微納慣性器件運動界面納米效應(yīng)基礎(chǔ)問題研究

項目名稱： 微納慣性器件運動界面納米效應(yīng)基礎(chǔ)問題研究首席科學(xué)家： 劉曉為 哈爾濱工業(yè)大學(xué)起止年限： 2012.1至 2016.8依托部門： 信息產(chǎn)業(yè)部一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容本項目針對 MEMS 器件微結(jié)構(gòu)的運動界面效應(yīng)嚴重影響器件性能這一共性問題，開展微納慣性器件運 動界面納米效應(yīng)的基礎(chǔ)問題研究，為高性能 MEMS 慣性器件研究奠定基礎(chǔ)，擬開展以下四個科學(xué)問題研究：關(guān)鍵科學(xué)問題一：限域空間內(nèi)微納結(jié)構(gòu)運動界面納米效應(yīng)及調(diào)控目前，對微結(jié)構(gòu)的研究大都局限于在常規(guī)工作環(huán)境中的機電耦合分析。對于更為復(fù)雜的新型微納慣性器件，不僅涉及到典型的微納機電結(jié)構(gòu)，而且還需考慮微納結(jié)構(gòu)的界面效應(yīng)、流體流變特性等問題，其相 應(yīng)的控制機理會與常規(guī)尺度有根本的不同。微納運動結(jié)構(gòu)的工作區(qū)域通常處于封閉、動態(tài)和狹小的限域空間內(nèi)，相對于一般開放空間而言，其運動界面的浸潤性、粘附性可能呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。界面性能在動態(tài)環(huán)境下能否保持穩(wěn)定？限域空間內(nèi)界面效應(yīng)對微納器件的敏感結(jié)構(gòu)特性的影響是否遵循一定的規(guī)律？由于界面效應(yīng)而導(dǎo)致的流體流動狀態(tài)的變化對運動結(jié)構(gòu)的動力學(xué)行為具有什么樣的影響？針對以上問題，需要圍繞限域空間內(nèi)微納結(jié)構(gòu)運動界面納米效應(yīng)及調(diào)控這一關(guān)鍵科學(xué)問題，開展以下三方面的研究：(1) 限域空間內(nèi)微納運動結(jié) 構(gòu)表面浸潤性與粘附性由于 MEMS 器件的比表面積遠大于常規(guī)機械器件，因此，運動速度和穩(wěn)定性強烈地依賴于微結(jié)構(gòu)運動界面的特性，特別是在采用固液體系的 MEMS 器件中，固液界面上的浸潤性、粘附性將對器件的性能產(chǎn)生嚴重影響。另外，多數(shù) MEMS器件的運動界面處于封閉、動態(tài)流體、 動態(tài)壓強環(huán)境下，其浸潤性和粘附性將不同于常規(guī)開放、常壓、靜態(tài)或準靜態(tài)環(huán)境，需要有 針對 性地研究界面納米效應(yīng)在限域空間內(nèi)的規(guī)律性和內(nèi)在原理。為此，將開展如下研究： 限域空間內(nèi)微納結(jié)構(gòu)表面形貌及化學(xué)組成對浸潤性、粘附性等界面效應(yīng)的影 響 限域空間內(nèi)動態(tài)環(huán)境下微納結(jié)構(gòu)表面浸潤性的穩(wěn)定性及內(nèi)在原理 限域空間內(nèi)微納結(jié)構(gòu)的溫度變化對其表面浸潤性、粘附性的影響及其智能調(diào)控方法 限域空間內(nèi)特定的器件材料、結(jié)構(gòu)以及流固材料的匹配性對不同速度條件下界面納米效應(yīng)的影響(2) 納米效應(yīng)對微納結(jié)構(gòu)運 動界面力學(xué)特性的影響在微納器件中，表面力的作用隨尺度減小而增大，摩擦力和粘附力等表面力對器件性能影響很大。在微納器件中，摩擦力主要來自微納結(jié)構(gòu)界面分子及原子的相互作用。界面納米效應(yīng)不僅將改變近壁面和限域空間內(nèi)流體的流變特性，而且也在很大程度上決定著流固界面的粘附和滑移，進而影響結(jié)構(gòu)的運動阻力。為此，將開展如下研究： 產(chǎn)生特殊納米效應(yīng)的流固材料優(yōu)化匹配準則 界面納米效應(yīng)對固體近壁面和限域空間內(nèi)流體流變特性的影響 界面納米效應(yīng)對流固界面滑移和界面粘滯阻力特性的影響 運動界面力學(xué)行為對能量耗散影響的機理(3) 微納結(jié)構(gòu)運動界面納米效 應(yīng)對限域空間內(nèi)流場 及系統(tǒng)熱特性的影響微納器件流固界面的納米效應(yīng)直接影響限域空間內(nèi)流體的流動狀態(tài)。