[發明專利]微機電系統微橋壓痕載荷-深度曲線的校準方法

有效

• 申請號: 201610914688.3
• 申請日: 2016-10-20
• 公開（公告）號: CN106501111B
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發明（設計）人: 馬志超;趙宏偉;任露泉;馬筱溪;杜希杰;劉長宜;周明星
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/42
• 分類號: G01N3/42
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

本發明涉及一種微機電系統微橋壓痕載荷?深度曲線的校準方法，屬于材料力學性能測試領域。通過對特征尺寸為微米級的兩端固定式微橋結構進行納米壓痕測試，同步獲取微橋結構的彎曲載荷?撓度曲線和壓痕載荷?深度曲線，對微機電系統器件中橋式結構的剛度、楊氏模量、硬度、屈服應力和斷裂強度進行定量測試。通過對微橋靜不定結構進行分析，將壓針尖端實際最大位移精確解析為微橋最大撓曲變形與嵌入微橋表面最大壓入深度之和，結合彈性撓曲面對最大壓入深度以及壓入微區邊緣彈性撓曲的理論分析，建立通過實測壓痕載荷?深度曲線對彈性半無限空間條件下載荷?深度曲線進行評估的方法，為研究微機電系統器件應力誘導下的力學行為提供新穎的測量方法。

技術領域

本發明涉及材料力學性能測試領域，特別涉及一種微機電系統微橋壓痕載荷-深度曲線的校準方法，適用于微機電系統器件微橋結構的彎曲與壓入力學性能測試方法。本發明可對微橋納米壓入過程中的彎曲力學性能和壓入響應進行同步測試，可為硅微機械加工提供數據支撐，并為航空航天、自動控制、通信工程等領域涉及的微梁、微傳感器和微驅動器的微觀力學性能提供高精度的測試方法。

背景技術

微機電系統是將微驅動、微傳感和信號處理等功能集于一身的微系統。微機電系統器件在傳感、光學、醫學、微電子等領域具有重要的應用。微機電系統器件的特制尺寸在毫米級以下，其特征機械結構是通過化學氣相沉積法、離子濺射法等在基體表面上形成鍍膜后，再經刻蝕、腐蝕等工藝形成的。這些形成的微尺度微梁和微橋結構的表面效應和尺寸效應顯著，其力學性能與宏觀梁和橋結構的性能具有明顯的差異，且微機電系統器件的制備工藝和材料熱膨脹系數的差異，導致微橋結構中存在內應力，嚴重影響著微結構和器件的服役性能。常規力學測試方法難以對微尺度微橋結構進行精準的服役性能評估，且常規條件下微橋材料的力學性能參數無法滿足微機電系統器件結構的設計要求。微機電系統器件的結構優化設計和其服役可靠性問題日益突出，極大限制了對其載荷作用下失效機理的深入研究，難以直接獲取應力誘導和微觀結構弱化行為的相關性。此外，微機電系統器件中應用的材料大多為脆性材料，如單晶硅等，這類材料具有良好的壓電效應和霍爾效應等，但其抗拉性能較差，亦難以通過剛性夾持方法實現對單晶硅微橋的準靜態拉伸。

納米壓痕法作為一種先進的微尺度力學性能測試技術始于20世紀70年代。從其測試原理上看，是采用已知力學性能的壓針壓入被測樣品，基本測試量為壓針的軸向接觸載荷和壓入深度。通過測量作用在壓針上的載荷-深度曲線獲取材料的楊氏模量和硬度的。從其工作方式上看，是通過連續記錄加載和卸載過程中的壓入載荷和深度來擬合載荷-深度曲線的。從壓入深度上看，一般控制在微/納米尺度，納米壓痕測試儀器的位移傳感器具有優于1nm的測試分辨率。在微機電系統器件的力學測試中，由于微橋結構的微小型化，現有宏觀力學測試裝備難以直接用于微橋結構的力學測試，借助納米壓痕測試實現的微橋結構的彎曲是最常用的測試方法。研究人員通常借助可與掃描電子顯微鏡兼容使用的原位納米壓痕測試儀器來實現對微橋結構的彎曲性能測試，即通過連續的定向壓入獲取微橋由無應力狀態直至斷裂破壞過程的載荷-變形曲線。在對微橋結構的實際測試過程中，在微橋結構跨度中間處梁的上表面施加壓入載荷，采用特征結構為三棱椎形標準Berkovich(玻氏)金剛石壓針，壓針嵌入微橋表面的實際壓深往往被忽略，而壓針尖端的位移實為微橋中心處的撓度值和實際壓深的代數和。考慮到微橋結構的厚度較小(數微米級)，通過納米壓痕測試法對該類薄膜材料撓度的測量將因壓入深度的無法計算而產生較大誤差，進而影響微橋彎曲模量、彎曲強度、斷裂撓度等參數的準確評價。此外，考慮到壓針壓入過程一方面會引起壓針輪廓周圍的材料的彈性積壓與塑性流動，另一方面，壓入載荷導致的微橋彈性彎曲亦會對實際壓入體積產生影響，從而產生與彈性半無限空間條件下最大深度值不同的壓入深度。該壓入深度亦將產生不同于彈性半無限空間條件下的殘余壓入深度，進而對卸載初始點的接觸剛度產生影響，引起對楊氏模量和硬度的計算誤差。

綜上，盡管納米壓痕測試理論體系較為完備，試驗設備功能豐富，操作簡單，并且采用納米壓痕測試技術對微機電系統器件的微觀力學性能進行評估的方法已普遍應用，但就非彈性半無限空間條件下納米壓入響應與載荷-深度曲線的校準方法鮮有提及，亦未見可同時測試微機電系統器件中微橋結構的彎曲與納米壓入響應的方法。