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基于振动的亚微米阵列薄膜弹性参数探究

发布时间:2016-11-19编辑:毕业论文

  1 引言

  近年来, 薄膜科学和工程技术高速发展, 在信息、能源、环保、水资源等领域逐渐发挥重要作用. 亚微米阵列薄膜是以微小结构单元在平面内周期排列形成的薄膜结构. 尺寸微小、弹性各向异性和结构离散性是亚微米阵列薄膜最显著的特点, 通过光/电/磁/力转换可在微型器件中实现复杂的动力学功能, 例如双折射、微动测量、频率选择等, 对于精密光学、微型控制及高频通信产品研发具有关键作用.

  为获得亚微米阵列薄膜的力学特性参数,研究者进行了大量实验、理论和数值分析工作. Hirakata 等人(2007)利用原子力显微镜采用静力加载的方法得到了以纳米弹簧为单元的亚微米阵列薄膜的弹性模量,确认薄膜整体力学行为符合线弹性规律. Sumigawa 等人(2008, 2009)、Sueda 等人(2011)、Hirakata 等人(2011)对亚微米弹簧薄膜或类似结构的静力学行为进行了研究, 包括界面应力分布、应力集中、微结构弹性特性等, 得到了一系列重要成果. 针对上述研究的静力学问题, 可以进一步发展基于亚微米动力学测试的薄膜参数辨识方法, 并在此基础上实现亚微米阵列薄膜动力学理论与数值建模.

  由于亚微米阵列薄膜的几何微尺度, 其固有频率可达 MHz 量级, 此类各向异性薄膜的动力学加载/响应测试、弹性/质量/阻尼系数确定等基础问题, 都成为了具有挑战性的工作. 微尺度结构的动力学测试中,接触式加载和测量对于试样质量、弹性等基本材料参数有明显影响, 因此非接触式方法成为研究的重点. Nakamura 等人(2004)采用共振超声谱方法检测了金刚石薄膜的弹性特性, 试样厚度最小达到数微米,但试样平面尺寸为毫米量级, 共振频率为 KHz 量级.Tan 等人(2010)采用共振超声谱方法检测了不同温度下热喷涂层薄膜的弹性特性, 得到了薄膜各轴向弹性参数与温度的关系函数, 但试样厚度仍处于毫米量级. 由上可见, 共振超声谱方法是一类先进的非接触式材料参数测试方法, 在各个领域得到了广泛的应用, 但是此类方法要求试样具有一定的平面尺寸和厚度, 否则检测波难以取得足够的信息. Gregori等人(2007)采用激光多普勒方法检测了高温下热障薄膜的阻尼系数, 试样为悬臂梁, 得到了材料高温氧化对薄膜阻尼的影响关系, 但试样尺寸为毫米量级, 仅能实现弯曲加载, 共振频率为 KHz 量级.Sumigawa 等人(2012)利用激光多普勒测振仪开发了基于振动的高周疲劳测试方法, 试样为悬臂梁, 最小截面尺寸达到 1 m, 试样整体尺寸达到 30 m 左右, 但是该方法仅实现了弯曲振动, 共振频率为 KHz量级. 综上所述, 当前微尺度动力学测试技术逐渐接近但仍未达到亚微米量级, 且加载形式单一, 尚无法满足亚微米各向异性离散薄膜的动力学测试要求.本研究针对微尺度结构发展了一类动力学测试技术, 得到了亚微米薄膜固有频率, 以此为基础实现了薄膜弹性模量辨识. 本课题开展的工作具有一般性, 可进一步拓展并用于各类薄膜及微结构(如MEMS, NEMS)的动力学性能测试与分析, 应用前景广阔.

  2 亚微米阵列薄膜

  亚微米阵列薄膜试样如图 1 所示, 首先采用动态倾角物理气相沉积法在硅基底上形成阵列薄膜, 然后在阵列薄膜上沉积实体面板, 再采用聚焦离子束系统在薄膜实体上刻画出试样, 并附加质量以降低测试对象的固有频率.

  3 振动测试与分析

  由于微尺度结构固有频率往往很高, 可达到 GHz量级, 现有测试设备难以实现此类高频测试, 本研究中采用附加质量的方法降低试样固有频率, 此处采用钨沉积法将金块粘结在试样上面板, 经初步数值模拟,上述两个试样固有频率降低至MHz量级.

  数值模拟利用有限元商业软件 ABAQUS 6.5-1 进行, 图 7(a)和(b)分别为试样 A 和 B 的有限元模型. 几何参数由扫描电子显微镜三维成像照片测量得到; 硅基底相对于试样体积是“巨大”的, 其变形可以忽略,因此基底采用三维刚体壳单元; 阵列薄膜采用三维线弹性各向异性单元, 其质量相对于附加载荷很小, 可以忽略; 硅基底和阵列薄膜之间采用接触单元定义;沉积物和金块都采用三维实体单元.

  4 总结

  本研究开发一种基于激光技术的微尺度振动测试方法: 试样表面积达到m量级, 厚度达到1um,实现了纵向和弯曲扫频加载, 得到了试样基频并推算了亚微米阵列薄膜的弹性常数.

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