳感器或熱傳導(dǎo)型真空度傳感器的工作。設(shè)熱對(duì)流系數(shù)為h，表面積為S，傳熱量Q由式（2-12）給出。 （2-12） 這里，Q比例于S，即比例于L2。熱輻射是指熱以電磁波(包括紅外光和可見光)傳播的形式，它會(huì)給高溫加熱器或紅外線傳感器帶來(lái)一些問題。根據(jù)玻爾茲曼定理，Q比例于T4，即 （2-13） 式中：C為常數(shù)，顯然Q比例于S，即比例于L2。熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流的場(chǎng)合，Q正比例于變化，它們間的比例系數(shù)稱之為等價(jià)導(dǎo)熱率G，分別比例于L、L2。進(jìn)一步參見式（2-10）可知，尺寸愈小，愈可能獲得高靈敏度的感熱傳感器或低耗電加熱器。2.6摩擦磨

23、耗的減少辦法對(duì)于具有微機(jī)構(gòu)的微機(jī)電系統(tǒng)，減小摩擦和磨耗是必不可少的。由式( 2-5) 的運(yùn)動(dòng)方程可預(yù)知，當(dāng)物體的尺寸變小時(shí)其體積(按尺寸的3次方變化)比表面積(按尺寸的2次方變化)大幅度減小，這導(dǎo)致依存于體積的慣性項(xiàng)可忽略不計(jì)，而依存于表面積的摩擦的項(xiàng)處于支配地位。在微機(jī)電系統(tǒng)中，由負(fù)荷所產(chǎn)生的接觸壓很小，但由摩擦、磨耗引起的表層原子間的相互作用卻是個(gè)不容忽略的問題，例如，在磁盤、磁帶這樣的記憶媒體和磁頭的接觸面間會(huì)產(chǎn)生很大問題，此研究領(lǐng)域稱為微摩擦學(xué)(microtribology)。摩擦和磨耗對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)或利用滑動(dòng)工作的微機(jī)械來(lái)說是不容忽視的問題。摩擦是兩界面間分子力相互作用的結(jié)果

24、，只要使兩界面分離就可減少它，具體可采用夾入第三種物質(zhì)的辦法，但是這種物質(zhì)在支撐負(fù)荷的同時(shí)，要求它剪切方向的阻抗要小。一般減小摩擦、磨耗的方法如圖2-2所示。圖2-2 減小摩擦磨耗的幾種辦法 圖2-2(a)顯示的是油之類吸附分子膜在兩界面間存在時(shí)的情況，稱為境界潤(rùn)滑。在大氣中固體表面通常被水分子吸附膜等所覆蓋，因此它處于自然境界潤(rùn)滑狀態(tài)。與此相對(duì)應(yīng)，在真空中由于無(wú)吸著層存在，摩擦大大增加，有時(shí)在分子間力的作用下，二者會(huì)粘貼起來(lái)，但利用這種特性我們可得到一種常溫鍵合方法。圖2-2(b)和(c)稱為流體潤(rùn)滑。(b)顯示有動(dòng)壓力作用時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)使流體流入兩界面間從而浮起移動(dòng)體的情況，例如，用磁頭讀取

25、磁盤信息時(shí)，通常利用空氣將磁盤浮起約0.2um。另外，一般機(jī)械使用油潤(rùn)滑也是此道理。但是，這種潤(rùn)滑是利用黏性流體中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的浮力，當(dāng)無(wú)運(yùn)動(dòng)時(shí)就無(wú)潤(rùn)滑效果。(c)是人工加壓潤(rùn)滑的情況，它在靜止時(shí)摩擦力也很小。上述流體潤(rùn)滑的場(chǎng)合，黏性阻力可看作摩擦力。圖2-2(d)和(e)分別是固體粉末潤(rùn)滑和軟質(zhì)皮膜潤(rùn)滑。由于粉末或皮膜的剪切強(qiáng)度較小從而能達(dá)到潤(rùn)滑的目的，它們?cè)谟托詽?rùn)滑劑不便使用時(shí)是行之有效的。(f)是利用自潤(rùn)滑材料的情況，如黑鉛、二硫化鉬具有特殊構(gòu)造，它們和聚四氟乙烯(teflon)間的分子結(jié)合力較弱，因而能夠起到潤(rùn)滑作用。(g)是利用滾動(dòng)減小摩擦，而(h)是利用磁懸浮達(dá)到減小摩擦的目的。另外，

