【摘要】：隨著微納加工制造技術(shù)的進(jìn)步,微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的設(shè)計(jì)與制造逐漸向納米尺度發(fā)展,因此對(duì)構(gòu)成MEMS的微型結(jié)構(gòu)和微型器件的性能與可靠性提出了更高的要求。在眾多的微型結(jié)構(gòu)和微型器件(如微齒輪、微傳感器和微流控芯片等)制造中,采用薄膜和襯底的多層結(jié)構(gòu)制作微納結(jié)構(gòu)與器件是一個(gè)重要研究方向,因此這類結(jié)構(gòu)或器件的性能與可靠性依賴于薄膜和襯底兩者的物理和化學(xué)性質(zhì)。而柔性襯底上剛性薄膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)不穩(wěn)定性通常會(huì)引起微觀起皺現(xiàn)象,對(duì)于那些自發(fā)形成的無規(guī)律不可控的褶皺模式,往往會(huì)導(dǎo)致微納結(jié)構(gòu)或者器件的功能失效,而對(duì)于那些可控的有序褶皺模式,對(duì)提高微納結(jié)構(gòu)或者器件的性能起著重要的作用。因此,研究薄膜與襯底間的相互作用導(dǎo)致的微觀形貌變化(如起皺或斷裂)對(duì)提高微納結(jié)構(gòu)與器件的性能具有重要的科學(xué)意義。本論文提出了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)微探針誘導(dǎo)金屬薄膜/柔性襯底局部起皺的方法,通過精確地控制探針的位移可實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)薄膜局部的壓縮應(yīng)力場(chǎng),進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)薄膜起皺形態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)控。論文詳細(xì)研究了金屬薄膜/柔性襯底在面外壓痕和面內(nèi)位移下射線狀褶皺和環(huán)形褶皺的形成機(jī)理和動(dòng)態(tài)演化過程,主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.詳細(xì)分析了國(guó)內(nèi)外關(guān)于金屬薄膜局部化起皺現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀,包括金屬薄膜/柔性襯底和金屬薄膜/粘性襯底的起皺現(xiàn)象、不同褶皺模式的控制方法以及起皺形態(tài)的調(diào)節(jié)機(jī)理。提出了本論文的研究目的和內(nèi)容。2.根據(jù)柔性襯底上剛性薄膜的起皺和斷裂機(jī)理,分析了熱應(yīng)力作用下金(Au)膜/PDMS(聚二甲基硅氧烷,Polydimethylsiloxane)襯底上褶皺和裂紋的形成與演化,闡述了剛性薄膜/柔性襯底局部有序褶皺模式的形成機(jī)理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了表面缺陷可以改變薄膜局部壓縮應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)而改變薄膜局部起皺形態(tài)。3.提出了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)微探針誘導(dǎo)金屬薄膜/柔性襯底局部起皺的方法,搭建了一套基于壓電驅(qū)動(dòng)微探針形成局部褶皺結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置,通過精確的控制探針的位移對(duì)初始光滑的Au膜/PDMS襯底施加連續(xù)的面外壓痕和面內(nèi)位移,誘導(dǎo)了薄膜局部的起皺和斷裂,實(shí)現(xiàn)了褶皺和裂紋的形成與形態(tài)演化的實(shí)時(shí)可控,通過光學(xué)顯微鏡實(shí)時(shí)監(jiān)控薄膜表面形態(tài)的演變,實(shí)現(xiàn)了褶皺演變的原位監(jiān)測(cè)。詳細(xì)研究了面外壓痕和面內(nèi)位移下局部化褶皺和裂紋的形成機(jī)理、形態(tài)特征和演化規(guī)律,為制造實(shí)時(shí)可控的局部化褶皺和裂紋模式提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。4.通過控制單探針對(duì)初始起皺的Au膜/PDMS襯底施加面外壓痕和面內(nèi)位移,實(shí)現(xiàn)了局部褶皺的形態(tài)轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在面外壓痕下,局部褶皺將演化為射線狀模式;在面內(nèi)位移下,局部褶皺將演化為環(huán)形模式。通過控制探針的位移大小和加載方向可以調(diào)節(jié)褶皺的轉(zhuǎn)變程度與形態(tài)。實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果對(duì)調(diào)控微納結(jié)構(gòu)、微納器件和工程材料中一些不理想的起皺形態(tài)具有一定的指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。5.通過控制雙探針對(duì)初始起皺的Au膜/PDMS襯底施加面外壓痕,調(diào)控了局部褶皺形態(tài)的轉(zhuǎn)變,揭示了探針間薄膜表面褶皺形態(tài)有序化的物理機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,褶皺形態(tài)的轉(zhuǎn)變程度與探針間距以及壓痕深度有關(guān),探針間距越小并且壓痕深度越大,褶皺形態(tài)的轉(zhuǎn)變程度越大,褶皺更加有序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)多探針誘導(dǎo)剛性薄膜/柔性襯底形成大面積高度有序的褶皺結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.2
【圖文】：

士學(xué)位論文 基于壓電驅(qū)動(dòng)微探針誘導(dǎo)有序褶塞大學(xué)的 Rand 等人[13]通過對(duì) UVO（紫外線臭氧）處理后的裂過程，然后利用乙醇溶劑分子溶脹 PDMS 襯底獲得了長(zhǎng)如圖 1.4(c)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，未經(jīng)斷裂的 PDMS 改性模式，如圖 1.4(a)所示，而經(jīng)過斷裂的改性層傾向于形成垂直于斷裂線并被約束在相鄰的斷裂線之間，如圖 1.4(b)改變了 PDMS 襯底上表面改性層的壓縮應(yīng)力狀態(tài)，從而改法及結(jié)果表明，通過在柔性襯底或者剛性薄膜上引入規(guī)律的褶皺模式，然后通過有效地控制薄膜或者襯底表面的斷。

圖 1.11 硅油線上的金屬薄膜起皺形態(tài)由于高能金屬粒子的轟擊，薄膜在沉積過程中會(huì)改變襯膜與襯底之間產(chǎn)生一層較薄的改性層，進(jìn)而改變薄膜的由于金屬粒子的轟擊會(huì)被鋼化成一層剛性膜，而對(duì)于粘性膜。當(dāng)襯底的厚度非常大并且超過薄膜厚度的幾個(gè)數(shù)影響較小。如果襯底的厚度非常小甚至達(dá)到幾百納米，透整個(gè)襯底，并且導(dǎo)致襯底被完全改性，因此襯底的厚計(jì)量大學(xué)的 Yu 等人[94]發(fā)現(xiàn)當(dāng) Fe 膜沉積在有限厚的硅褶皺模式。當(dāng)硅油滴的直徑較小時(shí)，薄膜傾向于形成一圖 1.12(a)和(b)所示。隨著油滴直徑的增加，薄膜逐漸g)所示。當(dāng)硅油滴的直徑達(dá)到一個(gè)臨界值，裂紋開始出，控制硅油滴的厚度與直徑可以調(diào)節(jié)褶皺的形成和形

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2 楊志剛;;《壓電驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)》專題文章導(dǎo)讀[J];光學(xué)精密工程;2006年04期

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5 程光明,楊志剛,曾平,吳博達(dá),鈴木勝義,^冧

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