（机械设计及理论专业论文）mems薄膜疲劳试验装置的设计与测试方法研究.pdf

摘要 摘要 本文根据静电梳状驱动器横向驱动和平行板电容驱动器垂直驱动的特点，设 计了四种可以通过标准体硅加工工艺制造的微机械多轴疲劳试验装置，并对其中 的微机械扭转疲劳试验装置进行了有限元模拟，得至打该装置的安全工作电压和 最大应力。此外本文还提出了一套m e m s 单晶硅薄膜拉伸疲劳试验方法。通过 该方法对m e m s 单晶硅薄膜进行了静拉伸试验和疲劳试验。通过对试验结果的 分析，获得了m e , m s 单晶硅薄膜的材料拉伸性能和疲劳特性参数。 首先，结合国外研究成果对四种微机械疲劳试验装置进行了结构设计。这些 装置均基于谐振原理，由显微镜和电容式位移传感器测量振动块的振动幅度，根 据测量结果由有限元方法间接计算试样缺口根部所受的应力应变，由此来研究硅 薄膜试样的疲劳特性。 然后，通过理论分析和有限元分析两种方法去预测扭转疲劳试验装置的吸附 电压，并将所得结果进行对比，证明了两种方法具有一致性。又通过对比试验结 果与理论计算结果，证实了该理论分析方法的有效性，从而证实了有限元分析方 法的有效性。因此，可以通过有限元分析得到疲劳试样应力分布情况。 最后根据m e m s 单晶硅薄膜拉伸疲劳试样的设计，充分参考了m m t - 11 n 微机械疲劳试验机的主要参数，使用设计的掩模板采用标准体硅加工工艺制造了 m e m s 疲劳试样。在m e m s 单晶硅薄膜拉伸疲劳试验过程中，实现试样的精确 装卡和对中，在此基础上对m e m s 单晶硅薄膜试样进行了静拉伸试验和疲劳试 验，得到了静拉伸应力应变曲线，s - n 曲线，迟滞回线以及应变随寿命的变化曲 线。通过对所得试验数据的分析获得了m e m s 单晶硅薄膜的材料拉伸性能和疲 劳特性参数。 关键词m e m s , 试验方法； 疲劳； 薄膜； 静电驱动；有限元分析；材料性 能；疲劳特性 北京工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , f o u rm i c r o s c a l es i l i c o nf i l mm u l t i a x i a lf a t i g u et e s t i n gd e v i c e s b a s e do nt h ee l e c t r o s t a t i cf o r c eb yc o m ba n dp a r a l l e lp l a t ed r i v e ra r ed e v i s e d o n eo f t h e s ed e v i c e sw a ss i m u l a t e db yf i n i t e 。 e l e m e n tm e t h o d m a x i m u ms t r e s sa n dp m l - i n v o l t a g eo f t h i sd e v i c ew a sa c h i e v e db yf e a i na d d i t i o n , at e s tm e t h o df o rm e a s u r i n g t e n s i l ef a t i g u ep r o p e r t i e so fs i n g l e - c r y s t a ls i l i c o nf i l mw a sp r o p o s e d t h ee x p e r i m e n t r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h i sm e t h o dc a l lb eu s e dt ot e s tt h et e n s i l ef a t i g u ep r o p e r t yo f s i n g l e - c r y s t a ls i l i c o nf i l m s t a t i cs t r e n g t ha n dt e n s i l ef a t i g u ep r o p e r t i e sw e r eo b t a i n e d b ya n a l y z i n ge x p e r i m e n tr e s u l t sf o rm e m ss i n g l e c r y s t a ls i l i c o nf i l m f i r s t , a c c o r d i n gt os o m ef o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t s ，t h e s t r u c t u r e so ft h e s e m i c r o - s c a l em u l t i - a x i a lf a t i g u et e s t i n gd e v i c e sw e r ed e s i g n e d t h e s ed e v i c e sa r e d r i v e nb yt h ee l e c t r o s