微纳惯性器件运动界面纳米效应基础问题研究

项目名称： 微纳惯性器件运动界面纳米效应基础问题研究首席科学家： 刘晓为 哈尔滨工业大学起止年限： 2012.1至 2016.8依托部门： 信息产业部一、关键科学问题及研究内容本项目针对 MEMS 器件微结构的运动界面效应严重影响器件性能这一共性问题，开展微纳惯性器件运 动界面纳米效应的基础问题研究，为高性能 MEMS 惯性器件研究奠定基础，拟开展以下四个科学问题研究：关键科学问题一：限域空间内微纳结构运动界面纳米效应及调控目前，对微结构的研究大都局限于在常规工作环境中的机电耦合分析。对于更为复杂的新型微纳惯性器件，不仅涉及到典型的微纳机电结构，而且还需考虑微纳结构的界面效应、流体流变特性等问题，其相 应的控制机理会与常规尺度有根本的不同。微纳运动结构的工作区域通常处于封闭、动态和狭小的限域空间内，相对于一般开放空间而言，其运动界面的浸润性、粘附性可能呈现不同的变化规律。界面性能在动态环境下能否保持稳定？限域空间内界面效应对微纳器件的敏感结构特性的影响是否遵循一定的规律？由于界面效应而导致的流体流动状态的变化对运动结构的动力学行为具有什么样的影响？针对以上问题，需要围绕限域空间内微纳结构运动界面纳米效应及调控这一关键科学问题，开展以下三方面的研究：(1) 限域空间内微纳运动结 构表面浸润性与粘附性由于 MEMS 器件的比表面积远大于常规机械器件，因此，运动速度和稳定性强烈地依赖于微结构运动界面的特性，特别是在采用固液体系的 MEMS 器件中，固液界面上的浸润性、粘附性将对器件的性能产生严重影响。另外，多数 MEMS器件的运动界面处于封闭、动态流体、 动态压强环境下，其浸润性和粘附性将不同于常规开放、常压、静态或准静态环境，需要有 针对 性地研究界面纳米效应在限域空间内的规律性和内在原理。为此，将开展如下研究： 限域空间内微纳结构表面形貌及化学组成对浸润性、粘附性等界面效应的影 响 限域空间内动态环境下微纳结构表面浸润性的稳定性及内在原理 限域空间内微纳结构的温度变化对其表面浸润性、粘附性的影响及其智能调控方法 限域空间内特定的器件材料、结构以及流固材料的匹配性对不同速度条件下界面纳米效应的影响(2) 纳米效应对微纳结构运 动界面力学特性的影响在微纳器件中，表面力的作用随尺度减小而增大，摩擦力和粘附力等表面力对器件性能影响很大。在微纳器件中，摩擦力主要来自微纳结构界面分子及原子的相互作用。界面纳米效应不仅将改变近壁面和限域空间内流体的流变特性，而且也在很大程度上决定着流固界面的粘附和滑移，进而影响结构的运动阻力。为此，将开展如下研究： 产生特殊纳米效应的流固材料优化匹配准则 界面纳米效应对固体近壁面和限域空间内流体流变特性的影响 界面纳米效应对流固界面滑移和界面粘滞阻力特性的影响 运动界面力学行为对能量耗散影响的机理(3) 微纳结构运动界面纳米效 应对限域空间内流场 及系统热特性的影响微纳器件流固界面的纳米效应直接影响限域空间内流体的流动状态。运动结构壁面附近流体的流动状态会对流固界面的粘滞阻力产生影响。在限域空间内流体会因粘滞力作用而产生热量，导致系统温升。流体的粘温特性和系统的热特性将由于温升而发生变化，进而影响系统的整体性能。