運動結(jié)構(gòu)壁面附近流體的流動狀態(tài)會對流固界面的粘滯阻力產(chǎn)生影響。在限域空間內(nèi)流體會因粘滯力作用而產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致系統(tǒng)溫升。流體的粘溫特性和系統(tǒng)的熱特性將由于溫升而發(fā)生變化，進而影響系統(tǒng)的整體性能。為此，將開展如下研究： 界面納米效應(yīng)對近壁面及限域空間內(nèi)流體流動狀態(tài)的影響 界面納米效應(yīng)對流固界面處熱生成、熱傳導(dǎo)的影響 界面納米效應(yīng)對微納器件熱特性的影響關(guān)鍵科學(xué)問題二：微納慣性器件跨尺度制造機理與控制高性能微納慣性器件對微納結(jié)構(gòu)運動界面的要求變得更為特殊與復(fù)雜，對制造方法的要求更高。材料微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控和制備方法、跨尺度精密制造以及多種材料和工藝的兼容性對微納慣性器件性能的影響已經(jīng)成為亟待解決的問題。對現(xiàn)有材料及其加工原理和技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，如：加工表面形貌對浸潤性和粘附性的影響；超對稱、超平整、超低應(yīng)力微納結(jié)構(gòu)的加工以及超持久耐摩擦納米表面的制備；微納運動結(jié)構(gòu)微米尺度織構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)析出相形態(tài)的精確控制。針對以上問題，需要圍繞微納慣性器件跨尺度制造機理與控制這一關(guān)鍵科學(xué)問題，開展以下三方面的研究：（1）微納慣性器件功能材料及表面納米結(jié)構(gòu)的制備與控制現(xiàn)有材料很難滿足高性能微納慣性器件的要求，需要開展高性能微納慣性器件材料和運動界面功能納米結(jié)構(gòu)制備方法的研究，揭示材料的成分、微觀結(jié)構(gòu)、制備方法等對其性能的影響機理。為了獲得良好的運動特性，在微納結(jié)構(gòu)表面需要實現(xiàn)納米特殊浸潤層的制備，同時需要研究納米表面運動過程中的損傷機理，實現(xiàn)特殊浸潤層的抗磨損。為此，將開展如下研究： 微納慣性器件功能材料制備、微觀結(jié)構(gòu)及性能調(diào)控 微納慣性器件表面特殊浸潤層的制備及穩(wěn)固結(jié)構(gòu)形成條件 自適應(yīng)、自組裝腐蝕掩膜生長條件及形成機理 運動界面納米功能材料損傷機理與控制 運動界面納米功能材料組裝條件及其在特定環(huán)境中的行為（2）特殊微納結(jié)構(gòu)的跨尺度加工微納慣性器件中存在對超對稱、超平整、超低應(yīng)力的跨尺度關(guān)鍵微納結(jié)構(gòu)的需求，這對制造工藝提出了前所未有的挑戰(zhàn)。 為了實現(xiàn)高平整度和高對稱性跨尺度結(jié)構(gòu)的加工，其加工方法的無應(yīng)力控制至關(guān)重要，因此，不能通 過對現(xiàn)有的加工制造方法的簡單改進來實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的制造，而是應(yīng)該基于全新的加工理論，開展微結(jié)構(gòu)的新加工方法和制造機理的研究。為此，將開展如下研究： 微納結(jié)構(gòu)加工過程中的應(yīng)力場模型及殘余應(yīng)力分布規(guī)律 超對稱、超平整微納結(jié)構(gòu)跨尺度加工殘余應(yīng)力調(diào)控方法 微納結(jié)構(gòu)跨尺度近無應(yīng)力加工方法與制造機理（3）多材料、跨尺度、復(fù) 雜結(jié) 構(gòu)的兼容性制造機理高性能微納慣性器件的納米功能材料多種多樣，其制備方法更為復(fù)雜，同時微制造的器件結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量等因素又會對納米功能材料產(chǎn)生顯著影響。