阳极键合界面层力学行为的实验与分子模拟研究

The MEMS/NEMS devices present an attractive prospect in many areas, especially in aviation and aerospace. Anodic bonding is one of the key technologies for the manufacturing of integrated 3-D structures of these devices. In this project, based on experiments, molecular simulation, and theoretical analysis, a systematic study will be made in depth for the mechanical behavior of anodically bonded interlayer within micro-scale structures. In accordance with a typical anodically bonded structure for one kind of MEMS micro accelerometer, with a series of anodic bonding and mechanical tests, for the behavior of the interlayer under static and dynamic loading, it will be studied what is the influence which comes from surface parameters, structural parameters, chemical composition distributed in the interlayer, dendritic nanostructures, and fractal patterns. The metal oxidation reaction, taking place at the bonding interface, will be analyzed with first-principles calculation method. The evolution of diffusion-limited aggregation (DLA) at the bonding interface will be analyzed with the molecular dynamics in order to obtain the dynamic evolution and atomic details which could not be acquired with experiments. For theoretical analysis, this project will study the mechanism of the influence from static electricity force, surface force, and residual stress, and also will study how these forces impact on the DLA process and the formation of the bonding interlayer. Based on the research of experiments and molecular simulations, a modified theoretical method will be presented. However, with above researches, the aim of this project is to provide some useful analytical methods for the design of future MEMS/NEMS devices.

微纳机电系统器件在空天飞行等尖端领域有极重要的应用前景。阳极键合是实现此类器件3D结构集成制造的关键技术。本课题拟结合实验、分子模拟与理论，对微结构中阳极键合界面层的力学行为展开深入系统研究。实验上，基于某型微加速度计的典型键合结构，通过系统的阳极键合和力学实验，研究表面参数、结构参数，以及界面层处成分结构分布、纳米树状结构和分形结构等对键合界面层在静动态载荷下的力学行为的影响。分子模拟上，利用第一原理计算方法分析阳极键合界面处的金属氧化反应；利用分子动力学模拟方法分析键合界面处的扩散置限凝聚演化过程，获取目前实验手段无法获取的若干动态演化过程和原子细节。理论上，考虑静电力、表面力、残余应力等对键合界面处的粒子扩散置限凝聚与反应，以及对键合界面层形成的作用规律；结合实验和分子模拟结果，提出改进的力学分析模型。本项目旨在通过上述研究，为微纳机电系统器件的研发设计提供有益参考。

微纳机电系统器件在空天飞行等尖端领域有极为重要的应用前景。阳极键合是其实现此类器件3D结构集成的关键制造技术。阳极键合是一个复杂物理化学过程，涉及电、力、热等的多场耦合作用，涉及诸多力学问题。项目的研究有助于正确认识阳极键合过程中键合界面的行为，对于得到可靠的键合质量(如高键合强度、良好的密封性等)具有重要意义。. 设计和制备了进行阳极键合力学行为实验的微尺度试件，研制完善了键合所需的开放式键合系统。用不同的键合参数(包括键合温度、键合电压和键合时间)，完成了玻璃/Al/Si微尺度锚结构试件的阳极键合。对阳极键合完成了相关的显微检测分析。研究了阳极键合界面处的结构形貌。获得键合参数对试件中钠离子耗尽层厚度的影响规律，以及其中富含铝的晶化纳米枝状结构对阳极键合界面强度的影响。. 研究和分析了玻璃/铝/硅阳极键合试件铝膜中出现的分形斑图。分析得到了典型分形斑的分形维数，显示其具有二维DLA集团的特征分形维数。研究结果表明了铝膜中出现的分形斑是由于化学反应后的硅原子在铝膜中受限扩散凝聚、结晶生长而形成，有利于提高键合界面的强度。获得了试件中金属铝膜的厚度、键合温度和键合电压对分形斑的影响规律。. 采用微拉伸仪等实验手段，对不同阳极键合参数下制备的Pyrex 7740玻璃/铝/硅微锚结构试件，进行了力学破坏实验。分析了试件拉伸后阳极键合界面的破坏情况，研究获得了键合温度、键合电压以及金属铝膜厚度对破坏载荷的影响规律。得到了阳极键合试件的拉伸破坏载荷随键合温度和键合电压的提高而增加的结果，以及在键合所用的金属铝膜厚度参数范围内，破坏载荷随着铝膜厚度的增加而显现下降的趋势。. 通过理论分析和数值模拟手段，研究了某型高G值MEMS微加速度计中典型阳极键合锚结构键合界面，在不同键合温度和结构方案下，残余热应力等的影响以及动态载荷下的力学行为。结合玻璃/铝/硅阳极键合实验的结果，研究探索了分子动力学等数值模拟方法在其中的应用。