为此，将开展如下研究： 界面纳米效应对近壁面及限域空间内流体流动状态的影响 界面纳米效应对流固界面处热生成、热传导的影响 界面纳米效应对微纳器件热特性的影响关键科学问题二：微纳惯性器件跨尺度制造机理与控制高性能微纳惯性器件对微纳结构运动界面的要求变得更为特殊与复杂，对制造方法的要求更高。材料微观结构的调控和制备方法、跨尺度精密制造以及多种材料和工艺的兼容性对微纳惯性器件性能的影响已经成为亟待解决的问题。对现有材料及其加工原理和技术提出了新的挑战，如：加工表面形貌对浸润性和粘附性的影响；超对称、超平整、超低应力微纳结构的加工以及超持久耐摩擦纳米表面的制备；微纳运动结构微米尺度织构、纳米结构析出相形态的精确控制。针对以上问题，需要围绕微纳惯性器件跨尺度制造机理与控制这一关键科学问题，开展以下三方面的研究：（1）微纳惯性器件功能材料及表面纳米结构的制备与控制现有材料很难满足高性能微纳惯性器件的要求，需要开展高性能微纳惯性器件材料和运动界面功能纳米结构制备方法的研究，揭示材料的成分、微观结构、制备方法等对其性能的影响机理。为了获得良好的运动特性，在微纳结构表面需要实现纳米特殊浸润层的制备，同时需要研究纳米表面运动过程中的损伤机理，实现特殊浸润层的抗磨损。为此，将开展如下研究： 微纳惯性器件功能材料制备、微观结构及性能调控 微纳惯性器件表面特殊浸润层的制备及稳固结构形成条件 自适应、自组装腐蚀掩膜生长条件及形成机理 运动界面纳米功能材料损伤机理与控制 运动界面纳米功能材料组装条件及其在特定环境中的行为（2）特殊微纳结构的跨尺度加工微纳惯性器件中存在对超对称、超平整、超低应力的跨尺度关键微纳结构的需求，这对制造工艺提出了前所未有的挑战。 为了实现高平整度和高对称性跨尺度结构的加工，其加工方法的无应力控制至关重要，因此，不能通 过对现有的加工制造方法的简单改进来实现微纳结构的制造，而是应该基于全新的加工理论，开展微结构的新加工方法和制造机理的研究。为此，将开展如下研究： 微纳结构加工过程中的应力场模型及残余应力分布规律 超对称、超平整微纳结构跨尺度加工残余应力调控方法 微纳结构跨尺度近无应力加工方法与制造机理（3）多材料、跨尺度、复 杂结 构的兼容性制造机理高性能微纳惯性器件的纳米功能材料多种多样，其制备方法更为复杂，同时微制造的器件结构和表面质量等因素又会对纳米功能材料产生显著影响。比如，微纳惯性器件表面的特殊浸润层材料结合强度、耐损伤等性能与微纳器件结构的材料、表面质量等因素息息相关。这就要求从不同材料和结构出发，探索跨尺度微纳加工工艺的兼容性制造机理，实现多种材料、复杂结构的微纳器件一体化集成制造。为此，将开展如下研究： 多材料、宏微复杂结构的兼容制造工艺机理 微纳器件结构、尺寸和性能优化制造技术 微纳器件一体化集成封装技术关键科学问题三：微纳结构运动界面的物理特性表征限域空间内高速运动下的微纳结构运动界面由于纳米效应而变得极为复杂，使得微纳结构的表面浸润性、粘附性、力学、热学等特性与宏观体系有着很大的不同，这些物理特性对器件性能的影响需要通过有效的测试手段来评价。目前对宏观尺度准静态结构的物理特性 (如浸润性和粘附性、力学、热学) 表征方法相对成熟，但对于限域空间内处于高速运动状态的微纳结构表面浸润性和粘附性缺乏有效表征手段；多场和多相作用下的微纳结构的动力学特性测试也尚无有效手段；同时高速运动的微纳结构表面流体的流动和传热均可能与经典理论的前提假设相违背，而且限域空间内高速运动流体的流动和传热行为的研究同样缺少有效方法，因此，流体的流动和传热行为的研究必须发展全新的表征方法。 