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微构件拉伸测试系统设计与实现

侯志武  
【摘要】: 随着MEMS的发展,微构件材料力学性能研究越来越受到国内外研究人员的重视,但是目前测试所得微构件材料的力学性能参数分散性很大,甚至连最基础的弹性模量都没有一个一致公认的结果。在进行MEMS结构设计时,由于缺乏有关微构件材料力学性能的基础数据,还没有建立起一个有效的机械可靠性设计准则,这严重阻碍了MEMS的发展。因此,本课题以MEMS材料力学性能测试为切入点,深入进行MEMS典型材料的测试测量技术研究,目的是为典型的MEMS器件结构设计和工艺加工提供理论指导与数据支持,进而提高MEMS器件性能、成品率和可靠性。 在总结前人工作的基础上,本文的主要工作就是设计并搭建了一个结构简单、性能可靠、测试精度较高的微构件力学性能测试平台,并进行了微米量级的单晶硅试样拉伸测试实验。该测试系统采用压电陶瓷驱动器作为驱动力;采用压阻式微力传感器对加载在试样上的拉伸力进行片外检测;采用电感式位移传感器对拉伸试样位移进行检测;采用微定位装夹机构对试样进行安装调整;采用CCD测量技术对试样装夹、加载过程进行在线实时监测;采用数据采集卡和图像采集卡采集测试数据与工控机交互。同时,针对压电陶瓷存在的迟滞、蠕变等不利特性对压电陶瓷驱动器进行闭环PID控制算法研究,针对微力传感器存在输出位移现象对整个测试平台的机械结构进行整体刚度标定实验,采用LabVIEW图形化编程语言编写微构件拉伸测试监测控制软件,主要包括数据采集、数据显示保存、图像采集、视频采集、图像标定、图像应用和压电陶瓷闭环PID控制等功能。最后进行了五次单晶硅试样拉伸实验,得到试样的应力与应变,计算得到单晶硅微构件弹性模量平均值为163.2±5 Gpa,对比已存在的单晶硅微构件拉伸实验测试结果,可以得知本文测试结果和国外一些科研机构的数据基本一致,验证了测试系统和控制软件的可行性。同时,对测试实验系统进行了误差分析和改进展望。


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