微机电系统微桥压痕载荷-深度曲线的校准方法技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微机电系统微桥压痕载荷-深度曲线的校准方法，解决了现有技术存在的上述问题。针对现有微机电系统微桥结构的力学测试大多依赖借助纳米压痕方法实现的弯曲性能力学测试，本专利技术结合微桥弹性挠曲面和等效流动面积对最大压入深度和残余压入深度的分析，可构建出实测压痕载荷-深度曲线与弹性半无限空间条件下压痕载荷-深度曲线的关系。在已知压针杨氏模量、泊松比、最大压入载荷、实测最大压入深度、残余深度和微桥基本几何参数的基础上，该方法可对预测出与弹性半无限空间条件下最大压入深度和残余深度较为一致的标准深度值，从而获取两端固定式特征约束条件下微桥结构的压入响应特性和弯曲特性。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：微机电系统微桥压痕载荷-深度曲线的校准方法，该方法的应用对象为微机电系统器件中两端刚性固定式的微桥结构，包括以下步骤：步骤1：将已抛光微机电系统服役材料通过掩膜、沉积、电镀等工艺制备成两端固定式的微米级微桥结构的试件，借助于纳米压痕测试仪，在具有真空腔的扫描电子显微镜的同步观测下，采用圆锥形压针或玻氏压针，其等效半锥角为70.3°，对该试件表面的几何中心点进行直接压入，并直接获取被测试件加载和卸载过程中的载荷-深度曲线，即实测曲线，从卸载曲线上直接最大压入载荷Pm、最大压入深度hm-f和残余压入深度hf-f；其中最大压入深度hm-f由微桥几何中心处最大挠度值fm和压针尖端嵌入微桥表面的最大深度值hm构成；步骤2：通过对微桥结构的两端固定式的非静定结构可通过对称分析将三次非静定结构解析为由二分之一最大压入载荷和衍生弯曲力矩叠加组成的静定结构，并直接获取最大挠曲变形为fm与Pm的对应关系，并对微桥结构的试件的挠曲线函数进行定量计算；将实测曲线中的hm-f通过对fm的做差修正为过渡最大压深hm-c，进而获得过渡曲线，过渡曲线的最大残余压深hf-c与hf-f相同；步骤3：采用体积不变原则，对压针下方接触区域微桥结构的试件挠曲的塑性流动面积进行积分计算，该面积可视为压针轮廓范围内挠曲线所包络的面积，从而对校准最大压入深度hm-c进行定量计算；基于微桥材料的弹性回复率的一致性，可获取校准最大残余压深hf与hf-c的对应关系，进而获得校准曲线；通过上述由实测曲线到过渡曲线，再由过渡曲线到校准曲线的修正过程，可定量预测微尺度微桥结构的试件弹性半无限空间条件下的压痕载荷-深度曲线。该方法对微桥结构在接触载荷的作用下同时产生整体弹性弯曲和局部弹塑性凹陷进行定量计算。通过构建过渡压痕载荷-深度曲线来建立两端固定条件下和弹性半无限空间条件下压痕载荷-深度曲线，即校准曲线的定量关系，通过直接压痕测试同时对微桥结构的弹性弯曲性能、压入响应和微区弹性回复行为进行研究；过渡曲线与校准曲线的卸载部分顶端具有与流动面积的相关性，过渡曲线与校准曲线的残余压入深度亦具有与该流动面积相同的相关性，即过渡曲线的残余压深hf-c比标准曲线的残余压深hf小；因在压针卸载过程中同时伴随着压痕微区弹性回复和微桥整体的弹性回复，储存在压痕接触区内部的弹性能因微梁挠曲面的平坦化可较为彻底的释放；假设压针边缘所包络的材料沿压针侧边轮廓均匀分布，通过建立微桥材料的弹性回复率Re，弹性回复阻抗Rs，折合模量Er和硬度H之间的对应关系，可对校准曲线进行准确预测，即获取的校准曲线的卸载部分和弹性半无限空间条件下曲线的卸载部分具有重合的函数特征。