比如，微納慣性器件表面的特殊浸潤層材料結(jié)合強度、耐損傷等性能與微納器件結(jié)構(gòu)的材料、表面質(zhì)量等因素息息相關(guān)。這就要求從不同材料和結(jié)構(gòu)出發(fā)，探索跨尺度微納加工工藝的兼容性制造機理，實現(xiàn)多種材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微納器件一體化集成制造。為此，將開展如下研究： 多材料、宏微復(fù)雜結(jié)構(gòu)的兼容制造工藝機理 微納器件結(jié)構(gòu)、尺寸和性能優(yōu)化制造技術(shù) 微納器件一體化集成封裝技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題三：微納結(jié)構(gòu)運動界面的物理特性表征限域空間內(nèi)高速運動下的微納結(jié)構(gòu)運動界面由于納米效應(yīng)而變得極為復(fù)雜，使得微納結(jié)構(gòu)的表面浸潤性、粘附性、力學(xué)、熱學(xué)等特性與宏觀體系有著很大的不同，這些物理特性對器件性能的影響需要通過有效的測試手段來評價。目前對宏觀尺度準靜態(tài)結(jié)構(gòu)的物理特性 (如浸潤性和粘附性、力學(xué)、熱學(xué)) 表征方法相對成熟，但對于限域空間內(nèi)處于高速運動狀態(tài)的微納結(jié)構(gòu)表面浸潤性和粘附性缺乏有效表征手段；多場和多相作用下的微納結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性測試也尚無有效手段；同時高速運動的微納結(jié)構(gòu)表面流體的流動和傳熱均可能與經(jīng)典理論的前提假設(shè)相違背，而且限域空間內(nèi)高速運動流體的流動和傳熱行為的研究同樣缺少有效方法，因此，流體的流動和傳熱行為的研究必須發(fā)展全新的表征方法。 針對以上問題，需要圍繞微納結(jié)構(gòu)運動界面的物理特性表征這一關(guān)鍵科學(xué)問題，開展以下三方面的研究：（1）限域空間內(nèi)微納結(jié)構(gòu)運動界面浸潤性和粘附性表征隨 MEMS 慣性器件結(jié)構(gòu)尺度的減小，界面效應(yīng)對其可動結(jié)構(gòu)運動特性的影響越發(fā)顯著，對限域空間內(nèi)微納結(jié)構(gòu)運動界面特性及相關(guān)效應(yīng)的精確表征已經(jīng)成為高性能微納慣性器件研究的關(guān)鍵。為了建立微納運動界面物理化學(xué)性質(zhì)與界面效應(yīng)之間的定量關(guān)系，必須對微納運動結(jié)構(gòu)的表面成分、表面形貌、界面浸潤性與粘附性進行精確測量和表征。為此，將開展如下研究： 微納結(jié)構(gòu)界面成分分析 微納結(jié)構(gòu)運動界面形態(tài)的測量和表征 微納結(jié)構(gòu)運動界面浸潤性與粘附性的測量分析和表征（2）微納結(jié)構(gòu)運動界面的動力學(xué)特性表征目前，對于微納結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性測試都是在靜態(tài)或準靜態(tài)的約束條件下完成，其表征手段并不適合具有特定功能結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析，尤其是對微納運動結(jié)構(gòu)的動態(tài)測量，尚無完善的方法來獲得其動力學(xué)性能和規(guī)律：一方面?zhèn)鹘y(tǒng)運動結(jié)構(gòu)的動力學(xué)規(guī)律難以直接運用到包含固液、固氣、液氣以及固液氣多相包容的功能界面的動力學(xué)特性研究當(dāng)中；另一方面，微納運動結(jié)構(gòu)受到表面力及固、液、氣多相耦合的作用，其界面特性變化較大。此外，受限空 間的封閉特性和密封方法及多相運動穩(wěn)定性的表征和測試等方面的研究需要深入研究。為此，將開展如下研究： 微納運動結(jié)構(gòu)的幾何表征及其測試方法 微納運動結(jié)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)提取方法 微納運動結(jié)構(gòu)的流固界面滑移與粘滯力測試方法 微納運動結(jié)構(gòu)的能量耗散與過載表征及測試方法 受限空間的密封方法和封閉特性的表征和測試方法（3）限域空間內(nèi)微納運動界面流體流動和熱特性的表征微納結(jié)構(gòu)運動界面在限域空間內(nèi)的流體流動和熱特性會直接影響運動結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和微納慣性器件的性能。