第2章　微尺度效應(yīng)

2.1　概述

當(dāng)構(gòu)件的幾何尺寸縮小到一定范圍時將出現(xiàn)尺寸效應(yīng)，即材料性能和構(gòu)件的力學(xué)行為將發(fā)生很大的變化。

尺寸效應(yīng)的影響反映在許多方面，構(gòu)件尺寸減小使材料內(nèi)部缺陷減少，因而材料的機構(gòu)強度顯著增加。微構(gòu)件的彈性模量、抗拉強度、斷裂韌性、疲勞強度以及殘余應(yīng)力等均與大構(gòu)件不同，而且有些表征材料性能的物理量需要重新定義。

其次需考慮表面效應(yīng)，即微小尺寸使得表面力起主要作用，需對傳統(tǒng)機械的力學(xué)原理與分析進(jìn)行修正。尺度的微細(xì)，使得表面積體積比增大，凡與尺寸高次方成比例的力，如慣性力、電磁力等的作用相對減弱，而與尺寸低次方成比例的黏性力、表面張力、靜電力、摩擦力等的作用顯著增加。

表面積與體積之比相對增加也使得熱傳導(dǎo)和化學(xué)反應(yīng)速度也相應(yīng)增加。如對于發(fā)動機來說，氣量和發(fā)動機的推力與特征尺度的平方成正比，而發(fā)動機的質(zhì)量是特征尺度的三次方，所以當(dāng)發(fā)動機尺度減小時，其推力重量比就會按特征尺寸的減小而線性增加。根據(jù)推算，當(dāng)發(fā)動機縮小至毫米量級時，其推力重量比可達(dá)100∶1左右，比目前最好的發(fā)動機還高一個量級。又如，由于離心力與特征尺度平方成正比，在微機電系統(tǒng)中利用離心力來驅(qū)動流體已不再合適，故利用表面黏性力來泵進(jìn)流體。又如，由于熱現(xiàn)象的慣性很大，所以在常規(guī)尺度條件下，很難利用熱現(xiàn)象去驅(qū)動和控制流動介質(zhì)。然而當(dāng)尺寸應(yīng)微小化后，表面換熱大大增加，時間常數(shù)很小，使傳熱現(xiàn)象應(yīng)用于流動控制成為可能。

聲、光、電、磁、力、流體、傳熱等基本現(xiàn)象將隨著尺度減小出現(xiàn)新的效應(yīng)，如隧道效應(yīng)。

微構(gòu)件的尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)也是發(fā)生黏附失效的原因。特別在加工懸臂梁和加工膜時或在微構(gòu)件運動過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)相鄰構(gòu)件的平行表面間的黏附，甚至發(fā)生粘連。其原因是由于微機電系統(tǒng)構(gòu)件尺度的微小化，致使黏性力、表面張力、靜電力、摩擦力等相對于慣性力、電磁力的作用顯著增強，構(gòu)件表面效應(yīng)突出。加上構(gòu)件間的間隙小、表面光滑，易受表面力的影響的緣故；即使在真空條件下，由于量子效應(yīng)產(chǎn)生的表面力也會產(chǎn)生粘連。