t a t i cf o r c ep r o d u c e db yc o m bd r i v e r sa n dp a r a l l e lp l a t ed r i v e r s b a s e do nt h er e s o n a n c ep r i n c i p l e m i c r o s c o p e sa n dc a p a c i t a n c e b a s e dd i s p l a c e m e n t s e n s o r sa r eu t i l i z e dt om e a s u r et h ea m p l i t u d eo fr e s o n a t o r , a c c o r d i n gt ow h i c ht h e s t r e s sa n ds t r a i no ft h es a m p l e sa tt h en o t c ht i pc a nb ec o m p n t e db yf i n i t ee l e m e n t m e t h o & i nt h a tw a y t h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ft h es i l i c o nf i l ms a m p l e sc a l lb es t u d i e d t h e n , t h ep u l l i nv o l t a g eo ft o r s i o nf a t i g u et e s t i n gd e v i c ew a sa n a l y z e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df e am e t h o d ，a n dt h ea g r e e m e n to ft h er e s u l t sp r o v e dt h e c o n s i s t e n c yo ft w om e t h o d s t h ev a l i d i t yo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o dw a s p r o v e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t , t h e m f o r e ，t h ev a l i d i t yo ff e a m e t h o dw a sv e r i f i e da s w e l l t h u s ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ff a t i g u et e s t i n gs p e c i m e nc a nb eg a i n e db ym e a n s o ff e am e t h o d t h ed e s i g no fs i n g l e - c r y s t a ls i l i c o nf i l mf a t i g u et e s t i n gs p e c i m e nf u l l yr e f e r e n c e d t h em a i n p a r a m e t e r s o fm m t - 11nm e m sf a t i g u et e s t i n gm a c h i n e t h e p h o t o l i t h o g r a p h ym a s kf o rs p e c i m e nf a b r i c a t i o nw a s d r a w na c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e d s i z ea n ds h a p e f i n a l l y , b a s e d o nt h ep h o t o l i t h o g r a p h ym a s k s ，t h ef a t i g u es p e c i m e nw e r e f a b r i c a t e db yt h et y p i c a ls i l i c o nb u l km i c r o m a c h i n i n gp r o c e s s m e m ss i n g l e c r y s t a ls i l i c o nf i l mt e n s i l ef a t i g u et e s tw a sa c c o m p l i s h e db y p r o p e r l ym o d i f y i n gt h eg r i p st oi n s u r et h ea c c u r a c ya n dc o n v e n i e n c eo ft h ew h o l e s p e c i m e ni n s t a l l i n gp r o