由于微尺度效應(yīng)和限域空間的影響，宏觀領(lǐng)域熱特性和流體流動特性的研究方法已經(jīng)不適合微納運動界面的表征，而且高速運動下的微納結(jié)構(gòu)由于摩擦和阻尼可能也會改變限域空間中的多相環(huán)境特性，從而使得其工作環(huán)境變得復(fù)雜，進而影響器件的運動特性。因此，研究限域空 間內(nèi)微納結(jié)構(gòu)熱物理學(xué)和流體的動態(tài)特性表征方法極具挑戰(zhàn)性。為此，將開展以下研究： 限域空間內(nèi)微納運動界面流體特性的表征與測試方法 限域空間內(nèi)微納運動界面體系的熱學(xué)測試等效模擬試驗方法 限域空間內(nèi)微納運動界面體系的熱源及傳熱特性表征方法 限域空間內(nèi)微納運動界面體系的熱物理學(xué)特征分析及動態(tài)溫度場測試方法關(guān)鍵科學(xué)問題四：運動界面納米效應(yīng)與微納慣性器件性能的相關(guān)性微納慣性器件運動界面納米效應(yīng)對敏感結(jié)構(gòu)運動特性具有顯著的影響。對新型微納慣性器件液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，可以利用納米效應(yīng)來調(diào)控運動界面的浸潤性和粘附性，從而改善轉(zhuǎn)子的運動特性，提高器件的性能。 對此，必須解答如下問題：運動界面特殊浸潤性與粘附性對陀螺轉(zhuǎn)子運動特性的作用機制；陀螺轉(zhuǎn)子運動狀態(tài)對運動界面效應(yīng)產(chǎn)生的影響；高速運動結(jié)構(gòu)在運動界面產(chǎn)生的熱量對陀螺性能的影響，針對以上問題，需要 圍繞運動界面的納米效應(yīng)與微納慣性器件性能相關(guān)性這一關(guān)鍵科學(xué)問題，開展以下兩方面的研究：(1) 運動界面 納米效應(yīng)與液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺性能相關(guān)性機理隨著結(jié)構(gòu)尺度的減小，液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺轉(zhuǎn)子比表面積顯著增大，運動界面對轉(zhuǎn)子運動性能的影響更為顯著；運動界面處液體、氣體流場對轉(zhuǎn)子表面浸潤性、粘附性等界面效應(yīng)產(chǎn)生明顯的作用；陀螺轉(zhuǎn)子工作過程中受多物理場與多相環(huán)境的耦合作用，使得運動界面與液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺性能之間產(chǎn)生更為復(fù)雜的相關(guān)性。為此，將開展如下研究內(nèi)容： 多場、多相耦合下的微陀螺動力學(xué)建模 微納表面結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子運動速度和穩(wěn)定性的影響 流固界面表面張力對轉(zhuǎn)子懸浮穩(wěn)定性的影響 微陀螺工作過程中熱學(xué)特性對系統(tǒng)性能的影響(2) 基于界面納米效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺原理驗證為開展基于界面納米效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺原理驗證，必須利用運動界面納米效應(yīng)與陀螺性能相關(guān)性機理的研究成果，綜合考慮陀螺轉(zhuǎn)子工作過程中所受磁、熱、 電、力等多 場作用的機制，進行微陀螺結(jié)構(gòu)建模與優(yōu)化設(shè)計，研究陀螺轉(zhuǎn)子的超穩(wěn)驅(qū)動以及陀螺結(jié)構(gòu)超微弱信號檢測方法，利用跨尺度加工方法，實現(xiàn)陀螺原理演示系統(tǒng)。