小尺度材料力學(xué)性能測試系統(tǒng)的設(shè)計及實驗.pdf

1、隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,MEMS)技術(shù)的興起和發(fā)展,MEMS器件已大量應(yīng)用于信息、能源、交通以及國防等領(lǐng)域。由于MEMS器件用材料在制備、加工以及使用過程中,不可避免地受到單向或循環(huán)機(jī)械載荷的作用而導(dǎo)致失效,因此,如何評價和測量MEMS用小尺度材料的力學(xué)性能至關(guān)重要。由于材料尺度的減小,材料所受的外加載荷與變形位移非常小,從而給實驗測量帶來了很大的困難。雖然國內(nèi)外在針對小尺度材

2、料力學(xué)性能測試方面開展了諸多的研究工作,但在力學(xué)性能實驗系統(tǒng)的建立和研制方面開展的工作很少。
　　 本研究工作利用電磁驅(qū)動的原理,研制了一種新型的多功能微力實驗系統(tǒng),并設(shè)計了可以滿足不同實驗方法要求的各種夾具。利用此實驗系統(tǒng),對微米尺度的多晶銅絲、單晶銅箔和GaAs薄膜分別進(jìn)行了單向拉伸、疲勞加載和三點彎曲實驗,并對材料的相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行了測試和實驗表征。
　　 研究結(jié)果表明,實驗系統(tǒng)的操作過程簡便,可進(jìn)行手動加載和電磁

3、驅(qū)動加載。載荷精度為5 mN,位移精度可以通過電源系統(tǒng)的輸出電壓控制。實驗系統(tǒng)的載荷范圍為0.01-3 N；通過電源系統(tǒng)輸出多種波形,實現(xiàn)了不同類型的加載方式,從而達(dá)到了實驗系統(tǒng)的多功能化目的；通過對多晶Cu絲的單軸拉伸實驗,證明本實驗裝置能夠完成小尺度材料的拉伸斷裂強(qiáng)度的測定；單晶Cu箔的疲勞實驗結(jié)果表明,實驗系統(tǒng)可以用來獲得金屬箔材料的疲勞壽命曲線,并可進(jìn)行疲勞損傷行為的進(jìn)一步研究。GaAs薄膜的三點彎曲實驗獲得了不同厚度GaAs薄