微构件材料力学性能测试方法

随着MEMS的商业化进程,微构件材料力学性能的研究成为越来越重要的一个课题。微小试件的制备、安装、夹持、微驱动、高分辨率的载荷和位移测量等技术问题都是对微构件材料力学性能测试的很大挑战,很多传统的测试方法和装置已经不再适用了。近十几年,国内外学者发展了一些微构件材料力学性能的研究方法,来测量微构件的弹性模量、屈服强度、断裂强度、残余应力和疲劳强度等。本文从实验系统的集成度出发,将这些测试方法大致分为片外测试和片上测试两类。本文对单轴拉伸法、纳米压痕法、鼓膜法、微梁弯曲法和衬底曲率法等典型的片外测试方法和一些典型的片上测试方法进行了介绍,并比较了各自的优缺点。

微构件弹性模量悬臂梁法测量的模糊建模及分析

在介绍悬臂梁法测量微构件弹性模量原理的基础上,分析了测量和评价过程的主要不确定因素,将模糊数学方法引入弹性模量的评价过程.在常规模型中,给予有关参数一定的变动范围,以隶属函数表示其取值分布情况,建立了基于模糊集的评价模型.其中,悬臂梁试件的刚度系数由载荷有效挠度曲线经模糊加权线性回归拟合获得,其几何尺寸考虑为正态分布模糊数,利用水平截集概念转化为普通集规划问题求解.对单晶硅(100)悬臂梁试件的实验数据进行了计算,得到不同置信水平下的弹性模量评价区间.研究结果表明,带有模糊参数的弹性模量评价模型能适当吸收一些不确定因素,同时由于考虑了测量中多种因素的影响,评价结果与实际情况符合较好,因此更具有参考价值.

单晶铝微构件拉伸过程的分子动力学仿真研究

建立了单晶铝微构件拉伸过程的分子动力学仿真模型,利用Morse势函数对微构件的拉伸过程进行了仿真计算。从能量演化的角度解释了拉伸过程仿真在平衡阶段、裂纹产生和断裂阶段的若干力学现象。计算得到单晶铝微构件的断裂强度为22.1GPa。用Griffith断裂理论解释了微构件的断裂机理以及高强度产生的原因。

微构件316L在力电耦合下力学行为实验研究

力学场与电场造成的场耦合下,微构件材料的力学行为的研究有重要的意义.用自制的微拉伸装置,通过对不同电流作用下的直径为20m的316L微构件进行拉伸实验,发现微构件在拉伸作用下出现明显的塑性变形;力学性能与宏观性能有所不同,出现了小尺寸效应;不同电流作用下,微构件的弹性模量和拉伸强度随电流的增大而降低,获得了可靠的设计参数.

微构件力学性能片外拉伸测试装置

微构件材料力学性能测试中,拉伸测试主要解决材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度的测量问题。介绍了一种片外拉伸测试试验装置的设计过程及工作原理,试样放在动/静载物台上,压电陶瓷制动器驱动动载物台,从而拉动试样,直到试样被拉断。施加在试样上的力和试样被拉伸后的伸长量分别由微力检测传感器和位移检测传感器测出。分别介绍了每个部件的功能,给出了误差分析。结果表明:此装置设计合理,达到预期目标。

微构件所受超声辐射力理论研究

为了将超声波俘获技术应用到微机电系统中,以达到对微构件进行无损、非接触遥操纵的目的,开展了微构件在超声波场中所受辐射力的理论研究.计算机仿真结果表明:微构件的材料与尺寸、介质的密度、超声波的声学参数等都对微构件所受辐射力产生影响,同时,利用超声驻波场技术实现对微构件的操纵是可行的.

MEMS微构件动态特性测试的激励技术和方法

在微机电系统(MEMS)微构件动态特性的测试中,激励是基本环节,通过激励使微构件振动,并测量和分析振动响应信号,实现对微构件动态特性的测试.由于MEMS微构件的尺寸小、谐振频率较高,限制了传统的激励技术和方法在其动态特性测试中的应用.目前应用在MEMS微构件动态特性测试中的激励技术和方法,根据实现激励的方式不同,归纳为三类:利用外部场能的激励方法、内部集成激励元件的方法和基于底座激励的方法,具体介绍了声波激励、超声激励、静电激励、磁激励、电热激励、光热激励和压电激励等具体激励方式的原理及其特点,并对各种激励方法的特点进行了比较和分析.

