《陽極鍵合界面層力學行為的實驗與分子模擬研究》是依託南京航空航天大學，由胡宇群擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：陽極鍵合界面層力學行為的實驗與分子模擬研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：胡宇群
- 依託單位：南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微納機電系統器件在空天飛行等尖端領域有極重要的套用前景。陽極鍵合是實現此類器件3D結構集成製造的關鍵技術。本課題擬結合實驗、分子模擬與理論，對微結構中陽極鍵合界面層的力學行為展開深入系統研究。實驗上，基於某型微加速度計的典型鍵合結構，通過系統的陽極鍵合和力學實驗，研究表面參數、結構參數，以及界面層處成分結構分布、納米樹狀結構和分形結構等對鍵合界面層在靜動態載荷下的力學行為的影響。分子模擬上，利用第一原理計算方法分析陽極鍵合界面處的金屬氧化反應；利用分子動力學模擬方法分析鍵合界面處的擴散置限凝聚演化過程，獲取目前實驗手段無法獲取的若干動態演化過程和原子細節。理論上，考慮靜電力、表面力、殘餘應力等對鍵合界面處的粒子擴散置限凝聚與反應，以及對鍵合界面層形成的作用規律；結合實驗和分子模擬結果，提出改進的力學分析模型。本項目旨在通過上述研究，為微納機電系統器件的研發設計提供有益參考。
結題摘要
微納機電系統器件在空天飛行等尖端領域有極為重要的套用前景。陽極鍵合是其實現此類器件3D結構集成的關鍵製造技術。陽極鍵合是一個複雜物理化學過程，涉及電、力、熱等的多場耦合作用，涉及諸多力學問題。項目的研究有助於正確認識陽極鍵合過程中鍵合界面的行為，對於得到可靠的鍵合質量(如高鍵合強度、良好的密封性等)具有重要意義。設計和製備了進行陽極鍵合力學行為實驗的微尺度試件，研製完善了鍵合所需的開放式鍵合系統。用不同的鍵合參數(包括鍵合溫度、鍵合電壓和鍵合時間)，完成了玻璃/Al/Si微尺度錨結構試件的陽極鍵合。對陽極鍵合完成了相關的顯微檢測分析。研究了陽極鍵合界面處的結構形貌。獲得鍵合參數對試件中鈉離子耗盡層厚度的影響規律，以及其中富含鋁的晶化納米枝狀結構對陽極鍵合界面強度的影響。研究和分析了玻璃/鋁/矽陽極鍵合試件鋁膜中出現的分形斑圖。分析得到了典型分形斑的分形維數，顯示其具有二維DLA集團的特徵分形維數。研究結果表明了鋁膜中出現的分形斑是由於化學反應後的矽原子在鋁膜中受限擴散凝聚、結晶生長而形成，有利於提高鍵合界面的強度。獲得了試件中金屬鋁膜的厚度、鍵合溫度和鍵合電壓對分形斑的影響規律。採用微拉伸儀等實驗手段，對不同陽極鍵合參數下製備的Pyrex 7740玻璃/鋁/矽微錨結構試件，進行了力學破壞實驗。分析了試件拉伸後陽極鍵合界面的破壞情況，研究獲得了鍵合溫度、鍵合電壓以及金屬鋁膜厚度對破壞載荷的影響規律。得到了陽極鍵合試件的拉伸破壞載荷隨鍵合溫度和鍵合電壓的提高而增加的結果，以及在鍵合所用的金屬鋁膜厚度參數範圍內，破壞載荷隨著鋁膜厚度的增加而顯現下降的趨勢。通過理論分析和數值模擬手段，研究了某型高G值MEMS微加速度計中典型陽極鍵合錨結構鍵合界面，在不同鍵合溫度和結構方案下，殘餘熱應力等的影響以及動態載荷下的力學行為。結合玻璃/鋁/矽陽極鍵合實驗的結果，研究探索了分子動力學等數值模擬方法在其中的套用。
