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美国布朗大学研发出新的黏附力测量方法

导读: 据麦姆斯咨询报道,Brown University(美国布朗大学)的研究人员设计出了一种测量微表面黏附力的新方法。该研究成果刊登于近期的《Proceedings of the Royal Society A》,或将有助于包含微型运动部件的MEMS器件的设计和制造。

据麦姆斯咨询报道,Brown University(美国布朗大学)的研究人员设计出了一种测量微表面黏附力的新方法。该研究成果刊登于近期的《Proceedings of the Royal Society A》,或将有助于包含微型运动部件的MEMS器件的设计和制造。

美国布朗大学开发出新的黏附力测量方法

对于桥梁和建筑,工程结构需要考量的最重要的力是重力。但对于MEMS(微机电系统,例如智能手机和健身追踪设备中使用的微型加速度计等)这种尺寸级别的器件,重力的影响相对较小,而材料间的黏附力则变得更加重要。

“在微观尺寸上最主要的问题是哪些部件会相互黏附,”布朗大学工程学院助理教授、本研究共同作者Haneesh Kesari说,“如果器件中两个不应该黏附在一起的结构,因为黏附力结合在一起了,那这个器件就无法正常工作。因此为了更好地设计MEMS器件,需要一种更好的方法来测量所使用材料的黏附力。”

这就是Kesari及布朗大学两位研究生Wenqiang Fang 和Joyce Mok希望在本研究中解决的问题。明确地说,他们希望可以准确测量“黏附力”的大小,亦即分开两个黏附表面所需要的能量。

这项新研究开发的核心理论是利用微型悬臂梁的热振动来计算黏附力,并提出了一种测量方法,利用稍加改进的原子力显微镜(AFM)系统来探测微表面黏附力的相关性质。

美国布朗大学开发出新的黏附力测量方法

原子力显微镜的原理示意图

标准的AFM系统在运行时有些类似复古的唱片机,利用一端具有微小针尖的微悬臂扫过目标材料,通过检测针尖和目标材料表面之间微小的原子间相互作用力的变化,可以获得作用力的分布信息,从而可以进一步研究材料的表面性质。

利用这一方法来测量黏附力,如下图所示,只需简单地把悬臂上的微小针尖去掉,然后将平滑的微悬臂降低,靠近目标材料,使微悬臂和目标材料接触。当微悬臂轻微抬起时,悬臂和目标材料会逐渐分离,但仍有部分会保持黏着。而在此过程中,悬臂非黏着的部分会发生非常轻微的振动。研究人员找到了一种有效的方法,利用AFM激光器来探测振动的幅度,计算非黏着部分的长度,然后利用它来进一步计算目标材料的黏附力。

美国布朗大学开发出新的黏附力测量方法

“通过稍加改动,一台原子力显微镜就能用于测量微小材料的黏附力,”本研究共同作者Fang说,“该技术或能用于评估新材料涂层或表面结构的黏附力,以降低MEMS器件由于黏附而造成的失效问题。”

“如果能拥有一种稳定可靠的方法来测量材料的黏附力,那么我们可以系统地评估那些方案,获得特定应用所需要的黏附力,”Fang补充说,“该测量方法的主要优势是我们不需要对标准的AFM设备做大幅改动,便能完成黏附力的测量。”

MoK补充说:“该测量方法也比其它方案要简便的多。”

“之前基于干涉测量的方案比较耗费人力,可能还需要很多的数据点采集,”她说,“而根据我们的理论,仅需一步测量便能得到黏附力结果。”

布朗大学的研究人员用数据展示了这项研究成果,并称下一步研究将打造一款系统,收集更多的实验数据。他们希望该系统能够有效推动MEMS领域的发展。

“我们已经开发出了较成熟的MEMS加速度计和陀螺仪,但是,我认为该领域还有很大的发展空间,”Kesari说,“部分原因便是我们还没有完全了解微观尺度的黏附问题。我们认为更可靠地黏附力测量方法,是进一步研究微观尺寸黏附问题的先决条件。”

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