MEMS金属微构件的激光微喷丸强化技术分析与展望

介绍了适用于金属微构件处理的激光微喷丸技术,通过控制工艺参量和合理的路径规划,在试件表面产生有益的残余压应力分布,能有效提高工件的抗疲劳和磨损性能。概述了微喷丸技术的研究现状,总结了激光微喷丸的机理、关键技术和影响因素,分析了激光微喷丸研究中存在的问题,为今后激光微喷丸技术的进一步研究提供指导。

微构件自由弯曲回弹的数值模拟

回弹是影响弯曲成形精度的一个重要因素,由于尺度效应的存在,微构件的弯曲回弹问题更复杂。利用动态显式与静态隐式算法相结合的方法数值模拟了C1200黄铜V形微构件的自由弯曲,与其超薄板三点弯曲的实验结果吻合度很好,验证了该方法模拟微构件弯曲回弹的可行性。分析了板厚t、晶粒大小d、t/d(板厚与晶粒大小比值)和残余应力对回弹的影响,结果显示t/d可以作为表征回弹的重要参数,回弹量随着t/d减小而增大;随着t和d的增大,工件的残余应力也增大,会影响工件的质量。可以采用适当热处理工艺增大材料的晶粒尺寸来减少回弹,当然也要兼顾残余应力对工件质量的影响。

硅微构件的弹性模量和残余内应力的测试

叙述了利用硅悬臂梁和两端固定梁微构件进行硅微薄膜材料的弹性模量和残余内应力的测试方法。本方法利用简单的光学装置，通过测量悬臂梁和两端固定梁的一阶谐振频率，分别嵡蟮阅Ａ亢筒杏嗄谟αΑ１痉椒ú饬肯低臣虻ィ匝谱鞣奖悖臼匝榛竦茫ǎ保埃埃┟妫迹保保埃緧方向单晶硅微薄膜的弹性模量为１２８ＧＰａ。残余内应力为７４．７ＭＰａ。

微构件分子动力学集成仿真系统的研究

采用VC++集成环境和OpenGL技术开发了面向微构件特性评价的分子动力学模拟软件系统(MDIS)。MDIS模拟系统可以实现微构件的纳米切削加工和微拉伸等参数化分子动力学仿真,同时可以实现特殊微构件—单壁碳纳米管的力学特性评价。软件利用了模块化设计思想,界面友好,易于操作,集成度高,适合微构件综合分子动力学分析。采用MDIS系统对金刚石刀具切削单晶铜材料以及单壁碳纳米管与单晶硅材料相互作用的分子动力学模拟进行了仿真模拟研究。

微构件的热注射近净成型控制

首先建立了微构件的热注射近净成型的数学模型,讨论了参数变量的控制。通过数据分析找到了参数的最佳控制范围,达到微构件的热注射近净成型过程中效率高、损失小的实验目标。

一种基于高阶梯度理论的微构件力学尺度效应模型

实验发现微构件的力学性能存在尺度效应,传统力学模型无法解释这一现象。该论文基于高阶应变梯度理论构建了一种针对微构件在三点弯曲实验中的弹性性能的尺度效应模型,该模型包含一个与材料自身相关的一个参数,可以解释微构件在实验过程中弹性力学性能的尺度效应。通过对比该理论模型与已有模型之间的关系,分析了模型的适用性。

