多晶铜微小试样的ISDG试验

　　随着微电子机械系统技术的兴起和发展,MEMS器件已大量应用于国防和民用产品,如加速度传感器、惯性与压力传感器、微型喷气发动机、大规模数据存储系统和微型生物化学分析设备等,并且应用领域还在不断扩大[1~3]。MEMS器件在热、电、磁作用下可靠性的要求日益增高。由于MEMS系统不可避免的进行某些机械运动或受到机械力的作用,因此对MEMS材料的力学性能也提出了更高的要求。MEMS材料机械性能试验技术的研究已迫在眉睫。所以研究微构件力学特性的测试与评价技术,以及利用这些技术对各种材料进行测试、收集数据是十分必要。

　　1　试验技术

　　1. 1　试验原理

　　由于试样尺寸很小,传统的应变测试方法不可能用于如此微小的试样,为了解决这一问题,采用由JohnsHopkins大学Sharpe[4~10]教授发明的激光干涉应变计方法( InterferenceStrain DisplacementGauge, ISDG),他们所设计的多晶硅试样,有效标距段部分的宽为600μm,厚为3. 5μm,事先在有效标(RBM代表刚体位移)距段内沉积厚0. 5μm,宽为2μm的金线,金线之间的间距为300μm。对于金属材料,则采用显微硬度计在试样上压制用于反射激光的倒金子塔形凹痕,凹痕间距为300μm。

　　在He2Ne激光(波长0.6328μm)的照射下,激光从两条带斜度的金线边缘或凹痕面反射后产生干涉,可得到清晰的干涉条纹,通过测量干涉条纹的移动可以得到两条金线之间的位移,分辨率可达到1μm。如果再沿试样长度方向沉积两条金线,就可以测量试样的泊松比。依据杨氏干涉定理,可以得出试样内的平均应变为

　　式中:λ为激光波长;ΔF1和ΔF2为干涉条纹的变化量;d为两标记间的距离;θ为入射光与测量面的夹角。应变的测量原理如图1所示。本文的应变标记是一对由显微硬度计压制的间距为300μm的凹痕,如图2所示。图3是激光经凹痕反射后形成的干涉条纹。

　　1. 2　试样及试验设备

　　(1)试样设计。为了得到合理的试样外形尺寸,本文通过有限元方法模拟拉伸试验试样的应力分布,分析试样几何形状参数对应力分布的影响优化设计了试样,优化后的试样外形及尺寸如图4所示,图5为加工好的试样。

　　微小试样为非标准(dog2bone)试样,在试验中发现试样的破坏方式有两种:试样中央断裂和试样燕尾撕裂,前者是试验期望的破坏方式,后者则要尽可能避免。如果过渡段应力小于中央应力,则试样中央断裂;反之,试样燕尾撕裂。在这里通过有限元软件模拟不同形状试样的破坏方式,确定试样试验段的尺寸后,影响试样具体形状参数是:过渡圆角半径R、燕尾夹角α和燕尾削尖长度L(如图6)。分别取R=0. 2 mm、0. 3 mm、0. 4 mm,α=30°、45°、60°与L分别为0、0. 3 mm、0. 6 mm来研究这3个参量对试样破坏的影响。为了研究问题的方便在过渡段取3条应力分布路径PATH1、PATH2与PATH3(如图7)。A是过渡段起点,B是加载起始点,过渡段末端约在整个路径的90%处。