一种MEMS器件用高服役可靠性、廉价层状复合材料的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种MEMS器件用高服役可靠性、廉价层状复合材料的设计方法。该方法设计由金属镍层和镍钨合金层交替层叠组成复合层状材料，材料在长期服役过程中内部产生的疲劳裂纹可通过发生钝化、偏折以及界面脱粘来降低裂纹扩展速率，从而提高材料的服役寿命；可通过热处理调控材料异质层间晶粒尺寸匹配，进一步提高材料强度。本发明专利技术的特点在于：(1)材料成本低，力学性能可靠，并具有长使用寿命；(2)所设计的层状金属复合材料可抑制器件服役过程中疲劳裂纹的萌生和扩展，降低局部应力集中；(3)可以在空间上灵活地调控相邻层晶粒尺寸，使之相互匹配以使材料获得更高强度。使之相互匹配以使材料获得更高强度。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS器件用高服役可靠性、廉价层状复合材料的设计方法


[0001]本专利技术涉及MEMS器件
，具体涉及一种MEMS器件用高服役可靠性、廉价层状复合材料的设计方法。

技术介绍

[0002]MEMS器件是利用微电子机械系统(MEMS)技术制造的微型可移动元器件，包括传感器、驱动器、MEMS开关等，具有低成本和功能整合等优点，目前广泛应用于军事安全系统、汽车工业和无线通讯等领域。对于接触式MEMS器件，力学服役可靠性是设计的关键性能指标。要求材料经历超过107次周次的循环载荷的作用。传统MEMS器件，例如金
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金接触式开关由于其高化学稳定性及低电阻率而广泛应用在MEMS开关上，然而，金的低硬度和低强度使其在经历多周次开、关循环后发生表面变形和黏着磨损等现象，最终导致MEMS开关失效。如何选择廉价的合金材料，并能赋予其高服役性能和长服役寿命成为小微尺度MEMS器件研发领域一直关注的热点和难点。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种MEMS器件用高服役可靠性、廉价层状复合材料的设计方法，与已有方法相比，本专利技术具有材料成本低、强度高及服役寿命长等优点，为MEMS器件的设计和制造提供新思路。
[0004]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0005]一种MEMS器件用高服役可靠性、廉价层状复合材料的设计方法，该层状复合材料是由金属镍层和镍钨合金层依次交替叠加而成；其中，金属镍层为纯度99.0％以上的单质镍，镍钨合金层为含钨量9.0～18.0at.％的镍钨合金。
[0006]所述金属镍层的单层厚度为0.10～20.00μm，镍钨合金层的单层厚度为0.02～5.00μm，层状复合材料的总厚度为100
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200μm。
[0007]该层状复合材料中，所述镍钨合金层晶粒尺寸与金属镍层晶粒尺寸的比值为1:2～1:10，层状复合材料强度为1000～2200MPa。
[0008]该层状复合材料可进行100～250℃退火热处理，退火处理后获得的复合材料中镍钨合金层晶粒尺寸与金属镍层晶粒尺寸的比值为1:2～1:40，复合材料强度可比退火处理前提高近100MPa。
[0009]与现有技术相比，本专利技术提供了一种满足MEMS器件用材料要求，具有高力学稳定性、长服役寿命的廉价金属层状材料的设计和处理方法，具有如下特点：
[0010]1.采用镍和镍钨合金廉价金属的层状材料做MEMS器件用材料，可以替代目前MEMS开关用的金与铂、铑和钌等贵金属及其合金，极大地降低生产成本；
[0011]2.所设计的层状金属复合材料可降低局部应力集中，抑制器件服役过程中承受疲劳载荷造成的裂纹萌生和扩展；
[0012]3.所设计的异质层叠结构可以通过灵活调整相邻层晶粒尺寸匹配度来更高材料强度，并使材料具有抑制疲劳裂纹萌生和扩展的能力，从而提高材料服役可靠性和寿命。
[0013]4.该层状材料退火前、后的强度均远高于MEMS开关用的纯金(350MPa)和铂铑合金等贵金属合金(～1000MPa)的强度；且其拉
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拉疲劳服役寿命与各类MEMS传感器和驱动器用的纯镍材料相比可提高1～3倍。
附图说明
[0014]图1为金属镍层与镍钨合金层叠层形成的复合材料的扫描电镜照片。
[0015]图2为复合材料退火热处理前、后镍层和镍钨层的透射电镜照片；其中：(a)退火热处理前；(b)退火热处理后。
[0016]图3为复合材料退火热处理前、后材料的室温拉伸工程应力
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应变曲线。
[0017]图4为镍和镍钨层状材料的室温高周疲劳S
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N曲线。
具体实施方式
[0018]下面结合附图和实施例详述本专利技术。
[0019]实施例1
[0020]如图1所示，本实施例层状复合材料是由金属镍层和镍钨合金层依次交替叠加而成；其中，金属镍层为纯度99.0％的单质镍，镍钨合金层为含钨量11at.％的镍钨合金。所述金属镍层的单层厚度为1.50μm，镍钨合金层的单层厚度为0.15μm。
[0021]采用电沉积法制备具有上述层厚比，总厚度为100.00μm的层状复合材料，镍钨层与镍层界面平直，晶粒尺寸之比为1:2～1:10。将材料进行1小时的退火处理后，镍层的晶粒尺寸分布范围为20nm～150nm，镍钨层晶粒尺寸为7nm，如图2所示，两个相邻的镍钨与镍层晶粒尺寸之比为1:3～1:22。
[0022]图3为热处理前、后材料的典型室温拉伸工程应力
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应变曲线，可见，镍和镍钨层状材料屈服强度可达1485MPa，抗拉强度达1858MPa，远高于纯金抗拉强度(～350MPa)和铂铑合金抗拉强度(1000
±
200MPa)；退火处理之后材料屈服强度可达1721MPa，抗拉强度提高到1898MPa。对镍和镍钨层状材料进行高周疲劳性能测试，其中，疲劳加载应力幅根据Gerber关系转换为R＝
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1应力比模式，获得图4所示的S
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N曲线，可知，该材料的疲劳寿命可达107周次后仍未断裂，其疲劳强度为341MPa，该值相比于主流MEMS传感器和驱动器用的纯镍材料拉
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拉疲劳强度(160
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290MPa)提高了1.2～2倍。而对于MEMS开关，其实际应用时的受力方式为悬臂梁端部受载，已知纯镍材料在悬臂梁端部受载方式下的高周疲劳强度(107周次后未断裂)为334MPa，而目前主流MEMS开关用纯金悬臂梁的高周疲劳强度极限仅为230MPa，其应力水平远高于MEMS开关实际应用时的疲劳载荷应力水平，因此，本层状材料完全可以达到MEMS开关实际使用的力学性能要求。可见，本材料在MEMS器件各应用领域，不同加载方式下均可达到优异性能。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS器件用高服役可靠性、廉价层状复合材料的设计方法，其特征在于：该层状复合材料是由金属镍层和镍钨合金层依次交替叠加而成；其中，金属镍层为纯度99.0％以上的单质镍，镍钨合金层为含钨量9.0～18.0at.％的镍钨合金。2.根据权利要求1所述的MEMS器件用高服役可靠性、廉价层状复合材料的设计方法，其特征在于：所述金属镍层的单层厚度为0.10～20.00μm，镍钨合金层的单层厚度为0.02～5.00μm，层状复合材料的总厚度为100
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200μm。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广平，李梅月，宋竹满，罗雪梅，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：