基于QC多尺度模拟的单晶铜微构件压缩过程力学特性分析

基于准连续介质多尺度模拟方法,建立单晶铜杆状微构件的压缩过程系列仿真模型,分析结构尺寸参数对微构件的弹性模量、弹性极限、屈服极限及泊松比等力学特性的影响。通过研究微构件在压缩变形时的形变、内部应力和应变能的演化规律,获得杆状微构件压缩变形及溃裂的产生机制。研究结果表明:与宏观值相比,压缩时的弹性模量、弹性极限和屈服极限的尺寸效应显著,而其泊松比变化不明显;杆状微构件在一维方向上的尺寸改变对其力学特性影响不明显;在压缩过程中孪生和位错滑移现象显著,微构件内部部分区域存在有应力集中,且大部分区域存在应变能突然减小的现象。

多晶体材料微构件尺度效应的实验和模型研究

归纳了微电子机械系统中多晶体材料微构件在微塑性加工和应用中其力学性能所表现出来的尺度效应及其多种尺寸关联的主要特征,介绍了微构件外形几何尺寸和材料内部微结构尺寸对其弹、塑性力学性能尺度效应耦合影响的实验和模型研究的主要进展。重点总结并分析了多晶体材料微构件越小越强和越小越弱两种类型尺度效应的研究方法以及测试、影响因素及微观机理初步分析的结果。结论是:微构件内、外尺寸的耦合关联影响控制了尺度效应和与其相对应的材料内在特征长度,今后如能进一步探明微构件外形结构尺寸、晶粒尺寸和材料内在特征长度与其性能异变之间的制约关系,基于晶体学和高阶理论建立较全面、系统的力学分析模型,将有可能揭示微构件多晶材料内在特征长度的微结构控制的机理,进而实现通过调控材料的微结构控制微构件的宏观力学性能。

微构件力学性能测试装置设计

设计了一种能够同时实现施加交变载荷和拉伸的力学性能测试装置。介绍了测试装置的工作原理和系统组成:用于测量拉伸载荷的力传感器基于压阻效应且为双平行式柔性铰链结构,分辨率高达2 m N;施加交变载荷的振动模块由压电陶瓷和杠杆放大机构组成,最高可实现0.7 k Hz的稳定输出。介绍了基于VB.NET软件平台开发的数据采集及运动控制系统,实现了动静平台的自动调平和拉伸测试功能。通过对比预施加交变载荷和直接拉伸的拉伸测试的重复实验,验证了设计装置的可行性与稳定性。

微构件拉伸测试辅助引导对中测量系统设计

设计了一套微构件拉伸测试辅助引导对中测量系统,该系统以激光准直特性为基础并结合折反射定律,采用正交二维相机获得包含平移和角偏移的激光光点图像信息,建立了二维位移和二维角偏移与激光器成像点变化的数学模型。搭建了实验平台,依据该模型,利用MATLAB对获取图像进行处理获得需要调整的二维平移和角偏移参数变量。实验结果表明,该测量系统的二维角偏移分辨率可达到0.001°,重复性优于0.02°;二维位移分辨率可达到亚微米,重复性优于10μm。可为微构件拉伸测试中辅助引导对中提供调整参数并提高拉伸测试数据的准确性。

微构件的力学性质分析与验证

分析了微悬臂梁的挠度与载荷、微悬臂梁的长度、宽度的力学关系.提出了一种改进的BP神经网络算法,并用该算法进行挠度与载荷在不同条件下关系的拟合实验,验证了力学分析的结论.理论和实验都表明:当其他参数固定时,挠度与悬臂梁的长度正相关,与悬臂梁的宽度负相关;挠度在较小的范围内与载荷呈线性关系,在形变位移到达最大值时接近于常量.

基于显微机器视觉的MEMS微构件表面缺陷检测系统研究

针对MEMS微构件表面缺陷的问题,分析了其表面缺陷的基本特征、种类和检测方法,提出了利用显微机器视觉技术来检测MEMS微构件表面缺陷,并对显微机器视觉检测关键技术进行了探析,对开展显微机器视觉的MEMS微构件表面缺陷检测的研究具有一定的参考价值。

微构件的服役性能与其制备工艺之间关系的研究

介绍了微型机械的发展方向，微构件的服役性能与其制备工艺之间的关系，说明此项研究的重要理论和实际意义，并进行了一些初步试验．开展对微构件服役性能的研究．