c e s s t h es t a t i c t e n s i o ns t r e s s s t r a i nc u r v e ，s - nc u r v e ， h y s t e r e s i sl o o p ，s t r a i na m p l i t u d e - c y c l e sc u r v e ，s t a t i cs t r e n g t h a n dt e n s i l ef a t i g u e 摘要 p r o p e r t i e sw e r eo b t a i n e db ya n a l y z i n ge x p e r i m e n tr e s u l t sf o rm e m s s i n g l e c r y s t a l s i l i c o nf i l m k e y w o r d sm e m s ( m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ) ：f a t i g u e ：t h i nf i l m ；c o m b d r i v e r ：f e a ；f a t i g u ep r o p e r t i e s i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：亟星至日期：圣：互生互旦多日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：j 簪 日期：垄堕趔日 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 吕p 微机械电子系统，是指由关键 尺寸在亚微米至亚毫米范围内的电子和机械元件组成的微器件或系统，它将传 感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能【1 】。在过去的十多年里， 微机械电子系统( m e m s ) 和相关的表面微机械加工技术已经从实验室的理论研 究走向了商业化的批量产品生产。在这个快速创新的时代，大量的m e m s 商业 产品涌现在市场上。这些产品包括存储器，个人电脑的成相设备以及一些至关 重要的传感器，比如医疗设备中的压力传感器，汽车安全气囊的加速度传感器 熊【2 】 寸 随着m e m s 技术逐步迈向成熟，关键的两点变的更加清晰：1 硅基薄膜仍 然是m e m s 的主要结构材料【3 】。2 m e m s 构件的可靠性对产品的性能，以及使 用者的安全都有着至关重要的作用【4 】。因此，关系到m e m s 构件耐久性和稳定 性的m e m s 失效模型的研究将会成为这个逐渐成熟领域中最重要的一部分。 在m e m s 结构中使用最多的硅基薄膜属于脆性材料，而且具有脆性材料的 基本特性，比如低的断裂强度和损伤容限。这些特性使硅被排除在传统宏观应 用范围之外。这些年对结构陶瓷和金属化合物等脆性结构材料断裂强度的研究 在迅速增多。研究的结果是，这些年出现了很多介绍如何增强这些材料断裂强 度的文献岭j 。但是这些研究对于增强m e m s 结构材料的耐用性并没有起到实际 的作用，因为在循环应力作用下，这些材料都会发生过早的失效【6 1 。由于硅薄 膜的损伤容限( 抗断裂和疲劳性能) 直接影响到m e m s 构件的可靠性和长期稳定 性，因此，对于硅和多晶硅薄膜在高频载荷下的高周疲劳特性研究就变得十分 重要。 m e m s 功能构件主要有薄膜、细丝、微桥、齿轮和微轴承等【7 】，这些构件 在工作中经常需要承受往复载荷的作用，因此了解微纳米机械疲劳特性对于提 高m e m s 产品的可靠性至关重要。m e m s 不是传统机械的简单几何缩小，当 构件细微到微纳米尺寸后，这些材料本身的力学、物理性质有显著变化，会出 现强烈的尺寸效应、表面效应等【8 - 9 j 。试验研究表明，许多材料在微纳米状态下 的失效机理与宏观状态相比已发生了本质上的改变，如原本属于脆性材料的硅 在微尺度下会产生疲劳失效现象【1 0 以2 。，金属微薄膜在微纳米尺度的疲劳强度与 北京工业大学工学硕士学位论文 宏观状态相比已发生了显著改变。对于某些依靠固有频率的稳定性来工作的 m e m s 产品( 如加速度传感器、微陀螺仪等) ，即使不发生疲劳断裂，其疲劳损 伤的累积也会导致测量结果发生较大的偏差。这些原因表明，对微纳米机械进 行疲劳特性的研究非常有必要，它对提高产品的设计及应用水平有着非常重要 的作用。 目前国内外已经有很多学者对微纳米材料的常规力学性能进行了广泛的研 究【1 3 2 0 】，但是对微纳米材料疲劳特性的研究却鲜有人进行，这主要是由于微纳 米材料的疲劳试验对试验条件和检测技术要求比较高。传统的用于宏观材料的 疲劳试验机无法满足微纳米材料疲劳试验的要求，这就要求我们一方面要设计 专门针对微纳米疲劳试验的疲劳试样，另一方面要研究新的试验方法以实现对 微纳米疲劳试样的精确载荷输出以及位移检测。 1 2 m e m s 疲劳特性研究进展 1 2 1m e m s 疲劳现象的发现 在过去的几十年里，单晶硅和多晶硅薄膜被广泛的应用于微电子机械系统。 