[发明专利]微机电系统微桥压痕载荷-深度曲线的校准方法

摘要

本发明涉及一种微机电系统微桥压痕载荷‑深度曲线的校准方法，属于材料力学性能测试领域。通过对特征尺寸为微米级的两端固定式微桥结构进行纳米压痕测试，同步获取微桥结构的弯曲载荷‑挠度曲线和压痕载荷‑深度曲线，对微机电系统器件中桥式结构的刚度、杨氏模量、硬度、屈服应力和断裂强度进行定量测试。通过对微桥静不定结构进行分析，将压针尖端实际最大位移精确解析为微桥最大挠曲变形与嵌入微桥表面最大压入深度之和，结合弹性挠曲面对最大压入深度以及压入微区边缘弹性挠曲的理论分析，建立通过实测压痕载荷‑深度曲线对弹性半无限空间条件下载荷‑深度曲线进行评估的方法，为研究微机电系统器件应力诱导下的力学行为提供新颖的测量方法。

主权项

1.一种微机电系统微桥压痕载荷‑深度曲线的校准方法，其特征在于：该方法的应用对象为微机电系统器件中两端刚性固定式的微桥结构，包括以下步骤：步骤1：将已抛光微机电系统服役材料通过掩膜、沉积、电镀制备成两端固定式的微米级微桥结构的试件，借助于纳米压痕测试仪，在具有真空腔的扫描电子显微镜的同步观测下，采用圆锥形压针或玻氏压针，其等效半锥角为70.3°，对该试件表面的几何中心点进行直接压入，并直接获取被测试件加载和卸载过程中的载荷‑深度曲线，即实测曲线，从卸载曲线上直接获取最大压入载荷Pm、最大压入深度hm‑f和残余压入深度hf‑f；其中最大压入深度hm‑f由微桥几何中心处最大挠度值fm和压针尖端嵌入微桥表面的最大深度值hm构成；步骤2：对微桥结构的两端固定式的非静定结构通过对称分析将三次非静定结构解析为由二分之一最大压入载荷和衍生弯曲力矩叠加组成的静定结构，并直接获取最大挠曲变形为fm与Pm的对应关系，并对微桥结构的试件的挠曲线函数进行定量计算；将实测曲线中的hm‑f通过对fm的做差修正为过渡最大压深hm‑c，进而获得过渡曲线，过渡曲线的最大残余压深hf‑c与hf‑f相同；步骤3：采用体积不变原则，对压针下方接触区域微桥结构的试件挠曲的塑性流动面积进行积分计算，该面积可视为压针轮廓范围内挠曲线所包络的面积，从而对校准最大压入深度hm‑c进行定量计算；基于微桥材料的弹性回复率的一致性，可获取校准最大残余压深hf与hf‑c的对应关系，进而获得校准曲线；通过由实测曲线到过渡曲线，再由过渡曲线到校准曲线的修正过程，可定量预测微尺度微桥结构的试件弹性半无限空间条件下的压痕载荷‑深度曲线。