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

1、微機電系統(tǒng)(MEMS)器件和微結(jié)構(gòu)尺寸通常在毫米與微米量級甚至更小。當(dāng)材料特征長度在微納米量級時,具有很強的尺度效應(yīng),會造成其性能與宏觀材料有明顯不同。而且,對于微尺度結(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、拉伸強度、屈服極限和泊松比等,對于提高M(jìn)EMS器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性和評價器件的壽命是必不可少的,而這些參數(shù)無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)計和制造所迫切需要解決的問題,而常規(guī)的試驗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)性能測量逐漸成為MEMS領(lǐng)域的一個重要研究方向。對于MEMS器件中常用的單晶硅和多晶硅材料,國內(nèi)外開發(fā)和建立了較多的測量系統(tǒng)。隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展,越來越多的非硅材料被廣泛應(yīng)用于MEMS領(lǐng)域,而針對非硅材料基礎(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、抗拉強度和泊松比等最有效的方法,所以其也成為國內(nèi)外微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能研究的熱點之一。然而,對于測量微米量級薄膜材料的微拉伸方法而言,存在著試樣對中、夾持、應(yīng)變測量、試樣固定和薄膜試件制備等幾個方面的難點。針對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)性能測試的原位微拉伸測試系統(tǒng)。本文主要完成的研究工作和結(jié)論有以下幾個方面:
　　 (1)原位微拉伸測試系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建
　　 基于傳統(tǒng)單軸拉伸原理,提出了一種可實現(xiàn)原位觀測大塑性變形微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能測量的微拉伸系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計。針對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、了微米量級薄膜樣品的對中和夾持問題。利用高精度電磁驅(qū)動馬達(dá)和微型彈簧力學(xué)傳感器實現(xiàn)微小載荷施加,滿足薄膜材料性能測試過程中微小力的需求。通過高精度激光位移傳感器對變形過程中的薄膜應(yīng)變進(jìn)行實時測量,利用高分辨率數(shù)碼圖像采集儀器對變形過程中的薄膜進(jìn)行實時圖像采集。并利用VB軟件對電磁驅(qū)動馬達(dá)、激光位移傳感器和數(shù)碼圖像采集儀進(jìn)行有機集成,開發(fā)出自動化程度較高,能適合測量大應(yīng)變薄膜的微拉伸測試系統(tǒng)。利用此微拉伸系統(tǒng),不僅可以測量微尺度薄膜試件的

6、力學(xué)性能,而且還可以原位觀測薄膜試件的破壞形態(tài)。
　　 (2)集成式微拉伸試樣的仿真、設(shè)計和制備
　　 為了能滿足大變形薄膜材料性能的測量需求,設(shè)計了以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的測試誤差。利用ANSYS軟件對S型支撐彈簧進(jìn)行詳細(xì)的受力分析,優(yōu)化設(shè)計出具有合理參數(shù)的支撐彈簧。并對薄膜試件進(jìn)行了詳細(xì)的變形和應(yīng)力分析,設(shè)

7、計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平臺相連,避免在試樣裝夾過程中的容易損壞和不易對中等問題,有效提高測量精度。根據(jù)所設(shè)計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)性能測試。
　　 (3)微型彈簧力學(xué)傳感器的仿真、設(shè)計和制備
　　 根據(jù)微尺度結(jié)構(gòu)材料測量對載荷的高精度需求,設(shè)計出以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、直梁長度和匝數(shù)對S型彈簧彈性系數(shù)的影響,并利用能量法對其彈性系數(shù)進(jìn)行計算,設(shè)計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測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、過其彈性變形來測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試需要。
　　 (4)試樣固定裝置的設(shè)計和制備
　　 根據(jù)微尺度材料的測量需求,設(shè)計出真空式試樣固定臺。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部分,真空通氣孔通過真空管與真空泵連接。實驗過程中,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上。由于

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

11、的形變進(jìn)行測量,其結(jié)果和圖像法相互驗證,可以較為精確地得出在微拉伸過程中薄膜試件真實的形變情況。而且,為了測量數(shù)據(jù)的高度集成,設(shè)計出直線型試樣,可以更為直接地得出拉伸過程中薄膜試件的應(yīng)變測試結(jié)果。
　　 (6)驅(qū)動裝置的制備
　　 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)動馬達(dá)相連。電磁驅(qū)動馬達(dá)即為微拉伸系統(tǒng)的驅(qū)動裝置,通過脈沖頻率來精確控制其移動速度。電磁驅(qū)動馬達(dá)的最大位移量可達(dá)25 mm,最小移動量為0.1μm

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