第2章　微尺度效应

2.1　概述

当构件的几何尺寸缩小到一定范围时将出现尺寸效应，即材料性能和构件的力学行为将发生很大的变化。

尺寸效应的影响反映在许多方面，构件尺寸减小使材料内部缺陷减少，因而材料的机构强度显著增加。微构件的弹性模量、抗拉强度、断裂韧性、疲劳强度以及残余应力等均与大构件不同，而且有些表征材料性能的物理量需要重新定义。

其次需考虑表面效应，即微小尺寸使得表面力起主要作用，需对传统机械的力学原理与分析进行修正。尺度的微细，使得表面积体积比增大，凡与尺寸高次方成比例的力，如惯性力、电磁力等的作用相对减弱，而与尺寸低次方成比例的黏性力、表面张力、静电力、摩擦力等的作用显著增加。

表面积与体积之比相对增加也使得热传导和化学反应速度也相应增加。如对于发动机来说，气量和发动机的推力与特征尺度的平方成正比，而发动机的质量是特征尺度的三次方，所以当发动机尺度减小时，其推力重量比就会按特征尺寸的减小而线性增加。根据推算，当发动机缩小至毫米量级时，其推力重量比可达100∶1左右，比目前最好的发动机还高一个量级。又如，由于离心力与特征尺度平方成正比，在微机电系统中利用离心力来驱动流体已不再合适，故利用表面黏性力来泵进流体。又如，由于热现象的惯性很大，所以在常规尺度条件下，很难利用热现象去驱动和控制流动介质。然而当尺寸应微小化后，表面换热大大增加，时间常数很小，使传热现象应用于流动控制成为可能。

声、光、电、磁、力、流体、传热等基本现象将随着尺度减小出现新的效应，如隧道效应。

微构件的尺度效应和表面效应也是发生黏附失效的原因。特别在加工悬臂梁和加工膜时或在微构件运动过程中，经常会出现相邻构件的平行表面间的黏附，甚至发生粘连。其原因是由于微机电系统构件尺度的微小化，致使黏性力、表面张力、静电力、摩擦力等相对于惯性力、电磁力的作用显著增强，构件表面效应突出。加上构件间的间隙小、表面光滑，易受表面力的影响的缘故；即使在真空条件下，由于量子效应产生的表面力也会产生粘连。