悬空式微结构力学特性测试方法的研究

悬空式微结构是微/纳机电系统的基本单元，制作工艺的多样性导致其力学特性与块体材料有很大的区别，而对其力学特性的测试直接关系到所组成器件的功能、性能及可靠性的评价。随着结构特征尺寸的减少，力学特性的尺寸效应逐渐表现出来，为相关测试方法带来了新的需求和研究挑战。.本项目提出一种基于微探针力加载和显微干涉全视场测量的悬空式微结构力学特性测试方法；通过开展微探针加载的控制、探针位移和压入量的测量、大弯曲挠度变形的全视场测量等关键技术的研究，研制出相应的测试实验系统；依据悬空式微结构初始状态下表面形貌和受力状态下的全场变形情况，进行微结构力学行为的数值计算与仿真分析，建立微弯曲条件下悬空式微结构力学特性测量的数学模型，实现悬空式微结构的弹性模量、残余应力等力学特性参数的测量，同时进行微尺度力学特性尺寸效应的理论和实验研究。

微纳结构是微纳器件/系统的基本单元，其力学特性直接关系到器件的功能、性能及可靠性，而相应测试方法和技术是微纳结构材料和工艺优化的关键支撑。.本项目研究了一种基于微探针力加载和显微干涉全视场表面形貌测量的微结构力学特性测试方法，并研制了相应的实验系统，通过若干典型微梁结构弹性模量和应力等力学特性参数的测试实验验证了其方法的有效性。具体开展的研究工作包括：（1）微弯曲法测量悬空式微结构弹性模量和残余应力等力学特性参数的数学模型的建立，测量参数解耦的计算方法，及测量误差（剪切形变误差、尺寸测量误差、加载点位置误差、弯曲位移检测误差、载荷力误差等）的理论分析；（2）微探针快速扫描和定位方法，通过正弦波驱动、模糊PID控制策略、变速扫描策略、非线性采样点补偿等关键技术的实施，实现了微探针加载点快速定位与被测结构表面形貌的快速测量；（3）研究了一种超精密电磁天平和光杠杆相结合的微悬臂梁弹性系数标定方法，大大减少了系统效应对测量不确定度的影响，标定的实验标准偏差优于2%，为微弯曲法测量模型的参数解算提供更为精确的数据；（4）研究了一种双波长数字显微像面全息方法，有效结合了传统双波长数字全息术和数字显微像面干涉术，避免了复杂的衍射重构计算，提高了测量的实时性并具有较高的测量信噪比，同时也开展了测量光路和参考光路不匹配引起的相位畸变校正和相位图快速展开等方法的研究，为精确测量微结构表面形貌和变形提供了重要的基础条件；（5）开展了微悬臂梁、微固支梁和微简支梁等典型悬空式微结构弹性模量和应力等力学特性参数的实验研究，在与同类测试技术获得结果进行比对的同时对微弯曲测量模型进行了修正，并探讨了其适用性。上述研究工作表明，悬空式微结构力学特性的微弯曲法测试有两种基本表现形式，分别是变形梁型和弹性弦型，测量数学模型要依据具体表现进行相应的调整，因此实现微结构力学特性测试的关键点是明确微弯曲测量法的边界条件，而其中微结构几何形状的测量、加载点位置的控制、加载力的测量和弯曲量的测量等方面尤为重要。微结构力学特性参数与制备工艺直接相关，与体材料的力学特性参数有明显的不同，当特征尺寸降至亚微米量级时，由于尺寸和表面效应等方面的影响而加大了其差异性。