微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)遙微拉伸系統(tǒng)與測(cè)試方法研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件和微結(jié)構(gòu)尺寸通常在毫米與微米量級(jí)甚至更小。當(dāng)材料特征長(zhǎng)度在微納米量級(jí)時(shí),具有很強(qiáng)的尺度效應(yīng),會(huì)造成其性能與宏觀材料有明顯不同。而且,對(duì)于微尺度結(jié)構(gòu)材料,即使具有相同的成分與尺寸,不同的制備方法可能會(huì)造成組織結(jié)構(gòu)不同而使其性能有明顯差異。微尺度結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)力學(xué)性能參數(shù)如楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、屈服極限和泊松比等,對(duì)于提高M(jìn)EMS器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和評(píng)價(jià)器件的壽命是必不可少的,而這些參數(shù)無(wú)法直接引用宏觀材料的經(jīng)典數(shù)

2、據(jù)。因此,如何獲得材料在低維結(jié)構(gòu)下的基礎(chǔ)力學(xué)性能參數(shù)成為MEMS設(shè)計(jì)和制造所迫切需要解決的問題,而常規(guī)的試驗(yàn)及分析方法顯然已不能滿足要求,微尺度結(jié)構(gòu)材料基礎(chǔ)力學(xué)性能測(cè)量逐漸成為MEMS領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。對(duì)于MEMS器件中常用的單晶硅和多晶硅材料,國(guó)內(nèi)外開發(fā)和建立了較多的測(cè)量系統(tǒng)。隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展,越來(lái)越多的非硅材料被廣泛應(yīng)用于MEMS領(lǐng)域,而針對(duì)非硅材料基礎(chǔ)力學(xué)性能的研究非常少。由于這類非硅材料的力學(xué)性能參數(shù)的缺乏,在一

3、定程度上制約了MEMS技術(shù)的發(fā)展。
　　 目前微尺度結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能測(cè)試方法主要有納米壓痕法、鼓膜法、諧振法、懸臂梁法和微拉伸法等。在這些方法中,微拉伸法是直接獲得微尺度結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)如楊氏模量、抗拉強(qiáng)度和泊松比等最有效的方法,所以其也成為國(guó)內(nèi)外微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能研究的熱點(diǎn)之一。然而,對(duì)于測(cè)量微米量級(jí)薄膜材料的微拉伸方法而言,存在著試樣對(duì)中、夾持、應(yīng)變測(cè)量、試樣固定和薄膜試件制備等幾個(gè)方面的難點(diǎn)。針對(duì)非硅薄膜材料變形特性和

4、現(xiàn)有微尺度結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)的不足,利用UV-LIGA技術(shù),構(gòu)建出可以適用于大變形非硅微尺度材料力學(xué)性能測(cè)試的原位微拉伸測(cè)試系統(tǒng)。本文主要完成的研究工作和結(jié)論有以下幾個(gè)方面:
　　 (1)原位微拉伸測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建
　　 基于傳統(tǒng)單軸拉伸原理,提出了一種可實(shí)現(xiàn)原位觀測(cè)大塑性變形微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能測(cè)量的微拉伸系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。針對(duì)非硅類薄膜材料的變形特性,利用UV-LIGA技術(shù),制備出新型的集成式微拉伸試樣,有效解決

5、了微米量級(jí)薄膜樣品的對(duì)中和夾持問題。利用高精度電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和微型彈簧力學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)微小載荷施加,滿足薄膜材料性能測(cè)試過程中微小力的需求。通過高精度激光位移傳感器對(duì)變形過程中的薄膜應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,利用高分辨率數(shù)碼圖像采集儀器對(duì)變形過程中的薄膜進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集。并利用VB軟件對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、激光位移傳感器和數(shù)碼圖像采集儀進(jìn)行有機(jī)集成,開發(fā)出自動(dòng)化程度較高,能適合測(cè)量大應(yīng)變薄膜的微拉伸測(cè)試系統(tǒng)。利用此微拉伸系統(tǒng),不僅可以測(cè)量微尺度薄膜試件的

6、力學(xué)性能,而且還可以原位觀測(cè)薄膜試件的破壞形態(tài)。
　　 (2)集成式微拉伸試樣的仿真、設(shè)計(jì)和制備
　　 為了能滿足大變形薄膜材料性能的測(cè)量需求,設(shè)計(jì)了以S型彈簧為支撐梁的集成式微拉伸試樣,此種支撐梁可以承受更大變形而不發(fā)生塑性變形,從而可以減小在微拉伸過程中由于其支撐梁塑性變形而帶來(lái)的測(cè)試誤差。利用ANSYS軟件對(duì)S型支撐彈簧進(jìn)行詳細(xì)的受力分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)出具有合理參數(shù)的支撐彈簧。并對(duì)薄膜試件進(jìn)行了詳細(xì)的變形和應(yīng)力分析,設(shè)

