據(jù)麥姆斯咨詢報道，Brown University（美國布朗大學）的研究人員設計出了一種測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\動部件的MEMS器件的設計和制造。

對于橋梁和建筑，工程結(jié)構(gòu)需要考量的最重要的力是重力。但對于MEMS（微機電系統(tǒng)，例如智能手機和健身追蹤設備中使用的微型加速度計等）這種尺寸級別的器件，重力的影響相對較小，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題是哪些部件會相互黏附，”布朗大學工程學院助理教授、本研究共同作者Haneesh Kesari說，“如果器件中兩個不應該黏附在一起的結(jié)構(gòu)，因為黏附力結(jié)合在一起了，那這個器件就無法正常工作。因此為了更好地設計MEMS器件，需要一種更好的方法來測量所使用材料的黏附力?！?/span>

這就是Kesari及布朗大學兩位研究生Wenqiang Fang 和Joyce Mok希望在本研究中解決的問題。明確地說，他們希望可以準確測量“黏附力”的大小，亦即分開兩個黏附表面所需要的能量。

這項新研究開發(fā)的核心理論是利用微型懸臂梁的熱振動來計算黏附力，并提出了一種測量方法，利用稍加改進的原子力顯微鏡（AFM）系統(tǒng)來探測微表面黏附力的相關性質(zhì)。

原子力顯微鏡的原理示意圖

標準的AFM系統(tǒng)在運行時有些類似復古的唱片機，利用一端具有微小針尖的微懸臂掃過目標材料，通過檢測針尖和目標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，從而可以進一步研究材料的表面性質(zhì)。

利用這一方法來測量黏附力，如下圖所示，只需簡單地把懸臂上的微小針尖去掉，然后將平滑的微懸臂降低，靠近目標材料，使微懸臂和目標材料接觸。當微懸臂輕微抬起時，懸臂和目標材料會逐漸分離，但仍有部分會保持黏著。而在此過程中，懸臂非黏著的部分會發(fā)生非常輕微的振動。研究人員找到了一種有效的方法，利用AFM激光器來探測振動的幅度，計算非黏著部分的長度，然后利用它來進一步計算目標材料的黏附力。

“通過稍加改動，一臺原子力顯微鏡就能用于測量微小材料的黏附力，”本研究共同作者Fang說，“該技術或能用于評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題?！?/span>

“如果能擁有一種穩(wěn)定可靠的方法來測量材料的黏附力，那么我們可以系統(tǒng)地評估那些方案，獲得特定應用所需要的黏附力，”Fang補充說，“該測量方法的主要優(yōu)勢是我們不需要對標準的AFM設備做大幅改動，便能完成黏附力的測量?！?/span>

MoK補充說：“該測量方法也比其它方案要簡便的多。”

“之前基于干涉測量的方案比較耗費人力，可能還需要很多的數(shù)據(jù)點采集，”她說，“而根據(jù)我們的理論，僅需一步測量便能得到黏附力結(jié)果?！?/span>

布朗大學的研究人員用數(shù)據(jù)展示了這項研究成果，并稱下一步研究將打造一款系統(tǒng)，收集更多的實驗數(shù)據(jù)。他們希望該系統(tǒng)能夠有效推動MEMS領域的發(fā)展。

“我們已經(jīng)開發(fā)出了較成熟的MEMS加速度計和陀螺儀，但是，我認為該領域還有很大的發(fā)展空間，”Kesari說，“部分原因便是我們還沒有完全了解微觀尺度的黏附問題。我們認為更可靠地黏附力測量方法，是進一步研究微觀尺寸黏附問題的先決條件。”