mems单晶硅薄膜疲劳特性的研究

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1、摘要微机械电子系统(MEMS)是当今技术领域的热点之一，目前己广泛应用于军事民工等众多领域。MEMS构件在工作中经常承受往复载荷的作用，这些构件的可靠性对产品的性能，以及使用者的安全都有至关重要的作用。MEMS构件微小到微纳米尺寸后，材料本身的力学、物理性质有显著变化。因此，有必要对微纳米材料的疲劳特性进行研究。本文采用MMT-11N微疲劳试验机与光学显微镜搭建一套微观疲劳试验系统。利用该系统探寻传统疲劳试验片外测试方法对微米尺度试样的适用性。根据体硅加工工艺设计并制造两种单晶硅薄膜试样——光滑单晶硅薄膜试样(简称：光滑试样)及单侧带V形缺口的单晶硅薄膜试样(简称：缺口试样)

2、，利用微观疲劳试验系统分别对两种试样进行单调拉伸及脉动拉伸疲劳试验。分析对比单晶硅薄膜缺口试样与单晶硅薄膜光滑试样疲劳试验数据，认为V形缺口的引入会使单晶硅薄膜试样的疲劳强度及其抵抗弯矩的能力显著降低，从而使缺口试样在循环载荷作用下发生破坏的应力幅度界限分明。与光滑试样相比，其破坏特性更趋近于宏观脆性断裂。通过扫描电镜分别对单晶硅薄膜光滑试样与缺口试样进行断口分析，发现单晶硅薄膜在循环应力作用下的断口存在圆弧形条纹，从而证明单晶硅薄膜疲劳破坏现象的存在，根据断口形貌推测其断裂机理是基于解理扩展的脆性疲劳断裂，其断口形貌特征与晶体结构密切相关。对比发现，循环寿命较长的试样，其断

3、口形貌与短寿命试样的断口相比更加平滑，形貌特征变化明显，据此推测单晶硅薄膜材料存在疲劳损伤累积现象。关键词微机电系统；单晶硅；薄膜；疲劳；断口分析；片外测试北京工业大学工学硕十学位论文ABSTRACTMicro—electromechanicalsystemisoneofthehotspotintechnologyfield，ithasbeenusedinalotoffieldsincludemilitaryandcivilapplication．ThecomponentsinMEMSdeviceareusuallyunderthereciprocatingload，andt

4、hereliabilityofthesecomponentsdecidestheperformanceofdeviceeventhesafetyoftheuser．Themechanicsandphysicspropertiesofmaterialwillchangealotwhenthedimensionofcomponentisinmicrometerscale．Thus，theinvestigationoffatiguepropertyformaterialinmicrometerscaleisnecessary．Anewuniaxialtensilefatiguete

5、stingsystemWaSsetupbytheuseofamicro-mechanicalfatiguetestingmachineandanopticalmicroscopeforthinfilmspecimen．Thepurposeistoinvestigatetheapplicabilityoftraditionalout-chiptestingmethodinmicrometerscalefield．Twokindsofsinglecrystalsilicon(scs)thinfilmspecimens，smoothspecimenandV-shapenotched

6、specimen,weredesignedandfabricatedbythebulksiliconmicromachiningtechnology．Monotonictensiontestingandfluctuatingtensionfatiguetestingwereconductedbytheuseofmicro—mechanicalfatiguetestingsystem．ThemechanicalandfatiguebehaviorsofnotchedSCSspecimenwerestudiedunderfluctuatingloading．Comparisono

7、fthefatiguetestingdataforthenotchedSCSspecimenandthesmoothSCSspecimenshowedthattheresistingabilitytobendingmomentandfracturestressofthenotchedSCSspecimenareobviouslydecreaSed，andthefailurebehaviorissimilartothatofthemacrosiliconmaterial．SEMfractographana