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微结构材料力学性能的微拉伸系统与测试方法研究

刘瑞  
【摘要】: 微机电系统(MEMS)器件和微结构尺寸通常在毫米与微米量级甚至更小。当材料特征长度在微纳米量级时,具有很强的尺度效应,会造成其性能与宏观材料有明显不同。而且,对于微尺度结构材料,即使具有相同的成分与尺寸,不同的制备方法可能会造成组织结构不同而使其性能有明显差异。微尺度结构材料的基础力学性能参数如杨氏模量、拉伸强度、屈服极限和泊松比等,对于提高MEMS器件结构设计的可靠性和评价器件的寿命是必不可少的,而这些参数无法直接引用宏观材料的经典数据。因此,如何获得材料在低维结构下的基础力学性能参数成为MEMS设计和制造所迫切需要解决的问题,而常规的试验及分析方法显然已不能满足要求,微尺度结构材料基础力学性能测量逐渐成为MEMS领域的一个重要研究方向。对于MEMS器件中常用的单晶硅和多晶硅材料,国内外开发和建立了较多的测量系统。随着MEMS技术的迅速发展,越来越多的非硅材料被广泛应用于MEMS领域,而针对非硅材料基础力学性能的研究非常少。由于这类非硅材料的力学性能参数的缺乏,在一定程度上制约了MEMS技术的发展。 目前微尺度结构材料力学性能测试方法主要有纳米压痕法、鼓膜法、谐振法、悬臂梁法和微拉伸法等。在这些方法中,微拉伸法是直接获得微尺度结构材料力学性能参数如杨氏模量、抗拉强度和泊松比等最有效的方法,所以其也成为国内外微结构材料力学性能研究的热点之一。然而,对于测量微米量级薄膜材料的微拉伸方法而言,存在着试样对中、夹持、应变测量、试样固定和薄膜试件制备等几个方面的难点。针对非硅薄膜材料变形特性和现有微尺度结构材料力学性能测试系统的不足,利用UV-LIGA技术,构建出可以适用于大变形非硅微尺度材料力学性能测试的原位微拉伸测试系统。本文主要完成的研究工作和结论有以下几个方面: (1)原位微拉伸测试系统的设计和构建 基于传统单轴拉伸原理,提出了一种可实现原位观测大塑性变形微结构材料力学性能测量的微拉伸系统创新设计。针对非硅类薄膜材料的变形特性,利用UV-LIGA技术,制备出新型的集成式微拉伸试样,有效解决了微米量级薄膜样品的对中和夹持问题。利用高精度电磁驱动马达和微型弹簧力学传感器实现微小载荷施加,满足薄膜材料性能测试过程中微小力的需求。通过高精度激光位移传感器对变形过程中的薄膜应变进行实时测量,利用高分辨率数码图像采集仪器对变形过程中的薄膜进行实时图像采集。并利用VB软件对电磁驱动马达、激光位移传感器和数码图像采集仪进行有机集成,开发出自动化程度较高,能适合测量大应变薄膜的微拉伸测试系统。利用此微拉伸系统,不仅可以测量微尺度薄膜试件的力学性能,而且还可以原位观测薄膜试件的破坏形态。 (2)集成式微拉伸试样的仿真、设计和制备 为了能满足大变形薄膜材料性能的测量需求,设计了以S型弹簧为支撑梁的集成式微拉伸试样,此种支撑梁可以承受更大变形而不发生塑性变形,从而可以减小在微拉伸过程中由于其支撑梁塑性变形而带来的测试误差。利用ANSYS软件对S型支撑弹簧进行详细的受力分析,优化设计出具有合理参数的支撑弹簧。并对薄膜试件进行了详细的变形和应力分析,设计出哑铃型和直线型的两种薄膜试件。薄膜试件的两端分别与支撑框架和可动平台相连,避免在试样装夹过程中的容易损坏和不易对中等问题,有效提高测量精度。根据所设计的集成式微拉伸试样结构,利用UV-LIGA工艺,制备出以金属镍和单晶硅为支撑结构的两种集成式微拉伸试样,适用于不同种类的薄膜力学性能测试。 (3)微型弹簧力学传感器的仿真、设计和制备 根据微尺度结构材料测量对载荷的高精度需求,设计出以S型弹簧为传感部分,前端具有针尖形结构的微型弹簧力学传感器。利用ANSYS软件分析了线宽、厚度、内径、直梁长度和匝数对S型弹簧弹性系数的影响,并利用能量法对其弹性系数进行计算,设计出合理的微型弹簧力学传感器。微型弹簧力学传感器的前端是针尖型结构,用于在拉伸过程中和集成式微拉伸试样上的针孔相连接。在微型弹簧力学传感器的端部,有“T”型位移标签,用于在微拉伸过程中通过激光位移传感器来测量薄膜试件的位移变化。微型弹簧力学传感器的中间部分为“S”型弹簧,在拉伸过程中通过其弹性变形来测量加载在薄膜试件上的拉伸力。并利用高精度线切割技术和UV-LIGA技术制备出具有不同分辨率的力学传感器,适用于不同类型薄膜材料的测试需要。 (4)试样固定装置的设计和制备 根据微尺度材料的测量需求,设计出真空式试样固定台。其主要包括定位销、固定螺纹孔、真空吸附孔和真空通气孔等几个部分,真空通气孔通过真空管与真空泵连接。实验过程中,集成式微拉伸试样通过定位销以及真空吸附的方法固定在试样台上。由于薄膜试件的两端是固定式的,所以夹持和对中的工作可以减少很多,在双视场显微镜下观察、调节试样的位置,可以很好地控制定位精度。 (5)位移测量装置的制备 通过图像法直接测量薄膜试件形变,即在薄膜试件的有效长度上以电镀或压痕的方法制作两个应变标记,通过数码图像采集仪实时记录显微镜中的图像,用电子标尺测量薄膜试件在拉伸过程中实际的伸长量。为了能精确测量试样在微拉伸中的变形情况,利用激光位移传感器对薄膜试件在拉伸过程中的形变进行测量,其结果和图像法相互验证,可以较为精确地得出在微拉伸过程中薄膜试件真实的形变情况。而且,为了测量数据的高度集成,设计出直线型试样,可以更为直接地得出拉伸过程中薄膜试件的应变测试结果。 (6)驱动装置的制备 集成式微拉伸试样通过微型弹簧力学传感器与电磁驱动马达相连。电磁驱动马达即为微拉伸系统的驱动装置,通过脉冲频率来精确控制其移动速度。电磁驱动马达的最大位移量可达25 mm,最小移动量为0.1μm,最大移动速度为70μm/s,最小移动速度为0.2μm/s。电磁驱动马达可实现手动轻推驱动、步进驱动(设置步长)、绝对值移动等,其中移动速度和步长都可以设定,也可用电脑程序设置自动控制驱动。通过此电磁驱动马达,可以实现微尺度薄膜力学性能测量对施加载荷的高精度需求。 (7)镍金属薄膜力学性能测量 利用构建好的微拉伸系统,对MEMS器件中常用的电镀镍进行了详细的力学性能测量。薄膜试件尺寸为100μm长,50μm宽和5μm厚时,图像法测量的杨氏模量为95GPa,计算法测量的杨氏模量为94.5 GPa,两者有较好的一致性,证明所设计的单轴微拉伸测试系统具有比较可靠的测量精确性。利用此微拉伸系统,可以对MEMS器件中常用的微结构材料力学性能进行精确测试,为拓宽MEMS的应用领域打下坚实的基础。


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