● 摘要
随着微纳机电系统（MEMS/NEMS）研究的蓬勃发展和逐步深入，人们对微纳米尺度下材料的力学性能越来越关注。由于结构尺寸微小，用于宏观大尺度材料力学性能测试的方法已不再适用于微材料或微结构。虽然目前也提出和发展了一些用于微结构材料力学性能测试的方法，例如纳米压痕法、微单轴拉伸法、鼓膜法、微梁弯曲法等，但是这些方法还存在着一些不足和局限，因此开展微结构材料力学性能测试技术的研究具有重要的理论与实际意义。本文提出了一种利用微射流冲击力来测量微结构材料力学性能的微梁弯曲法——微射流驱动微梁弯曲法（Micro-Jet Driving Bending Method, JDBM）。将微射流施加在微结构上，通过获取微射流作用力的大小和微结构的变形量，可以从微结构形变公式中提取出材料的力学性能参数。这种方法既能避免常规微梁弯曲法中用纳米压痕仪的纳米压头或者原子力显微镜的纳米探针直接接触样品表面施力，造成样品表面损伤，又能避免压头与样品之间由于滑动摩擦，造成测试结果失真。另外，JDBM方法适用性较广，对材料特性没有任何要求，材料是否导电，是否导磁，是金属还是非金属，是复合材料还是多层结构都可以用这种方法进行测试。为了获得微射流冲击力的大小，本文根据动量定理推导了不考虑微射流卷吸作用的微射流作用力公式，并且应用商业流体力学软件FLUENT建立了微冲击射流的二维轴对称模型，对微射流流场和被冲击壁面的压力分布进行了仿真，通过对壁面压力的积分获得了微射流作用力。同时，采用梅特勒—托利多（Mettler—Toledo）公司生产的分析天平测量了微射流作用下的等效质量，通过乘上当地的重力加速度获得微射流作用力。比较这三种方法得到的结果，理论公式与仿真结果吻合较好，并且它们都在实验结果的范围内，这说明理论公式在喷口与壁面相距1mm~2mm范围内是较为有效和可信的。为了验证JDBM方法的可行性，本文利用中国工程物理研究院电子工程研究所传感器与执行器中心开发的湿法腐蚀工艺加工制作了一种微梁-质量块单晶硅微测试结构。通过建立质量块自由端与微射流作用力之间的函数关系，采用商业有限元软件ABAQUS的仿真结果对函数关系式进行了修正，推导出材料力学性能参数的提取表达式。为了获得微结构自由端的位移，搭建了JDBM实验平台，用内径为0.35mm的医用一次性头皮针头作为微喷管，用氮气转子流量计来控制进入喷管中的氮气流量，微结构的位移用精度为0.1µm的Olympus光学显微镜观察。经过实验和计算得到了单晶硅晶向的弹性模量为120GPa左右。本文还对型号上用“三明治”式硅微加速度传感器和石英摆片式加速度传感器的敏感结构进行了JDBM实验，得到了石英的弹性模量为70GPa左右，单晶硅晶向的弹性模量为120GPa左右，与微测试试件的结果吻合较好，说明JDBM的重复性较好。为了验证JDBM得到的结果的准确性，本文对单晶硅材料和石英材料进行了纳米压痕测试。单晶硅材料样品有两种，一种是从磨抛后的4寸硅片上切割下来的，另一种就是微测试结构的质量块。石英材料样品是从磨抛后的石英玻璃上切割下来的。测试结果表明，微测试结构质量块样品的测试数据分散，载荷-位移曲线无重复性，而经过磨抛的单晶硅和石英样品的实验重复性较好。与JDBM相比，纳米压痕得到的结果较大。实验中发现单晶硅样品的卸载曲线中出现了一明显拐点，为了重现这一物理过程，本文采用ABAQUS有限元软件对纳米压痕过程进行了模拟。根据正交实验原理并结合石英样品纳米压痕测试结果对影响有限元仿真结果的因素进行了排序，得出纳米压头的尖端半径是影响载荷—位移曲线形态的最主要因素，并用ABAQUS软件模拟了单晶硅纳米压痕过程，得到了不同纳米压头尖端半径下的载荷—位移曲线，模拟结果中并未在卸载曲线中出现拐点。这说明有限元方法不能准确模拟复杂相变过程。在使用JDBM测量过程中发现，当气体流量过大时，结构将发生振动，此时无法在显微镜下获得准确位移，因此目前JDBM不适合测量微结构中材料的断裂强度。本文开发了一种在线测试材料断裂强度的方法。设计并制作了带有指示位移结构的微测试试件，利用探针推动微测试试件在面内偏转直至断裂，从指示结构上可以获得结构挠度，经过理论计算获得材料断裂强度。