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纳米尺度薄膜力——热耦合场下屈曲实验分析及热疲劳的研究

孙建强  
【摘要】: 近些年来,随着膜层材料的广泛应用,国外学者对于沉积膜层脱层及屈曲问题日益关注,主要是因为脱层与屈曲是微纳米机电系统器件的主要破坏形式,本研究致力于对厚度为500nm的薄膜材料在力载荷与热载荷下的机械性能测试和表征研究,这一研究对于其寿命预测具有重要意义。 在微纳米机电系统中,基底薄膜模型系统应用越来越多。而在薄膜基底模型系统应用中,模型除了会受到一定的外部力载荷外,通常此系统会产生热量,从而使得此二元系统同时受到热载荷的作用。 本文主要研究和分析讨论沉积在有机玻璃基底上的Ti/Ni、Cu、AL薄膜,在残余应力和外加轴向载荷以及热载荷的共同作用下的屈曲过程。使用一台光学显微镜观测膜层表面在应力、热载荷作用下的形貌及其变化。为了模拟膜层在复合工况下形成屈曲变形,在试验中对试件施加外部单轴压缩载荷与热载荷。本文中的力载荷通过具有自锁功能的对中加载装置施加,而热载荷是通过电阻式加热薄膜进行施加。 本文仅对于基底薄膜模型系统在力——热耦合场作用下的力学性能进行了分析。由于薄膜基底模型系统在微纳米机电系统器件中往往是进行预固定,所以其在室温条件时往往受到一定的外部力载荷,其在工作时产生热量,使得此薄膜基底系统又受到热载荷的影响。在本试验中,应用热电偶对基底/薄膜温度进行了测量,并设计了一套热载荷施加电路图,能够控制热载荷的准确施加,热载荷的施加模拟了微机电系统中的工作温度范围,使得研究具有实际的应用价值。 对于薄膜基底系统在微机电系统中应用时,对其预施加的力载荷不同,则基底薄膜在工作时产生热量温度升高时,其薄膜表面的屈曲尺寸及数量都有所不同,而本文中介绍的试验,对于薄膜基底在不同外部力载荷下温度升高时的屈曲进行了研究,定性地得到薄膜基底力-热载荷下工作时的优化条件。 本文对薄膜-基底系统中的传热问题进行了有限元数值分析,得到了系统温度分布、热应力的分布曲线,并与试验值进行了比较,验证说明了试验的现象


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