基于原子力显微镜的微纳结构力学测试系统

　　1　引言

　　随着微纳机电系统的发展,人们制造出功能多样的微结构。基于硅等材料的微加工技术,主要是利用腐蚀的方法制备出以膜、桥、梁等基本结构单元为主的各种器件,结构单元的尺寸从纳米到几百微米长度,这些结构在外界因素作用下会发生形变,从而可以用来检测相关的物理量。制备的微结构具有微米、纳米加工尺度的三维结构特征,表面粗糙度起伏范围较大,各种微器件的结构尺寸范围亦相差很大。对微结构进行基本的力学量检测是一个重要的研究内容,包括如弹性系数、共振频率、弹性模量、疲劳特性等静态和动态特性参数。微结构的力学性质、可靠性已经成为微纳系统实用化道路上人们最为关注的一个核心内容。人们开发了很多相关的测试工具用来表征微结构的力学特性。在各种微分析测试系统中,如利用原子力显微镜[1]、纳米压痕仪[2~6]、光学干涉仪等设备已应用在微结构的力学特性测试上[7,8]。但受到各自方法的限制,充分发挥其性能受到了限制。如纳米压痕仪,在静电驱动模式下,能够精确地给出力和位移,有较大的载荷范围(μN~mN),但在低载荷下精度较低。

　　原子力显微镜是目前使用较为广泛的一种表面性能检测设备,具有很高的横向和纵向分辨率,纵向分辨率可以达到0.01 nm;当探针弹性形变时,所加载荷可以变化。普通的原子力显微镜扫描面积通常在几个平方微米,所观察的表面通常是平面二维的,要求表面粗糙度低,因此,需要相应扩展其功能才能将其有效地应用在微结构器件的测试分析上。利用原子力显微镜进行力学性能测试,主要依据其能够精确给出的位移,通过适当方式得到精确的力。原子力显微镜是微纳米尺度科学研究中的一个较好仪器,虽然,研究人员都在利用其中的某些功能用于测试,但是不能直接有效地进行表征和综合分析。因此,需要专用的测试设备和相应的专用测试分析软件系统。从原理和应用,设备在软件和硬件方面都有很大的扩展空间。但是基于原子力显微镜下的微纳米尺度的力学软件测试系统却始终是一个空白,研究和开发基于原子力显微镜的力学相关测试系统成为发展的趋势。

　　针对目前现状,本研究在上海爱建纳米科技有限公司生产的AJ-III型原子力显微镜的基础上开发用于微纳结构的力学测试系统,基于原子力显微镜中的基本功能,即力—位移关系曲线,构造四个基本测试功能,用来直接进行微结构、微器件的力学测量和评估,直接提取微结构的力学量,开发出专用测试菜单,针对悬臂梁等结构,获得弹性系数、弹性模量、应力和疲劳等力学参数。为保证在直接接触下测试,系统需要较大的横向位移,系统在硬件上增添了微动平台,保证微纳结构尺寸的测试。相关测试表明,本软件具有较好的一致性和使用性,能够方便地进行力学量的提取。