针对以上问题，需要围绕微纳结构运动界面的物理特性表征这一关键科学问题，开展以下三方面的研究：（1）限域空间内微纳结构运动界面浸润性和粘附性表征随 MEMS 惯性器件结构尺度的减小，界面效应对其可动结构运动特性的影响越发显著，对限域空间内微纳结构运动界面特性及相关效应的精确表征已经成为高性能微纳惯性器件研究的关键。为了建立微纳运动界面物理化学性质与界面效应之间的定量关系，必须对微纳运动结构的表面成分、表面形貌、界面浸润性与粘附性进行精确测量和表征。为此，将开展如下研究： 微纳结构界面成分分析 微纳结构运动界面形态的测量和表征 微纳结构运动界面浸润性与粘附性的测量分析和表征（2）微纳结构运动界面的动力学特性表征目前，对于微纳结构的力学特性测试都是在静态或准静态的约束条件下完成，其表征手段并不适合具有特定功能结构的力学性能分析，尤其是对微纳运动结构的动态测量，尚无完善的方法来获得其动力学性能和规律：一方面传统运动结构的动力学规律难以直接运用到包含固液、固气、液气以及固液气多相包容的功能界面的动力学特性研究当中；另一方面，微纳运动结构受到表面力及固、液、气多相耦合的作用，其界面特性变化较大。此外，受限空 间的封闭特性和密封方法及多相运动稳定性的表征和测试等方面的研究需要深入研究。为此，将开展如下研究： 微纳运动结构的几何表征及其测试方法 微纳运动结构的动力学参数提取方法 微纳运动结构的流固界面滑移与粘滞力测试方法 微纳运动结构的能量耗散与过载表征及测试方法 受限空间的密封方法和封闭特性的表征和测试方法（3）限域空间内微纳运动界面流体流动和热特性的表征微纳结构运动界面在限域空间内的流体流动和热特性会直接影响运动结构的稳定性和微纳惯性器件的性能。由于微尺度效应和限域空间的影响，宏观领域热特性和流体流动特性的研究方法已经不适合微纳运动界面的表征，而且高速运动下的微纳结构由于摩擦和阻尼可能也会改变限域空间中的多相环境特性，从而使得其工作环境变得复杂，进而影响器件的运动特性。因此，研究限域空 间内微纳结构热物理学和流体的动态特性表征方法极具挑战性。为此，将开展以下研究： 限域空间内微纳运动界面流体特性的表征与测试方法 限域空间内微纳运动界面体系的热学测试等效模拟试验方法 限域空间内微纳运动界面体系的热源及传热特性表征方法 限域空间内微纳运动界面体系的热物理学特征分析及动态温度场测试方法关键科学问题四：运动界面纳米效应与微纳惯性器件性能的相关性微纳惯性器件运动界面纳米效应对敏感结构运动特性具有显著的影响。对新型微纳惯性器件液浮转子式微陀螺，可以利用纳米效应来调控运动界面的浸润性和粘附性，从而改善转子的运动特性，提高器件的性能。 对此，必须解答如下问题：运动界面特殊浸润性与粘附性对陀螺转子运动特性的作用机制；陀螺转子运动状态对运动界面效应产生的影响；高速运动结构在运动界面产生的热量对陀螺性能的影响，针对以上问题，需要 围绕运动界面的纳米效应与微纳惯性器件性能相关性这一关键科学问题，开展以下两方面的研究：(1) 运动界面 纳米效应与液浮转子式微陀螺性能相关性机理随着结构尺度的减小，液浮转子式微陀螺转子比表面积显著增大，运动界面对转子运动性能的影响更为显著；运动界面处液体、气体流场对转子表面浸润性、粘附性等界面效应产生明显的作用；陀螺转子工作过程中受多物理场与多相环境的耦合作用，使得运动界面与液浮转子式微陀螺性能之间产生更为复杂的相关性。