7、計(jì)出啞鈴型和直線型的兩種薄膜試件。薄膜試件的兩端分別與支撐框架和可動(dòng)平臺(tái)相連,避免在試樣裝夾過程中的容易損壞和不易對(duì)中等問題,有效提高測(cè)量精度。根據(jù)所設(shè)計(jì)的集成式微拉伸試樣結(jié)構(gòu),利用UV-LIGA工藝,制備出以金屬鎳和單晶硅為支撐結(jié)構(gòu)的兩種集成式微拉伸試樣,適用于不同種類的薄膜力學(xué)性能測(cè)試。
　　 (3)微型彈簧力學(xué)傳感器的仿真、設(shè)計(jì)和制備
　　 根據(jù)微尺度結(jié)構(gòu)材料測(cè)量對(duì)載荷的高精度需求,設(shè)計(jì)出以S型彈簧為傳感部分,前端

8、具有針尖形結(jié)構(gòu)的微型彈簧力學(xué)傳感器。利用ANSYS軟件分析了線寬、厚度、內(nèi)徑、直梁長(zhǎng)度和匝數(shù)對(duì)S型彈簧彈性系數(shù)的影響,并利用能量法對(duì)其彈性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,設(shè)計(jì)出合理的微型彈簧力學(xué)傳感器。微型彈簧力學(xué)傳感器的前端是針尖型結(jié)構(gòu),用于在拉伸過程中和集成式微拉伸試樣上的針孔相連接。在微型彈簧力學(xué)傳感器的端部,有“T”型位移標(biāo)簽,用于在微拉伸過程中通過激光位移傳感器來(lái)測(cè)量薄膜試件的位移變化。微型彈簧力學(xué)傳感器的中間部分為“S”型彈簧,在拉伸過程中通

9、過其彈性變形來(lái)測(cè)量加載在薄膜試件上的拉伸力。并利用高精度線切割技術(shù)和UV-LIGA技術(shù)制備出具有不同分辨率的力學(xué)傳感器,適用于不同類型薄膜材料的測(cè)試需要。
　　 (4)試樣固定裝置的設(shè)計(jì)和制備
　　 根據(jù)微尺度材料的測(cè)量需求,設(shè)計(jì)出真空式試樣固定臺(tái)。其主要包括定位銷、固定螺紋孔、真空吸附孔和真空通氣孔等幾個(gè)部分,真空通氣孔通過真空管與真空泵連接。實(shí)驗(yàn)過程中,集成式微拉伸試樣通過定位銷以及真空吸附的方法固定在試樣臺(tái)上。由于

10、薄膜試件的兩端是固定式的,所以?shī)A持和對(duì)中的工作可以減少很多,在雙視場(chǎng)顯微鏡下觀察、調(diào)節(jié)試樣的位置,可以很好地控制定位精度。
　　 (5)位移測(cè)量裝置的制備
　　 通過圖像法直接測(cè)量薄膜試件形變,即在薄膜試件的有效長(zhǎng)度上以電鍍或壓痕的方法制作兩個(gè)應(yīng)變標(biāo)記,通過數(shù)碼圖像采集儀實(shí)時(shí)記錄顯微鏡中的圖像,用電子標(biāo)尺測(cè)量薄膜試件在拉伸過程中實(shí)際的伸長(zhǎng)量。為了能精確測(cè)量試樣在微拉伸中的變形情況,利用激光位移傳感器對(duì)薄膜試件在拉伸過程中

11、的形變進(jìn)行測(cè)量,其結(jié)果和圖像法相互驗(yàn)證,可以較為精確地得出在微拉伸過程中薄膜試件真實(shí)的形變情況。而且,為了測(cè)量數(shù)據(jù)的高度集成,設(shè)計(jì)出直線型試樣,可以更為直接地得出拉伸過程中薄膜試件的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。
　　 (6)驅(qū)動(dòng)裝置的制備
　　 集成式微拉伸試樣通過微型彈簧力學(xué)傳感器與電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)相連。電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)即為微拉伸系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置,通過脈沖頻率來(lái)精確控制其移動(dòng)速度。電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的最大位移量可達(dá)25 mm,最小移動(dòng)量為0.1μm

12、,最大移動(dòng)速度為70μm/s,最小移動(dòng)速度為0.2μm/s。電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)輕推驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)(設(shè)置步長(zhǎng))、絕對(duì)值移動(dòng)等,其中移動(dòng)速度和步長(zhǎng)都可以設(shè)定,也可用電腦程序設(shè)置自動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)。通過此電磁驅(qū)動(dòng)馬達(dá),可以實(shí)現(xiàn)微尺度薄膜力學(xué)性能測(cè)量對(duì)施加載荷的高精度需求。
　　 (7)鎳金屬薄膜力學(xué)性能測(cè)量
　　 利用構(gòu)建好的微拉伸系統(tǒng),對(duì)MEMS器件中常用的電鍍鎳進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)性能測(cè)量。薄膜試件尺寸為100μm長(zhǎng),50μm寬