[发明专利]微机电系统微桥压痕载荷-深度曲线的校准方法

说明书

本发明涉及一种微机电系统微桥压痕载荷‑深度曲线的校准方法，属于材料力学性能测试领域。通过对特征尺寸为微米级的两端固定式微桥结构进行纳米压痕测试，同步获取微桥结构的弯曲载荷‑挠度曲线和压痕载荷‑深度曲线，对微机电系统器件中桥式结构的刚度、杨氏模量、硬度、屈服应力和断裂强度进行定量测试。通过对微桥静不定结构进行分析，将压针尖端实际最大位移精确解析为微桥最大挠曲变形与嵌入微桥表面最大压入深度之和，结合弹性挠曲面对最大压入深度以及压入微区边缘弹性挠曲的理论分析，建立通过实测压痕载荷‑深度曲线对弹性半无限空间条件下载荷‑深度曲线进行评估的方法，为研究微机电系统器件应力诱导下的力学行为提供新颖的测量方法。

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试领域，特别涉及一种微机电系统微桥压痕载荷-深度曲线的校准方法，适用于微机电系统器件微桥结构的弯曲与压入力学性能测试方法。本发明可对微桥纳米压入过程中的弯曲力学性能和压入响应进行同步测试，可为硅微机械加工提供数据支撑，并为航空航天、自动控制、通信工程等领域涉及的微梁、微传感器和微驱动器的微观力学性能提供高精度的测试方法。

背景技术

微机电系统是将微驱动、微传感和信号处理等功能集于一身的微系统。微机电系统器件在传感、光学、医学、微电子等领域具有重要的应用。微机电系统器件的特制尺寸在毫米级以下，其特征机械结构是通过化学气相沉积法、离子溅射法等在基体表面上形成镀膜后，再经刻蚀、腐蚀等工艺形成的。这些形成的微尺度微梁和微桥结构的表面效应和尺寸效应显著，其力学性能与宏观梁和桥结构的性能具有明显的差异，且微机电系统器件的制备工艺和材料热膨胀系数的差异，导致微桥结构中存在内应力，严重影响着微结构和器件的服役性能。常规力学测试方法难以对微尺度微桥结构进行精准的服役性能评估，且常规条件下微桥材料的力学性能参数无法满足微机电系统器件结构的设计要求。微机电系统器件的结构优化设计和其服役可靠性问题日益突出，极大限制了对其载荷作用下失效机理的深入研究，难以直接获取应力诱导和微观结构弱化行为的相关性。此外，微机电系统器件中应用的材料大多为脆性材料，如单晶硅等，这类材料具有良好的压电效应和霍尔效应等，但其抗拉性能较差，亦难以通过刚性夹持方法实现对单晶硅微桥的准静态拉伸。

纳米压痕法作为一种先进的微尺度力学性能测试技术始于20世纪70年代。从其测试原理上看，是采用已知力学性能的压针压入被测样品，基本测试量为压针的轴向接触载荷和压入深度。通过测量作用在压针上的载荷-深度曲线获取材料的杨氏模量和硬度的。从其工作方式上看，是通过连续记录加载和卸载过程中的压入载荷和深度来拟合载荷-深度曲线的。从压入深度上看，一般控制在微/纳米尺度，纳米压痕测试仪器的位移传感器具有优于1nm的测试分辨率。在微机电系统器件的力学测试中，由于微桥结构的微小型化，现有宏观力学测试装备难以直接用于微桥结构的力学测试，借助纳米压痕测试实现的微桥结构的弯曲是最常用的测试方法。研究人员通常借助可与扫描电子显微镜兼容使用的原位纳米压痕测试仪器来实现对微桥结构的弯曲性能测试，即通过连续的定向压入获取微桥由无应力状态直至断裂破坏过程的载荷-变形曲线。在对微桥结构的实际测试过程中，在微桥结构跨度中间处梁的上表面施加压入载荷，采用特征结构为三棱椎形标准Berkovich(玻氏)金刚石压针，压针嵌入微桥表面的实际压深往往被忽略，而压针尖端的位移实为微桥中心处的挠度值和实际压深的代数和。考虑到微桥结构的厚度较小(数微米级)，通过纳米压痕测试法对该类薄膜材料挠度的测量将因压入深度的无法计算而产生较大误差，进而影响微桥弯曲模量、弯曲强度、断裂挠度等参数的准确评价。此外，考虑到压针压入过程一方面会引起压针轮廓周围的材料的弹性积压与塑性流动，另一方面，压入载荷导致的微桥弹性弯曲亦会对实际压入体积产生影响，从而产生与弹性半无限空间条件下最大深度值不同的压入深度。该压入深度亦将产生不同于弹性半无限空间条件下的残余压入深度，进而对卸载初始点的接触刚度产生影响，引起对杨氏模量和硬度的计算误差。

综上，尽管纳米压痕测试理论体系较为完备，试验设备功能丰富，操作简单，并且采用纳米压痕测试技术对微机电系统器件的微观力学性能进行评估的方法已普遍应用，但就非弹性半无限空间条件下纳米压入响应与载荷-深度曲线的校准方法鲜有提及，亦未见可同时测试微机电系统器件中微桥结构的弯曲与纳米压入响应的方法。