这是因为它们有很高的强度而且人们从传统i c 工业中获得了很多硅微加工技 术。然而在很多m e m s 的应用中，比如用来打开汽车安全气囊的加速度传感器， 疲劳失效经常在低于断裂强度的循环应力作用下发生。c o a l l y 和b r o w n t l 0 】在 十年以前首次报道了硅薄膜存在疲劳特性，他们发现在循环载荷作用下有预制 裂纹的微米级单晶硅梁的柔性会发生变化。 疲劳失效现象还有可能会由于环境( 湿度、温度等因素) 的影响而加剧，这 样就加速了循环载荷下疲劳损伤的累积。最初m e m s 的疲劳失效现象被发现 时，人们感到很吃惊，因为在这之前并没有关于硅发生疲劳失效现象的报道。 随后的很多科研组织都证实了在循环载荷作用下m e m s 结构会发生疲劳损伤。 一些研究还表明：疲劳损伤会由于水蒸气或缺口的存在和压应力循环而加速。 1 2 2m e m s 的疲劳机理 关于硅薄膜的疲劳机理存在有两种主要的观点。第一种观点认为硅薄膜的 疲劳损伤只是表面现象。m 啪s t e i n 【2 l 2 2 】等人将硅薄膜的疲劳原因归结为机械应 力产生的表面氧化层内与环境相关的小裂纹扩展。研究表明，当多晶硅薄膜在 2 月l 镕口 3 0 c 的空气中受到循环载荷时，其表面氧化层的厚度会增长两到三倍。裂纹的 萌生和扩展都将发生在氧化层的厚度范围之内。a l s e 等通过实验证实了在循环 应力的作用下，疲劳试样可以产生表面的氧化，同时发现当痘劳试样处在真空 环境中时，表面的氧化就不会发生。还有一些研究通过对多晶硅疲劳试样在循 环载荷作用下表面形貌变化的研究证明了“表面层氧化反应”疲劳机理。 第二种观点认为硅薄膜的疲劳损伤是由其内部的亚临界裂纹扩展所致，并 不是由于。表面层氧化反应”的作用。k a h n l u 等通过对单晶硅薄膜的拉伸疲劳 试验提出疲劳损伤主要取决于压应力循环载荷的数目：首先压应力载荷使疲劳 试样粗糙表面上的沟壑处产生微小裂纹，其次压应力载荷使得微小裂纹逐步扩 展。为了解释真空中的试样为什么在压应力循环载荷下没有发生疲劳的现象， k a l m 等假定空气中裂纹表面上产生的氧化层对裂纹扩展产生加速作用。但是在 真空中损伤产生的微小碎片会阻止裂纹闭合因此大大降低了裂纹扩展的速率。 13m e m s 疲劳试验装置介绍 1 3 1m e m s 金属薄膜疲劳试验装置 s m a l l a m e h 0 4 蝽人采用图i - l 所示的试验装置分别对7 0 1 a n 、2 7 0 f m 厚的 镍薄膜试样进行了拉伸试验与疲劳试验，并对断口做出了分析。 纱紧豪， 曲示意图b ) 实物图 a ) s c h e m a t i c o f t h e d e v i c e b ) p h o t o g r a p h o f t h e d e v i 图l + 1a l l a m e h 采用的拉伸瘦劳试验装置图m ) f i 9 1 - 1m i c r o - t e n s i l e f a t i g u e t e s t i n gs y s t e mu s e d b y a l l a m e h 该装置主要由压电驱动器( p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ) 、加载单元( l o a dc e l l ) 3 鬣 北煮i 业太学i 学硕学位论女 试样( s a m p l e ) 、旋转，平移台( r o t a t i o n a l r r a n s l a t i o n a lm i c r op o s i t i o n a l ) 、摄像机 ( c a m e r a ) 组成。其中试样形状及尺寸如图1 2 所示，试样表面的两条蚀刻线( f i b m a r k s ) 用于应变的测量。 幻示意图 “s c h e m a t i eo f t h ed e v i c e b 1 实物图 b ) p h o t o g r a p ho f t h ed e v i c e 图1 - 2a l l a m c h 采用的拉伸疲劳试样 f i gi 2m i c r o - t e n s i l e f a t i g u es p e c i m e nu s e db y a l l 血n e h 试验中对压电驱动器施加固定频率的交流电压，由于压电效应，便可对试 样产生循环变化的拉伸力以达到疲劳试验的效果。试验所采用的载荷比r = 01 ，加载频率为1 0 h z ，应力范围03 5 u t s u t s ( u i t i m a t et e n s i l es t r e n g t h ) 。 c h o 口5 】等人采用另外一种拉伸疲劳试验装置( 如图1 - 3 ) 对l i g a 电镀镍微薄 膜试样进行了研究。整个装置主要由扬声器( v o i c ec o i l ) 、直线滑块( l i n e a rs l i d e r ) 、 试样( s a m p l e ) 、夹具( g r i p ) 、力传感器( f o r c e t r a n s d u c e r ) 组成。 