材料力学性能的测试技术.ppt

1、MEMS材料力学性能的测试技术,MEMS技术的迅猛发展，推动了所用材料微尺度力学性能测试技术的发展。 MEMS的定义： microelectromechanical system(微电子机械系统)是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统。 MEMS所独有的优点（小体积、大批量、低成本、可靠性），近十年来已成为世界各发达国家高新技术领域研究的热点。 MEMS器件的开发热点：传感、致动、射频（RF）、光学、生化和医学等不同领域。 所使用的材料：单晶硅、和在其上形成的微、亚微米级厚的薄膜为主。 薄膜主要有：单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅和一些金属、和一些高分子材料。,制造方法 化学沉积、溅射、电镀

2、等方法形成薄膜，再经光刻、蚀刻、牺牲层腐蚀、体硅腐蚀等形成各种形状，构成微机械结构。 基本构件 主要有细丝、悬臂梁、微桥、薄膜、齿轮和微轴承等。 当构件细微到微米/纳米尺度后，材料本身的力学、物理性质及其受环境的影响程度有很大变化，会出现强烈的尺寸效应、表面效应，传统的力学性能参数已不能满足MEMS微结构的设计要求。 目前，硅类薄膜材料的电学、化学特性均得到了充分的了解，但对其力学性能的了解还甚少，主要原因是力学性能测试技术未能跟上，同时也阻碍了MEMS的设计和发展。 由表面效应引起的粘着失效（adhesion failure）是MEMS中的主要破坏模式之一，已引起人们的关注。,MEMS的设计

3、和服役中需了解的力学特性 弹性模量：决定着器件的结构响应特性； 残余应力：影响器件的成品率和服役性能； 断裂强度：设计承载结构中最重要的材料特性； 疲劳强度：决定器件长期服役的可靠性； MEMS器件的特征长度一般小于1mm,因而，测试设备和方法成为最大难题。如：如何制作、夹持、对中微小试件，如何提高载荷和位移的分辨率等。 自从1982年诞生了的一台扫描隧道显微镜（STM）后，人们才对微/纳观尺度的观测有了新手段。之后，又有了原子力显微镜（AFM）和纳米压痕测试系统，从而极大的推动了微/纳尺度下材料的性能测试研究。,反馈系统,nm,STM原理示意图,STM的构造及测试原理,当探针与被测试件足够接

4、近时，将会发生隧道效应，产生隧道电流; 相对距离的变化使隧道电流发生很大变化，通过反馈系统调节探针的高度来维持电流为常值，从而得到被测试件的表面物理特征。,V,AFM的构造及测试原理,同STM类似，其反馈系统不是电流，而是探针和试样表面的作用力。一般和探针相联结的是一个悬臂梁结构，通过光信号对悬臂梁的弯曲作用反馈控制，以此来识别表面的物理特征。,AFM带有许多的功能模块，分为接触式和非接触式两大类。,接触式,压痕法 可测得：硬度、杨氏模量、弹塑性变形、随时间的蠕变/松弛效应、断裂韧性、疲劳强度等。,Apply a specific load on a diamond indenter The

5、residual impression after load removal is a measure of hardness,Load,Diagonal, D, is measured optically after removal of load Vickers: D = 7h Knoop: D = 30.5h,Vickers 式探头,Hardness & Youngs Modulus,Hardness is the mean pressure the material will support Youngs modulus is calculated from the composite

6、 response modulus, Er Though not shown explicitly here, both H and E require load, depth and stiffness for calculations,Load-Displacement Behavior,Aluminum, typical of soft metallic behavior, shows very little displacement recovery upon unloading Fused silica, typical of ceramic behavior, shows larg

7、e elastic recovery upon unloading,Aluminum,Fused silica,Elastic/Plastic Indentations,For an ideally plastic indentation, hc ht For an elastic/plastic indentation, hc ht,Stiffness From Unloading,hn, Pn,Modeling the P-h behavior,The unloading curve follows a power law Contact stiffness is the slope of

8、 the unloading curve Contact depth is determined from the displacement, load, and contact stiffness,弹性模量的计算,Scratch Friction Coefficient,FN,FT,s,t,indenter,material,Motion of indenter,Scratch friction coefficient Actual friction coefficient,(Indenter geometry dependent),(same with Berkovich and Cube Corner