《懸空式微結構力學特性測試方法的研究》是依託天津大學，由胡曉東擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：懸空式微結構力學特性測試方法的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：胡曉東
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
懸空式微結構是微/納機電系統的基本單元，製作工藝的多樣性導致其力學特性與塊體材料有很大的區別，而對其力學特性的測試直接關係到所組成器件的功能、性能及可靠性的評價。隨著結構特徵尺寸的減少，力學特性的尺寸效應逐漸表現出來，為相關測試方法帶來了新的需求和研究挑戰。.本項目提出一種基於微探針力載入和顯微干涉全視場測量的懸空式微結構力學特性測試方法；通過開展微探針載入的控制、探針位移和壓入量的測量、大彎曲撓度變形的全視場測量等關鍵技術的研究，研製出相應的測試實驗系統；依據懸空式微結構初始狀態下表面形貌和受力狀態下的全場變形情況，進行微結構力學行為的數值計算與仿真分析，建立微彎曲條件下懸空式微結構力學特性測量的數學模型，實現懸空式微結構的彈性模量、殘餘應力等力學特性參數的測量，同時進行微尺度力學特性尺寸效應的理論和實驗研究。
結題摘要
微納結構是微納器件/系統的基本單元，其力學特性直接關係到器件的功能、性能及可靠性，而相應測試方法和技術是微納結構材料和工藝最佳化的關鍵支撐。 本項目研究了一種基於微探針力載入和顯微干涉全視場表面形貌測量的微結構力學特性測試方法，並研製了相應的實驗系統，通過若干典型微梁結構彈性模量和應力等力學特性參數的測試實驗驗證了其方法的有效性。具體開展的研究工作包括：（1）微彎曲法測量懸空式微結構彈性模量和殘餘應力等力學特性參數的數學模型的建立，測量參數解耦的計算方法，及測量誤差（剪下形變誤差、尺寸測量誤差、載入點位置誤差、彎曲位移檢測誤差、載荷力誤差等）的理論分析；（2）微探針快速掃描和定位方法，通過正弦波驅動、模糊PID控制策略、變速掃描策略、非線性採樣點補償等關鍵技術的實施，實現了微探針載入點快速定位與被測結構表面形貌的快速測量；（3）研究了一種超精密電磁天平和光槓桿相結合的微懸臂樑彈性係數標定方法，大大減少了系統效應對測量不確定度的影響，標定的實驗標準偏差優於2%，為微彎曲法測量模型的參數解算提供更為精確的數據；（4）研究了一種雙波長數字顯微像面全息方法，有效結合了傳統雙波長數字全息術和數字顯微像面干涉術，避免了複雜的衍射重構計算，提高了測量的實時性並具有較高的測量信噪比，同時也開展了測量光路和參考光路不匹配引起的相位畸變校正和相點陣圖快速展開等方法的研究，為精確測量微結構表面形貌和變形提供了重要的基礎條件；（5）開展了微懸臂樑、微固支梁和微簡支梁等典型懸空式微結構彈性模量和應力等力學特性參數的實驗研究，在與同類測試技術獲得結果進行比對的同時對微彎曲測量模型進行了修正，並探討了其適用性。上述研究工作表明，懸空式微結構力學特性的微彎曲法測試有兩種基本表現形式，分別是變形梁型和彈性弦型，測量數學模型要依據具體表現進行相應的調整，因此實現微結構力學特性測試的關鍵點是明確微彎曲測量法的邊界條件，而其中微結構幾何形狀的測量、載入點位置的控制、載入力的測量和彎曲量的測量等方面尤為重要。微結構力學特性參數與製備工藝直接相關，與體材料的力學特性參數有明顯的不同，當特徵尺寸降至亞微米量級時，由於尺寸和表面效應等方面的影響而加大了其差異性。