阁豳 i 霉魈7 图i - 3c h o 采用的拉伸疲劳试验装置” f i 9 1 - 3m i c r o - t e n s i l e f a t i g u e t e e i n gs y s t e m 惦e db y c h o 试样形状与a l l a m e h 所用的试样类似试样整体尺寸为37 m m i9 m m ， 厚3 0 0 “m ，宽5 0 5 0 0 p s n 。试验通过扬声器( v o i c ec o i l ) 发出一定频率的声波， 导致滑动块的振动从而形成对试样的循环加载，加载频率为2 0 0 h z ，载荷比为 0l 。与压电驱动器相比，这种方法能够获得更高的振动频率。 i3 2m e m s 单晶硅薄膜机械结构疲劳试验装置 a n d o 【2 6 1 等人开发了如下拉伸疲劳试验装置f 见图1 4 ) ，并用它对单晶硅的 疲劳特性进行了研究。整个试验装置主要由加载单元( l o a dc e l l ) 、真空台 f v a c u u ms t a g e ) 、试样芯片( t e s tc h i p ) 、顶针( n e e d l e ) 及位移传感器( d i s p l a c e m e m s e n s o r ) 组成。试样芯；牛( t e s tc h i p ) 如图l 一4 的中间图所示，包含外框架( f r a m e ) 、 加载粱m o a dl e v e r ) 、扭转块( t o r s i o nb a r ) 和试样( s p e c i m e n ) 四个部分，其中试样 ( s p e c i m e n ) ! 构放大图如图1 - 4 右侧图所示，其长、宽、高分别为5 0 1 j m 、5 0 岬、 5 p m o 酬鞫谬 旧6 叫曲留：r 国1 - 4a n d o 采用的拉伸疲劳试验装置啪 f i g1 - 4m i c r o - t e n s i l e f a t i g u e t e s t i n gs y s t e mu s e db y a n d o 试样芯片( t e s te h i p ) 的横截面示意图如图1 5 所示。试验过程中对加载点 ( l o a d i n gp o i n t ) 进行位移和力的跟踪，利用平衡原理可求得试样( s p e c i m e n ) 所受 的应力和应变。试验过程中控制应变，在不同的应变水平下对不同晶向的单晶 硅进行了疲劳试验。试验频率为1 0 h z ，载荷比为01 。 蘑鲞? 13 3 单晶硅及多晶硅谐振疲劳试验装置 谐振疲劳试验装置是目前m e m s 硅微疲劳试验中用的最多的一种装置，它 利用对试样旄加频率与其固有频率相当的周期性驱动力，使结构发生共振而产 生周期性的应力与应变，以达到疲劳试验的效果。试验加载方式与m e m s 构件 n i i 学工学r 文 的实际受力环境较为接近因此试验结果更接近真实情况，其驱动及检测技术 已日渐成熟，是最具潜力的m e m s 疲劳试验装置之一。 基于梳状驱动器的谐振疲劳试验装置采用静电驱动原理，其中最主要的部 件就是如梳齿一样相互交错的静电力驱动器，在梳齿的两边施加固定频率的交 流电压加载。 图1 - 6 基于梳状驱动嚣的谐振疲劳试验装置 f i 9 1 6f m g “c k n i n g d e v i b 船e d o n m o 榭c ep r i n c i p l e b yc o m b d r i v e r 基于梳状驱动器静电力驱动的硅微薄膜谐振疲劳试验装置如图1 6 左图所 示l 2 j - 翻，其中a 、c 为两组相互交错的梳齿，a 为驱动器c 为电容式位移 传感器，b 为共振块，d 为试样。图1 6 右图为试样的放大图，试样中的缺口 是为了引人应力集中系数，增大试验的应力水平。 驱动器a 靠近外沿的梳齿接正弦电压( 其频率与振动块b 的固有频率相 当) ，与振动块b 相连的梳齿接地，这样便会使两者之间产生周期性的静电力 从而导致悬置的振动块b 发生共振而带动试样d 作往复运动，试样除了受循环 变化的弯曲力和剪切力外还受到循环变化的离心力，该离心力是由于振动块在 振动过程中角速度的变化而导致的。位移传感器c 靠近外沿的梳齿接恒定电压 共振块的振动将会造成梳齿问电容的变化，根据电容的变化便能够测得共振块 的振动幅度。试样所受的应力可以根据振动块的振动幅度由有限元分析算出。 上述谐振疲劳试验装置的试验装配图如图1 7 所示【2 7 】，主要包含以下几个 部分：探针测试台、显微镜、c c d 摄像机、信号发生与测量装置和电脑。探针 测试台内配有可动平台，能很方便地在基底上切换试样，还配有多个探针，用 于芯片电极与外围电路的连接。 第1 章绪论 台 图1 7 试验装配图【2 7 i f i g i - 7e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rf a t i g u e t e s t i n g 1 4m e m s 硅薄膜疲劳破坏机理研究 1 4 1r e a c t i o n - l a y e r 疲劳破坏机理 在微机械中通常使用硅作结构材料，这不仅是因为硅具有强度高、耐腐蚀、 耐高温等优点，还因为硅微机械在加工过程中能应用现有的微电子加工设备及 工艺技术，很容易制作出微米尺度的构件，从而大大降低了m e m s 的研制费。 