為此，將開展如下研究： 液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺結(jié)構(gòu)建模與優(yōu)化 液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺超穩(wěn)驅(qū)動控制與超微弱信號檢測 液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺原理演示系統(tǒng)的實現(xiàn) 液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺的測試與性能表征二、預(yù)期目標(biāo)1、總體目標(biāo)本項目針對我國國防武器裝備和國民經(jīng)濟發(fā)展中對高性能微慣性器件的迫切需求，開展高性能微納慣性器件運動界面納米效應(yīng)基礎(chǔ)問題研究，揭示運動界面納米新效應(yīng)和新規(guī)律，闡明運動界面納米效應(yīng)和微納慣性器件性能相關(guān)性機理，利用界面納米效應(yīng)改善敏感結(jié)構(gòu)的運動特性從而有效提高器件性能，建立微納慣性器件跨尺度制造的新方法和新工藝，實現(xiàn)基于運動界面納米效應(yīng)的高性能微陀螺的原理演示實驗。研究成果將為我國高性能微納慣性器件實現(xiàn)自主研發(fā)和跨越式發(fā)展奠定基礎(chǔ)，使 MEMS 器件運動界面納米效應(yīng)的理論研究達到國際領(lǐng)先水平，帶動 MEMS 技術(shù)和納米技術(shù)的全面發(fā)展。2、五年預(yù)期目標(biāo)(1) 發(fā)現(xiàn)運動界面的納米新效應(yīng)和新機理：針對微納運動界面納米效應(yīng)的基礎(chǔ)問題，揭示高速運動界面的納米新效應(yīng)，建立 產(chǎn)生特殊浸潤性特性的流固材料的合理匹配準則，揭示納米效應(yīng)對微納慣性器件流固運動界面力學(xué)特性的影響規(guī)律，為制備低摩擦阻力的特殊浸潤性表面材料和結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)；獲得微納慣性器件運動界面納米效應(yīng)對限域空間內(nèi)流場及系統(tǒng)熱特性的影響規(guī)律，最終為實現(xiàn)基于納米技術(shù)的高性能微納慣性器件的設(shè)計制造提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計依據(jù)。(2) 建立微納結(jié)構(gòu)的跨尺度制造新方法：提出納米晶粒尺度與織構(gòu)精確控制的方法，耐持久摩擦的特殊浸潤性納米層的制備工藝，揭示運動界面納米材料的磨損機理，建立微納結(jié)構(gòu)加工過程中的應(yīng)力場分布模型，提出近無應(yīng)力微納加工方法；形成自上而下的表面納米功能材料的精確控制制造方法，實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)制造均勻性優(yōu)于 10%，功能性材料組裝的誤差小于 5%，微納器件微細加工表面粗糙度達到亞微米精度,平面度達到微米精度，為高性能微納慣性器件的跨尺度制造奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。(3) 提出高速運動下微納結(jié)構(gòu)的物理特性表征新方法：建立高速運動下微納結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，提出運動界面浸潤性、粘附性、微摩擦、熱生成等關(guān)鍵特性的測試方法，揭示微納慣性器件能量損耗和噪聲特性在微納尺寸下的作用機理和隨尺寸變化的物理規(guī)律，表征微納結(jié)構(gòu)表面形貌和化學(xué)成分對運動界面特性的影響，為理論研究和制造方法提供技術(shù)支撐。(4) 發(fā)明高性能微納慣性新器件：針對高性能微慣性器件的應(yīng)用需求，探索基于界面納米效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺新器件；揭示運動界面的納米效應(yīng)和器件性能相關(guān)性機理，建立多場耦合下的 MEMS 陀螺轉(zhuǎn)子的動力學(xué)模型，提出表面納米處理實現(xiàn)轉(zhuǎn)子減阻的新方法；建立微陀螺穩(wěn)定驅(qū)動控制和微弱信號檢測的