26、利用(i)的平行彈簧構(gòu)造也可減少摩擦，它特別適應(yīng)于微細(xì)構(gòu)造的場(chǎng)合。2.7微流路中液體的流動(dòng)狹窄流路中流體的流動(dòng)涉及許多器件的動(dòng)作，如氣體與液相色譜儀、噴墨打印機(jī)的磁頭的工作、磁盤與磁頭間的流體潤(rùn)滑，還有分子篩分離膜細(xì)孔的動(dòng)作解析。通常，用微制造工藝制作的流體控制系統(tǒng)都設(shè)有微流路，正確把握流體在微流路中的流動(dòng)是很有必要的。在微制造工藝中，從很窄的縫隙處進(jìn)行犧牲層腐蝕，還有深部洗凈時(shí)液體的交換等都是很大的問題。另外，對(duì)電容型加速度傳感器而言，它的重塊在窄縫動(dòng)作時(shí)氣體的阻尼不容忽視，阻尼的大小與間隙的3次方成反比例。流路很窄時(shí)，與體積相比表面積相對(duì)增大，流路在管壁處會(huì)帶來(lái)許多問題。由于黏性，流體在管

27、壁處速度為零，離開管壁愈遠(yuǎn)其流速愈大。另外，在管壁附近呈現(xiàn)速度梯度的流層稱為境界層，若流路很窄它會(huì)全部成為境界層。除流體力學(xué)的問題外，還存在流體和管壁的相互作用，如色譜儀利用壁面的分子吸附特性進(jìn)行成分分離。此外，液體在有電場(chǎng)作用時(shí)會(huì)引起界面電泳現(xiàn)象。氣體的密度不超過液體的千分之一，它除壓縮性外，分子間不易碰撞但易擴(kuò)散。壓力較低時(shí)，即使很窄的流路中氣體也可當(dāng)作分子流處理。對(duì)于不滿足上述條件的氣體或液體，因分子間存在碰撞，它們作為黏性流來(lái)處理。黏性流的重要指標(biāo)是雷諾數(shù)Re，它由式(2-14)定義 (2-14)式中: v是流體的速度；d是流路的寬；是動(dòng)黏性摩擦系數(shù)(它定義為黏性常數(shù)u/密度的值)。當(dāng)

28、Re很小時(shí)稱看作層流，但當(dāng)它非常大時(shí)則作為湍流。事實(shí)上，水中和空氣中的雷諾數(shù)是完全不同的。氣體分子間不發(fā)生碰撞向前行進(jìn)的平均距離稱為平均自由行程，它與分子密度成反比例，在1atm下，約為0.1um，隨壓力減小它也相應(yīng)增大。管路中氣體流動(dòng)的模式取決于d/比。當(dāng)二者比d/遠(yuǎn)大于1，即壓力很大或管路很粗的場(chǎng)合，僅分子間碰撞為黏性流；當(dāng)d/遠(yuǎn)小于1時(shí)，氣體分子與管壁發(fā)生碰撞稱為分子流，即克努森流；d/處于上述二者間時(shí)則稱為中間流。 對(duì)于黏性流，流速v由式（2-15）決定 （2-15）式中：L為管長(zhǎng)；R、T分別是摩爾氣體常量和熱力學(xué)溫度；p1、p2分別是出、入口的壓力。對(duì)于分子流而言，流速v由式（2-1

29、6）決定，由于它與相對(duì)分子質(zhì)量M的平方根成反比例，這意味著流速與分子的種類有關(guān)。這里，考察磁盤與磁頭間的氣體潤(rùn)滑，大氣中氣體的速度每秒約數(shù)米至數(shù)十米，二者間的間隙約0.2um，由此計(jì)算得d/約0.3程度,即近似為分子流。分子流不能作為連續(xù)體處理，必須進(jìn)行量子解析。 atm為非法定單位，1atm=1.01325105pa,下同。圖 2-3 界面電泳現(xiàn)象 (2-16)細(xì)管中液體流動(dòng)時(shí)界面現(xiàn)象的影響是很大的。如圖2-3(a)所示，管壁和液體的界面處會(huì)產(chǎn)生電荷，這會(huì)引起以下現(xiàn)象。液體流動(dòng)時(shí)，如(b)所示它會(huì)帶走管內(nèi)側(cè)的電荷從而產(chǎn)生電位差。相反當(dāng)在管兩側(cè)施加電壓時(shí)，如(c)所示液體中的電荷離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生電氣泳動(dòng)，或者管內(nèi)側(cè)的電荷移動(dòng)如(d)所示會(huì)產(chǎn)生電氣滲透。值得一提的是電氣滲透現(xiàn)象可用于微型泵的工