硅是一种脆性材料，但c o r m a l l y 和b r o w n t l 0 】在1 9 9 2 年发现硅微薄膜在交 变载荷下存在疲劳特性。m u h l s t e i n 2 1 2 2 1 和s h r o t r i y a 1 2 1 等人的研究证实了这一现 象，他们采用图1 8 所示尺寸的试样对硅微薄膜进行了大量的疲劳试验。 卜d 叫 图1 8 试样尺寸示意图 f i g 1 8 d i m e n s i o n so f t h es a m p l e 试验结果发现，在常温下的空气中，单晶硅和多晶硅薄膜在循环载荷的作 用下均发生了疲劳失效现象，在应力幅远小于硅的断裂强度的循环应力作用下 工作足够长的时间，硅微薄膜发生了疲劳断裂。试验还发现，单晶硅微薄膜和 7 i-ililiil-lllliill王 n 京i n 大学i 学硕学位文 多晶硅微薄膜的固有频率随着循环数的增长是不断下降的阻2 ”，这表明试样内 部存在着裂纹的萌生与扩展，缺口根部扫描电镜的观察证实了这一点唧】。 m u l d s t e i n 等人对试验试样进行了大量的观察口1 2 2 , 2 ”，发现试样缺口根部的 氧化膜明显厚于其它区域，试样断裂前在变厚的氧化膜内存在微小的裂纹，观 察还发现试样在突然断裂前裂纹始终局限于氧化膜内，并没有延伸到硅层，这 说明试样的临界裂纹尺寸要小于氧化膜厚度。基于这些观测结果，他们提出了 硅微薄膜的“r e a e t l o n l a y e r ”疲劳破坏机理：由于氧化作用，在空气中硅表面 存在着一层厚度大约为3 0 n m 的氧化膜，在循环应力的作用下该氧化膜厚度会 成倍增加，至1 0 0 n m 左右，变厚的氧化膜在空气中水蒸汽的作用下会发生应力 腐蚀，有裂纹开始萌生，由于二氧化硅在空气中易发生应力腐蚀疲劳破坏( s t r e s s c o r r o s l nc r a c k i n g ，即s c c ) t 3 0 l ，因此这些微小的裂纹会在循环载荷的作用下逐 渐扩展，当裂纹扩展至临界尺寸时试样会最终断裂，裂纹的萌生和扩展过程可 参见图1 - 9 。 图1 - 9 硅微薄膜缺口根部的r e a c t i o n - l a y e r 瘦劳破坏机理 f i 9 1 9 s c h e m a t i co f t h er e a c t i o n l a y e r m e c h a n i s m m t h er o o t o f t h en o t c h 1 4 2 多晶硅疲劳的“压缩导致机理” 有一些研究表明表面氧化并不是脆性材料发生疲劳现象的必要条件。j b a g d a h n p i 】等人证实，在拉伸疲劳试验过程当中，多晶硅试样的疲劳寿命只与 循环载荷的数目有关和载荷的频率无关。s u r e s h ”埭明在压压疲劳加载下 脆性的陶瓷在缺口处存在裂纹的萌生和扩展。他认为疲劳是由于压缩载荷作用 时在缺口尖端产生的开裂所导致。w i e d e r h o m l 3 3 1 报道，真空中的无机玻璃受到 习么 一 瀑渗。 月i 蕈镕口 恒定的拉伸载荷时其裂纹的扩展和温度有关。 h k a h n 和r b a l l a r i n i 等为了研究多晶硅薄膜的疲劳机理，设计了一种 两端固定的试验装置来研究多晶硅薄膜的断裂韧性和应力腐蚀。图1 一】0 为该试 验装置的示意图。 ! 一h 一、 m m 蔓二五二二垣mj 一。二 j 广_ ! 唑、型骂1 ) e 三三亟童至三| 圈i - 1 0 试验装置示意图 f i gl - 1 0s c h e m a t i co f t h ed e v i c e 该实验装置通过标准表面m e m s 工艺加工而成，在装置释放之前通过维氏 探头在悬臂粱的中部附近预制小裂纹。当该装置完全释放后，在悬臂梁内会存 在残余应力。由于探头压痕法的随机性，每个试样的裂纹长度都不相同，从而 导致每个试样内部的应力密度也各不相同。图1 1 l 为微裂纹的s e m 照片 图l 1 1 裂纹投韦氏探头的s e m 照片 f i g1 。1 1s e mp h o l o so f a 6 0 p m , v i d e b e a m w i t ha l l i n d e n tp l a c e dn g a t - i t s c e n l r 该实验所采用试样的残余应力有三种分别为：4 4 m p a ，5 6 m p a ，和6 9 m p a 图1 一】2 为初始裂纹长度和应力集中因子之间的关系图。 笔 i l l a n a i 口 帕 i a n ) 图l - 1 2 应力集中因子与裂纹长度关系图 f i g1 - 1 2p l o t o f s t l e s s i n t e n s i t y k 。哪u sc r a c k l e n g t h 北女i 业女学i 学目学位论i 试验测得k 1 c = o8 1 00 5 m p a m 埘，这个值比体硅的要略小一些。