MEMS薄膜元器件在力-热耦合作用下的性能测试与数值分析

摘要

薄膜/基底系统在信息科学以及微电子机械系统技术(Micro Electro-Mechanical System，MEMS)中有着十分重要的地位。薄膜中常会有压或拉的残余应力，因此薄膜/基底结构通常是工作在残余应力和热应力以及外加应力的联合作用下。这类薄膜的第一类破坏形式是断裂；第二类则是屈曲、散裂。薄膜的变形和损伤直接影响到器件的性能和寿命。由于MEMS的工作环境极为复杂，通常受到热、力等多场耦合作用，所以多场耦合下薄膜/基底二元系统的研究极为重要。
　　 本文根据MEMS工作环境，开发了力-位移自动控制加载系统。该加载系统由计算机控制，通过一对PZT对试件进行力和位移的加载。同时，利用温度控制系统进行温度加载。本文主要研究和分析讨论沉积在有机玻璃基底上的Al薄膜，在残余应力和外加轴向载荷以及循环热载荷的共同作用下的破坏过程。使用一台光学显微镜观测膜层表面的形貌及其变化。进行了轴向压力载荷试验，并记录了薄膜的破坏过程。为了模拟膜层在复合工况下形成屈曲变形，在试验中对试件施加外部单轴压缩载荷与热循环载荷，测量了铝质薄膜不同压应力下的热疲劳特性。利用数字图像技术对MEMS压力传感器的热变形进行了初步研究，测量了MEMS传感器表面的热变形场和应变场。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1纳米薄膜力-热性能研究现状及意义

1.1.1纳米薄膜力学性能

1.1.2纳米薄膜热学性能

1.1.3纳米薄膜力学问题的研究方法

1.1.4纳米薄膜的研究现状

1.2 MEMS系统简介

1.3本文主要研究工作

第二章 MEMS系统薄膜元器件的破坏机理

2.1薄膜基底间界面的粘附性能

2.2薄膜屈曲的形式

2.2.1直线型屈曲

2.2.2圆泡型屈曲

2.2.3电话系型屈曲

2.2.4屈曲模式的相互转变

2.3薄膜的断裂

2.4初始缺陷的表征与影响

2.5薄膜残余应力的研究

2.5.1本征应力

2.5.2热应力

2.5.3薄膜残余应力及梯度

第三章 力-热耦合实验系统的开发

3.1加载方案

3.2温度控制系统的设计

3.2.1加热系统

3.2.2温度控制系统设计

3.2.3热电偶温度标定

3.3 力-位移自动控制系统

3.3.1力-位移模式控制系统

3.3.2数据采集系统

3.3.3数据采集系统及软件

3.4力传感器及标定

3.5位移传感器及标定

3.6显微镜放大倍数的标定

3.7力-位移加载装置

3.7.1轴向对中加载台

3.7.2轴向加载台对中性能研究

第四章 薄膜屈曲及热疲劳的实验研究

4.1实验方案的制定

4.2试样制备

4.2.1薄膜基底结构

4.2.2有机玻璃基底热塑性临界温度估测

4.3薄膜-基底结构轴向压力作用下破坏过程的研究

4.4薄膜-基底结构热疲劳研究

4.4.1轴向压力为120N时热疲劳实验

4.4.2轴向压力为180N时热疲劳实验

4.5本章小结

第五章 薄膜-基底结构有限元分析

5.1传热学基本理论

5.1.1热传递方式

5.1.2稳态传导

5.1.3瞬态传导

5.2热应力基本理论

5.3力-热耦合场有限元分析方法

5.4材料参数

5.5模型建立

5.6边界条件与初始条件

5.7实验模型的有限元数值分析

5.7.1温度场

5.7.2应力场

5.8本章小结

第六章 MEMS压力传感器热变形实验研究

6.1 MEMS压力传感器工作原理

6.2数字图像相关法基本原理

6.2.1搜索技术

6.2.2相关公式

6.2.3亚像素重建

6.2.4有限元插值的引入

6.2.5程序流程

6.3实验方案

6.4 MEMS压力传感器热变形实验研究

6.4.1 50℃时的位移场与应变场

6.4.2 60℃时的位移场与应变场

6.4.3 70℃时的位移场与应变场

6.5本章小结

第七章总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