據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，Brown University（美國(guó)布朗大學(xué)）的研究人員設(shè)計(jì)出了一種測(cè)量微表面黏附力的新方法。該研究成果刊登于近期的《Proceedings of the Royal Society A》，或?qū)⒂兄诎⑿瓦\(yùn)動(dòng)部件的MEMS器件的設(shè)計(jì)和制造。

對(duì)于橋梁和建筑，工程結(jié)構(gòu)需要考量的最重要的力是重力。但對(duì)于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)，例如智能手機(jī)和健身追蹤設(shè)備中使用的微型加速度計(jì)等）這種尺寸級(jí)別的器件，重力的影響相對(duì)較小，而材料間的黏附力則變得更加重要。

“在微觀尺寸上最主要的問(wèn)題是哪些部件會(huì)相互黏附，”布朗大學(xué)工程學(xué)院助理教授、本研究共同作者Haneesh Kesari說(shuō)，“如果器件中兩個(gè)不應(yīng)該黏附在一起的結(jié)構(gòu)，因?yàn)轲じ搅Y(jié)合在一起了，那這個(gè)器件就無(wú)法正常工作。因此為了更好地設(shè)計(jì)MEMS器件，需要一種更好的方法來(lái)測(cè)量所使用材料的黏附力。”

這就是Kesari及布朗大學(xué)兩位研究生Wenqiang Fang 和Joyce Mok希望在本研究中解決的問(wèn)題。明確地說(shuō)，他們希望可以準(zhǔn)確測(cè)量“黏附力”的大小，亦即分開(kāi)兩個(gè)黏附表面所需要的能量。

這項(xiàng)新研究開(kāi)發(fā)的核心理論是利用微型懸臂梁的熱振動(dòng)來(lái)計(jì)算黏附力，并提出了一種測(cè)量方法，利用稍加改進(jìn)的原子力顯微鏡（AFM）系統(tǒng)來(lái)探測(cè)微表面黏附力的相關(guān)性質(zhì)。

原子力顯微鏡的原理示意圖

標(biāo)準(zhǔn)的AFM系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)有些類似復(fù)古的唱片機(jī)，利用一端具有微小針尖的微懸臂掃過(guò)目標(biāo)材料，通過(guò)檢測(cè)針尖和目標(biāo)材料表面之間微小的原子間相互作用力的變化，可以獲得作用力的分布信息，從而可以進(jìn)一步研究材料的表面性質(zhì)。

利用這一方法來(lái)測(cè)量黏附力，如下圖所示，只需簡(jiǎn)單地把懸臂上的微小針尖去掉，然后將平滑的微懸臂降低，靠近目標(biāo)材料，使微懸臂和目標(biāo)材料接觸。當(dāng)微懸臂輕微抬起時(shí)，懸臂和目標(biāo)材料會(huì)逐漸分離，但仍有部分會(huì)保持黏著。而在此過(guò)程中，懸臂非黏著的部分會(huì)發(fā)生非常輕微的振動(dòng)。研究人員找到了一種有效的方法，利用AFM激光器來(lái)探測(cè)振動(dòng)的幅度，計(jì)算非黏著部分的長(zhǎng)度，然后利用它來(lái)進(jìn)一步計(jì)算目標(biāo)材料的黏附力。

“通過(guò)稍加改動(dòng)，一臺(tái)原子力顯微鏡就能用于測(cè)量微小材料的黏附力，”本研究共同作者Fang說(shuō)，“該技術(shù)或能用于評(píng)估新材料涂層或表面結(jié)構(gòu)的黏附力，以降低MEMS器件由于黏附而造成的失效問(wèn)題?！?/span>

“如果能擁有一種穩(wěn)定可靠的方法來(lái)測(cè)量材料的黏附力，那么我們可以系統(tǒng)地評(píng)估那些方案，獲得特定應(yīng)用所需要的黏附力，”Fang補(bǔ)充說(shuō)，“該測(cè)量方法的主要優(yōu)勢(shì)是我們不需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的AFM設(shè)備做大幅改動(dòng)，便能完成黏附力的測(cè)量?！?/span>

MoK補(bǔ)充說(shuō)：“該測(cè)量方法也比其它方案要簡(jiǎn)便的多?！?/span>

“之前基于干涉測(cè)量的方案比較耗費(fèi)人力，可能還需要很多的數(shù)據(jù)點(diǎn)采集，”她說(shuō)，“而根據(jù)我們的理論，僅需一步測(cè)量便能得到黏附力結(jié)果。”

布朗大學(xué)的研究人員用數(shù)據(jù)展示了這項(xiàng)研究成果，并稱下一步研究將打造一款系統(tǒng)，收集更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。他們希望該系統(tǒng)能夠有效推動(dòng)MEMS領(lǐng)域的發(fā)展。

“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了較成熟的MEMS加速度計(jì)和陀螺儀，但是，我認(rèn)為該領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間，”Kesari說(shuō)，“部分原因便是我們還沒(méi)有完全了解微觀尺度的黏附問(wèn)題。我們認(rèn)為更可靠地黏附力測(cè)量方法，是進(jìn)一步研究微觀尺寸黏附問(wèn)題的先決條件?！?/span>