试验 试样释放后在相对湿度为9 1 的空气中放置3 0 天后，通过分辨率为01 p m 的 扫描电子显微镜观察没有发现裂纹的扩展，这表明裂纹生长速度定小于 4 1 0 。4r r d s ，多晶硅不存在应力腐蚀现象。 jj b e l l a n t e 等人为了研究单调加载和循环加载下裂纹的萌生和扩展，设计 制造了如图1 ，1 3 所示的试验装置。在光刻之前，通过逼火来消除多晶硅层的残 余应力。 图1 - 1 3 用于研究多晶硅症劳的试验装置的s e m 照片 f i g1 - j 3s e mo f t h e p o l y s i l i e o n d e v l e e u s e d f o r f a t i g u e i n v e s t i g a t i o n s 通过给该装置施加直流电压。使十个试样同时受到35 g p a 的拉伸应力。该 装置首先在空气中放置两小时然后放到相对湿度为9 0 的环境下2 0 0 个小时。 最后没有发现试样失效。这表明m e m s 多晶硅薄膜对静态应力腐蚀不敏感。 h k a h a 等人利用上述装置通过改变载荷比r ，研究了循环载荷作用过程 当中压应力循环数和拉应力循环数的比例对m e m s 多晶硅薄膜疲劳特性的影 响。由于该静电驱动装置只能够朝一个方向单调加载，故设计了两种实验试样 如图1 - 1 3 中的b ，c 所示。两种试样的缺口半径均为l1 i s r a 。当载荷方向相同时， b 和c 中疲劳试样的缺口棍部分别产生拉应力和压应力。因此，通过选取不同 的试样和载荷方向，便可以在不同的载荷比r 下进行疲劳试验。 试验结果如图1 1 4 所示。正方形是35 a m 厚的试件在空气中的试验结果。 三角性和圆形是57 1 m a 厚的试件分别在真空中和空气中的试验结果。 图1 - 1 4 多晶硅的低周疲劳试验结果 f i g 1 - 1 4l o w c y c l e f a t i g u e d a t a f o r p o l y s i f i c o n 属于脆性材料的硅的拉伸强度远远低于其压缩强度。试验发现弯曲试样都 无一例外的从受拉应力的- n 断裂。因此假设试样在试验过程中经历的最大拉 伸应力就是其低周疲劳极限，且等同于l 临界应力的大小。 多晶硅薄膜确实存在疲劳现象，而且在没有损伤的情况下，其疲劳强度是 不变的等同于单调弯曲强度并与r 无关。但是随着r 的逐渐增大，临界应力 也在增大。k 。= x 口咖”2 ，其中c 是初始裂纹尺寸，k 是一个常量。前 面的试验证明对于多晶硅来说k l c 是一个和结构无关的量。因此可以认为临界 应力的下降必然伴随着裂纹尺寸的增大。所有多晶硅薄膜试样都是在同样的条 件下加工的，因此，其初始缺陷应该是相同的。所以，可以认为绝对值较大 的负载荷比可以加速裂纹的扩展， 耵r ；o4 下的断口形貌b ) r 02 下的断口形貌 a ) f r a c t u r es u r f a c e o fs p e c i m e n u n d e r r 04b ) f r a c t u r es u r f a c eo fs p e c i m e n u n d e r r = 02 国1 1 5 不同载荷比下试样端口形貌对比 f i g1 - 15 l ：r a c t u r es u r f a c eo fs p e c i m e nu n d e r d i f f e r e n t l o a dr a t i o 为了进一步确定绝对值较大的负r 可以加速裂纹的扩展，对不同载荷比下 发生疲劳的试件进行了断口的分析。图l 一1 5a ) 图中试样所受载荷比r 一0 4 ，临 北京工业大学工学硕士学位论文 界应力为3 4 g p a 。图1 1 5b ) 图中试样所受载荷比r - 0 2 ，临界应力为1 7 g p a 。 断裂表面具有典型脆性断裂的形貌特征：在裂纹源附近存在一个相对平整的半 圆形的区域。在这个区域以外为相对粗糙的裂纹分支。半圆形区域的半径和初 始裂纹尺寸是成比例的。c 中的半圆区域半径是b 中的四倍而临界应力是0 5 倍。这正好与公式k ，c 2 k c r c , 宙( z t c ) 相符。这就进一步证实了绝对值较大的负 r 可以带来更快的裂纹扩展。 h k a h n 认为，小裂纹形成的直接原因是粗糙的缺口表面。在试样受到压应 力时缺口闭合，由于粗糙的存在带来了契型效果，进而造成了局部区域的拉伸。 缺口表面的形貌是由试样经等离子刻蚀加工所致的。因此从这个机理来看，疲 劳损伤的累积只取决于循环载荷的数目，而与载荷的频率无关。 使用图1 1 3 所示装置，进行高周疲劳试验。试验分两部分。第一部分采用 载荷比r _ - 0 5 ，最大拉伸应力为3 6 g p a ，试验在空气中进行。结果发现所有的 试样在3 0 x 1 0 7 次循环以内发生了疲劳断裂。第二部分在真空中进行。试验结 果表明试样最少可以经受1 0 8 个循环而不发生疲劳。这说明环境因素可以加速 疲劳的发生。h k a h n 结合“压缩导致机理 解释了环境对高周疲劳的影响：空 气的存在使原本的缺口表面或者已经形成的裂纹表面的氧化层加厚，这就在试 样受到压缩应力时产生了额外的契行效果进而加速裂纹的扩展。 