为此，将开展如下研究内容： 多场、多相耦合下的微陀螺动力学建模 微纳表面结构对转子运动速度和稳定性的影响 流固界面表面张力对转子悬浮稳定性的影响 微陀螺工作过程中热学特性对系统性能的影响(2) 基于界面纳米效应的液浮转子式微陀螺原理验证为开展基于界面纳米效应的液浮转子式微陀螺原理验证，必须利用运动界面纳米效应与陀螺性能相关性机理的研究成果，综合考虑陀螺转子工作过程中所受磁、热、 电、力等多 场作用的机制，进行微陀螺结构建模与优化设计，研究陀螺转子的超稳驱动以及陀螺结构超微弱信号检测方法，利用跨尺度加工方法，实现陀螺原理演示系统。为此，将开展如下研究： 液浮转子式微陀螺结构建模与优化 液浮转子式微陀螺超稳驱动控制与超微弱信号检测 液浮转子式微陀螺原理演示系统的实现 液浮转子式微陀螺的测试与性能表征二、预期目标1、总体目标本项目针对我国国防武器装备和国民经济发展中对高性能微惯性器件的迫切需求，开展高性能微纳惯性器件运动界面纳米效应基础问题研究，揭示运动界面纳米新效应和新规律，阐明运动界面纳米效应和微纳惯性器件性能相关性机理，利用界面纳米效应改善敏感结构的运动特性从而有效提高器件性能，建立微纳惯性器件跨尺度制造的新方法和新工艺，实现基于运动界面纳米效应的高性能微陀螺的原理演示实验。研究成果将为我国高性能微纳惯性器件实现自主研发和跨越式发展奠定基础，使 MEMS 器件运动界面纳米效应的理论研究达到国际领先水平，带动 MEMS 技术和纳米技术的全面发展。2、五年预期目标(1) 发现运动界面的纳米新效应和新机理：针对微纳运动界面纳米效应的基础问题，揭示高速运动界面的纳米新效应，建立 产生特殊浸润性特性的流固材料的合理匹配准则，揭示纳米效应对微纳惯性器件流固运动界面力学特性的影响规律，为制备低摩擦阻力的特殊浸润性表面材料和结构提供理论基础；获得微纳惯性器件运动界面纳米效应对限域空间内流场及系统热特性的影响规律，最终为实现基于纳米技术的高性能微纳惯性器件的设计制造提供理论基础和设计依据。(2) 建立微纳结构的跨尺度制造新方法：提出纳米晶粒尺度与织构精确控制的方法，耐持久摩擦的特殊浸润性纳米层的制备工艺，揭示运动界面纳米材料的磨损机理，建立微纳结构加工过程中的应力场分布模型，提出近无应力微纳加工方法；形成自上而下的表面纳米功能材料的精确控制制造方法，实现纳米结构制造均匀性优于 10%，功能性材料组装的误差小于 5%，微纳器件微细加工表面粗糙度达到亚微米精度,平面度达到微米精度，为高性能微纳惯性器件的跨尺度制造奠定坚实的技术基础。(3) 提出高速运动下微纳结构的物理特性表征新方法：建立高速运动下微纳结构的数学模型，提出运动界面浸润性、粘附性、微摩擦、热生成等关键特性的测试方法，揭示微纳惯性器件能量损耗和噪声特性在微纳尺寸下的作用机理和随尺寸变化的物理规律，表征微纳结构表面形貌和化学成分对运动界面特性的影响，为理论研究和制造方法提供技术支撑。(4) 发明高性能微纳惯性新器件：针对高性能微惯性器件的应用需求，探索基于界面纳米效应的液浮转子式微陀螺新器件；揭示运动界面的纳米效应和器件性能相关性机理，建立多场耦合下的 MEMS 陀螺转子的动力学模型，提出表面纳米处理实现转子减阻的新方法；建立微陀螺稳定驱动控制和微弱信号检测的