面向多尺度和多载荷类型的硅微结构强度模型和疲劳寿命模型研究

As the main structural material of microelectromechanical system (MEMS), silicon microstructure shows significant size-effect and surface-effect due to miniaturization, which causes a complete different mechanical property compared with macroscopic structure. The existing silicon microstructure strength model and the fatigue life model are mainly aimed at the specimen of the same scale and the same load condition, which is insufficient for the strength and fatigue life prediction of the variable scale and different types of load. Firstly, in order to predict the strength and fatigue life of silicon accurately under different scale and loading modes, the quantitative relationship between the strength and surface properties of silicon microstructure was investigated. Secondly, the model of strength prediction for the silicon microstructure under multi-scale and complex stress distribution is established using finite element analysis and finite weakest link method. Thirdly, based on the strength prediction model and the initial state of the surface, the fatigue life model of multi-scale silicon microstructure is established and validated by experiment. This research can be used for the optimization design of silicon microstructure, accurate reliability evaluation and guaranteeing the safe and reliable operation of MEMS devices.

硅作为微机电系统（MEMS）的主要结构材料，尺寸微型化使得微结构呈现出显著的尺寸效应和表面效应，其机械特性与宏观结构具有显著差异。现有的硅微结构强度模型和疲劳寿命模型主要针对的是同一尺度和相同载荷下的试样，对于变尺度和不同类型载荷作用下的强度和疲劳寿命预测存在明显不足。本项目以准确预测不同尺度和不同加载方式下的硅微结构强度和疲劳寿命为目标，先研究建立硅微结构的强度与表面特性的定量关系；再借助有限元分析在复杂应力分析以及有限弱连接方法在多尺度强度建模方面的优势，建立适用于硅微结构在多尺度和复杂应力分布下的强度预测模型；在强度预测模型和考虑表面初始状态的基础上建立适用于硅微结构在多尺度下的疲劳寿命模型，并通过实验对模型进行验证。研究成果将对硅微结构的优化设计、进行准确的可靠性评估和保证MEMS器件安全可靠运行具有重要的研究价值和意义。

课题以微机电系统（MEMS）中的硅微结构为研究对象，针对硅微结构在不同尺度和不同载荷类型下的静强度和疲劳寿命预测问题，采用数理统计、有限元、分子动力学模拟等方法，研究多尺度与多载荷作用下硅微结构的静强度与疲劳特性规律，建立静强度和疲劳寿命预测模型。本项目研究工作主要进展和取得的成果如下：.1、采用分子动力学模拟和第一性原理研究了硅晶体的开裂特性，重点研究了掺杂对表面缺陷及断裂强度的影响。建模分析结果与已有文献的相关实验结果一致，明晰了掺杂对硅晶体和无定型硅断裂强度的影响及其原子级物理机制。.2、针对MEMS三维集成封装中关键的互连结构硅通孔（ TSV）微结构，采用有限元方法研究了热循环应力下硅、铜的各向异性对TSV微结构的预置界面裂纹扩展规律的影响。研究发现铜和硅的各向异性对界面裂纹的拓展均有显著的影响，铜和硅的各向异性耦合作用会进一步放大对器件可靠性的影响。.3、建立了基于有限弱连接理论的三参数Weibull分布硅微结构强度预测模型并改进了参数估计方法。该模型只需进行一组试样测试并求解得到模型参数，就可以较好地对相同几何形状的不同尺寸和不同类型载荷作用下的硅结构强度进行预测。.4、针对多载荷条件下疲劳等退化过程以及冲击过程的互依关系，提出一种基于互依关系的退化与冲击模型，用微机电系统的案例来验证改进模型的有效性与实用性，结果表明考虑互依关系的退化与冲击模型比单向关系模型更加符合实际。.5、针对MEMS陀螺的硅微结构，建立了残余应力对陀螺驱动模态谐振频率影响的解析模型，进而建立了驱动模态谐振频率和机械灵敏度退化模型。开展陀螺长时间静置测试试验，试验结果与退化模型的数值仿真结果一致。.综上所述，本项目较为系统研究了多载荷作用下硅微结构的静强度与疲劳特性规律，完成并达到了预期目标。项目的研究成果对硅微结构的可靠性评估与优化设计具有比较重要的理论与工程价值。