h k a h n 和r b a l l a d n i 等的研究成果表明：在没有循环载荷的情况下，多 晶硅不存在应力腐蚀开裂。多晶硅的低周疲劳损伤主要是由循环载荷的压应力 部分带来的缺口根部的局部微小开裂导致的，而不受试验环境的影响。因为低 周疲劳过程很短所以对环境不敏感。对于高周疲劳，实验室的空气，或者具有 腐蚀性的环境都会加快疲劳产生的速度。 1 5 本论文所要研究的内容 本文为国家自然科学基金项目( 批准号：5 0 5 7 5 0 0 4 ) 和北京市人才强教计划 资助项目的部分研究内容。具体研究内容如下： ( 1 ) 在国内现有体硅加工工艺条件下设计合理的m e m s 多轴疲劳试验装 置。 ( 2 ) 建立有限元模型，对所设计的m e m s 多轴疲劳试验装置进行模拟，为 其确定合理的加工尺寸及试验加载条件。 ( 3 ) 结合实验室中日本岛津公司的m m t - 1 1 n 微机械疲劳试验机，设计、制 造m e m s 单晶硅薄膜疲劳试样。 1 2 一 第1 章绪论 ( 4 ) 结合制得的m e m s 单晶硅薄膜疲劳试样设计整套静拉伸试验和疲劳试 验方案，通过得到的m e m s 单晶硅薄膜疲劳试验数据，分析m e m s 单晶硅薄 膜疲劳现象。 北京t 业大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章多轴疲劳试验装置的结构设计 传统宏观尺度下的疲劳试验一般在专用的材料疲劳试验机上进行，标准试样 通过夹具装卡，采用液压、电磁等驱动方式。但这种方法并不适用于m e m s 疲 劳特性的研究，因为微纳米尺度试样的装卡和对中极其困难。因此为了研究 m e m s 疲劳特性必须使用新型的试验装置。 目前研究m e m s 结构材料力学性能的方法主要有两类：一类是片外测试方 法，利用m e m s 工艺制造多晶硅薄膜拉伸、弯曲试验试件，在宏观力学性能测 试工作平台上测试多晶硅薄膜的力学性能，如a f m 弯曲、单轴拉伸、双轴弯折、 电磁拉伸等，该方法中试件的制造工艺相对简单，且试验中的各种参量易于记录， 但是试件的操纵、装卡、对中等比较困难：另一类是片上测试方法，利用m e m s 工艺设计、制造集驱动、检测为一体的多晶硅薄膜力学性能测试系统，直接在芯 片上对多晶硅薄膜力学性能进行测试，如谐振频率法等。该方法能实现对m e m s 器件机械性能的在线检测。由于多晶硅薄膜的疲劳特性很大程度上决定了m e m s 器件的寿命和可靠性，开发可靠实用的检测方法显得尤为重要。国外对多晶硅薄 膜疲劳性能的研究主要采用片上测试方法，利用梳齿驱动器的谐振测试多晶硅薄 膜的疲劳特性。 目前使用较多的m e m s 疲劳试验装置多为谐振式。通过对谐振式疲劳试验 装置的梳齿电容施加交变的电压信号，这样就可以通过梳齿电容产生交变静电 力，从而对疲劳试样产生拉伸或弯曲的效果，进而达到疲劳试验的目的。 由于现存的m e m s 疲劳试验装置均采用梳齿电容作为驱动部分，所以其产 生的简谐震动只能在水平平面内进行，从而使得梳尺电容式m e m s 疲劳试验装 置不能很好的模拟m e m s 的多轴工作环境。结合现有的m e m s 疲劳试验装置， 设计了四种基于国内典型m e m s 表面硅微加工技术的微机械疲劳试验装置。这 些装置将梳齿电容与平行板电容结合使用从而有效的模拟了m e m s 的多轴工作 环境。 2 2 平行板电容驱动微结构扭转疲劳试验装置 该平行板电容驱动m e m s 扭转疲劳特性研究装置，可以用来模拟m e m s 微 结构的扭转受力工作环境和应力状态，进而研究m e m s 结构材料多晶硅的扭转 疲劳特性。图2 1 为该装置的几何模型。 1 4 i i ! ：! ! ：! 些! ! ! ，_ 一 曼户一 图2 - 1 装置的几何模型 f 逗2 - 1 g e o m e t r i c m o d e lo f t h ed e v i c e 如图2 - 2 所示：该装置主要包括有驱动电极l 、检测电极2 、左侧试验试样7 、 右侧试验试样8 、第一底电极5 、第二底电极6 、连为一体的第一悬置平板9 和 第二悬置平板1 0 。其中，在第一悬置平板9 和第二悬置平板1 0 之间的中轴线的 两端并沿着中轴线的方向开有缺口，缺口处设置有左侧试验试样7 和右侧试验试 样8 ，左侧试验试样7 和右侧试验试样8 的一端与两个悬置平板之间的中轴线相 连，另端分别连到左固定块3 和右固定块4 上，由第一悬置平板9 、第二悬置 平板1 0 及左侧试验试样7 和右侧试验试样8 组成的悬置部分通过左固定块3 和 右固定块4 固定悬置并通过右固定块4 与接地电极1 1 相连。第一悬置平板9 和 设置在其下方的第一底电极5 组成平行板电容驱动器，第二悬置平板i o 和设置 在其下方的第二底电极6 组成平行板电容传感器。接地电极l 接地第一底电极5 通过驱动电极1 接交流电，第二底电极6 通过检测电扳2 与外部振幅检测电路相 连，用于检测悬臂梁试样的扭转角度。在悬臂粱试样7 和8 上开有缺口。第一底 电极5 、第二底电极6 都与硅基底固定。 本装置中的第一悬置平板9 、第二悬置平