本专利技术的有益效果在于：传统微机电系统器件中微桥结构的力学性能测试方法未将压针嵌入在微桥内的深入计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电系统微桥压痕载荷‑深度曲线的校准方法，其特征在于：该方法的应用对象为微机电系统器件中两端刚性固定式的微桥结构，包括以下步骤：步骤1：将已抛光微机电系统服役材料通过掩膜、沉积、电镀制备成两端固定式的微米级微桥结构的试件，借助于纳米压痕测试仪，在具有真空腔的扫描电子显微镜的同步观测下，采用圆锥形压针或玻氏压针，其等效半锥角为70.3°，对该试件表面的几何中心点进行直接压入，并直接获取被测试件加载和卸载过程中的载荷‑深度曲线，即实测曲线，从卸载曲线上直接最大压入载荷Pm、最大压入深度hm‑f和残余压入深度hf‑f；其中最大压入深度hm‑f由微桥几何中心处最大挠度值fm和压针尖端嵌入微桥表面的最大深度值hm构成；步骤2：通过对微桥结构的两端固定式的非静定结构可通过对称分析将三次非静定结构解析为由二分之一最大压入载荷和衍生弯曲力矩叠加组成的静定结构，并直接获取最大挠曲变形为fm与Pm的对应关系，并对微桥结构的试件的挠曲线函数进行定量计算；将实测曲线中的hm‑f通过对fm的做差修正为过渡最大压深hm‑c，进而获得过渡曲线，过渡曲线的最大残余压深hf‑c与hf‑f相同；步骤3：采用体积不变原则，对压针下方接触区域微桥结构的试件挠曲的塑性流动面积进行积分计算，该面积可视为压针轮廓范围内挠曲线所包络的面积，从而对校准最大压入深度hm‑c进行定量计算；基于微桥材料的弹性回复率的一致性，可获取校准最大残余压深hf与hf‑c的对应关系，进而获得校准曲线；通过上述由实测曲线到过渡曲线，再由过渡曲线到校准曲线的修正过程，可定量预测微尺度微桥结构的试件弹性半无限空间条件下的压痕载荷‑深度曲线。...

【技术特征摘要】
1.一种微机电系统微桥压痕载荷-深度曲线的校准方法，其特征在于：该方法的应用对象为微机电系统器件中两端刚性固定式的微桥结构，包括以下步骤：步骤1：将已抛光微机电系统服役材料通过掩膜、沉积、电镀制备成两端固定式的微米级微桥结构的试件，借助于纳米压痕测试仪，在具有真空腔的扫描电子显微镜的同步观测下，采用圆锥形压针或玻氏压针，其等效半锥角为70.3°，对该试件表面的几何中心点进行直接压入，并直接获取被测试件加载和卸载过程中的载荷-深度曲线，即实测曲线，从卸载曲线上直接最大压入载荷Pm、最大压入深度hm-f和残余压入深度hf-f；其中最大压入深度hm-f由微桥几何中心处最大挠度值fm和压针尖端嵌入微桥表面的最大深度值hm构成；步骤2：通过对微桥结构的两端固定式的非静定结构可通过对称分析将三次非静定结构解析为由二分之一最大压入载荷和衍生弯曲力矩叠加组成的静定结构，并直接获取最大挠曲变形为fm与Pm的对应关系，并对微桥结构的试件的挠曲线函数进行定量计算；将实测曲线中的hm-f通过对fm的做差修正为过渡最大压深hm-c，进而获得过渡曲线，过渡曲线的最大残余压深hf-c与hf-f相同；步骤3：采用体积不变原则，对压针下方接触区域微桥结构的试件挠曲的塑性流动面积进行积分计算，该面积可视为压针轮廓范围内挠曲线所包络的面积，从而对校准最大压入深度hm-c进行定量计算；基于微桥材料的弹性回复率的一致...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志超，赵宏伟，任露泉，马筱溪，杜希杰，刘长宜，周明星，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22