微小型材料力学性能测试装置的研究

随着微电子、微机电系统、精密光学等技术的发展,在产品的设计、制造、性能测试与可靠性评价中,不可避免地遇到了大量的力学问题。针对这些元件的力学性能测试问题,不同于传统的力学测试。目前,针对上述领域元件的微观尺度力学性能测试研究远远落后于对材料电学性能和加工工艺的研究,主要表现在材料力学性能的研究方法尚无统一标准,测得的数据分散性大,精度明显不足。这些因素使得三维微构件力学性能测试技术的研究成为一个热点。 弹性模量、硬度、断裂强度等参数是微构件材料力学特性测试中最主要的测量对象。针对这些力学量产生了多种测试方法,如纳米压痕法、鼓膜法、弯曲法、扭转法和拉伸法等。这些方法中,纳米压痕法操作方便,样品制备简单,测试内容丰富,使用范围广,目前研究较多,国外已有商业化纳米压痕仪。拉伸测试是测量材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等最直接的方法。单轴拉伸试验时,材料受均匀拉应力作用,能较全面地反映三维微构件的强度特性,而且测出的数据容易解释。在总结前人工作的基础上,本文介绍了纳米压痕装置和纳米拉伸测试实验装置的工作原理及设计过程。测试装置由压电陶瓷驱动器、位移检测传感器、传动柔性铰链和测力柔性铰链等主要部件组成。分别介绍了各组成单元的功能,并分别进行了设计分析。同时设计的两种测试装置结构较小,突破了以往的测试系统体积庞大,无法在扫描电镜/透射电镜(SEM/TEM)下在线观测的限制。能够放在电镜下实现原位观测,直观的了解材料的受力变形过程及损伤机理。从微观角度研究材料的纳米力学特性,对微电子技术、微机电系统、精密光学、超精密加工、冶金技术、生物医学工程都有重要的理论意义和实用价值。