纳米尺度薄膜力——热耦合场下屈曲实验分析及热疲劳的研究

论文摘要

近些年来,随着膜层材料的广泛应用,国外学者对于沉积膜层脱层及屈曲问题日益关注,主要是因为脱层与屈曲是微纳米机电系统器件的主要破坏形式,本研究致力于对厚度为500nm的薄膜材料在力载荷与热载荷下的机械性能测试和表征研究,这一研究对于其寿命预测具有重要意义。在微纳米机电系统中,基底薄膜模型系统应用越来越多。而在薄膜基底模型系统应用中,模型除了会受到一定的外部力载荷外,通常此系统会产生热量,从而使得此二元系统同时受到热载荷的作用。本文主要研究和分析讨论沉积在有机玻璃基底上的Ti/Ni、Cu、AL薄膜,在残余应力和外加轴向载荷以及热载荷的共同作用下的屈曲过程。使用一台光学显微镜观测膜层表面在应力、热载荷作用下的形貌及其变化。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载荷。本文中的力载荷通过具有自锁功能的对中加载装置施加,而热载荷是通过电阻式加热薄膜进行施加。本文仅对于基底薄膜模型系统在力——热耦合场作用下的力学性能进行了分析。由于薄膜基底模型系统在微纳米机电系统器件中往往是进行预固定,所以其在室温条件时往往受到一定的外部力载荷,其在工作时产生热量,使得此薄膜基底系统又受到热载荷的影响。在本试验中,应用热电偶对基底/薄膜温度进行了测量,并设计了一套热载荷施加电路图,能够控制热载荷的准确施加,热载荷的施加模拟了微机电系统中的工作温度范围,使得研究具有实际的应用价值。对于薄膜基底系统在微机电系统中应用时,对其预施加的力载荷不同,则基底薄膜在工作时产生热量温度升高时,其薄膜表面的屈曲尺寸及数量都有所不同,而本文中介绍的试验,对于薄膜基底在不同外部力载荷下温度升高时的屈曲进行了研究,定性地得到薄膜基底力-热载荷下工作时的优化条件。本文对薄膜-基底系统中的传热问题进行了有限元数值分析,得到了系统温度分布、热应力的分布曲线,并与试验值进行了比较,验证说明了试验的现象

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米薄膜的力热性能研究的背景及意义
• 1.2 纳米薄膜力热性能的研究内容及实验方法
• 1.2.1 纳米薄膜的力学性能和热学性能
• 1.2.2 纳米薄膜的一般研究方法
• 1.2.3 纳米薄膜国内外研究现状及需要研究的问题
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 纳米薄膜屈曲的理论分析及热应力理论分析
• 2.1 几种典型屈曲模式的力学分析
• 2.1.1 直线型褶皱
• 2.1.2 电话线型屈曲
• 2.1.3 圆泡型屈曲
• 2.2 屈曲相互转变的模式
• 2.2.1 由直线型向电话线型屈曲转变
• 2.2.2 由直线型向泡状屈曲转变
• 2.3 刚性基底与柔性基底对薄膜屈曲的影响
• 2.4 热载荷对薄膜的影响
• 2.5 热弹性理论基本方程
• 2.6 本章小结
• 第三章 力——热耦合加载实验装置的研究
• 3.1 热载荷加载装置
• 3.1.1 热载荷加载元件
• 3.1.2 热载荷控制系统的设计
• 3.2 测力装置
• 3.2.1 压电晶体的原理
• 3.2.2 压电传感器的原理及其工作标定
• 3.3 对中轴向加载装置
• 3.4 本章小结
• 第四章 力——热耦合下的薄膜屈曲实验研究
• 4.1 实验方案的制定
• 4.2 Ti/Ni薄膜/基底力——热耦合实验研究
• 4.2.1 轴向载荷加载到100N时的薄膜屈曲试验
• 4.2.2 轴向载荷加载到150N时的薄膜屈曲试验
• 4.2.3 轴向载荷加载到450N时的薄膜屈曲试验
• 4.3 本章小结
• 第五章 薄膜/基底结构在力——热耦合下的有限元计算
• 5.1 传热学经典理论
• 5.2 基本的热传递方式
• 5.2.1 热传导
• 5.2.2 热对流
• 5.3 边界条件与初始条件
• 5.3.1 三类边界条件
• 5.3.2 初始条件
• 5.4 实验模型的热载荷分析
• 5.5 模拟实验模型的有限元计算
• 5.5.1 实验试件的温度场的分布
• 5.5.2 试件在力——热耦合情况下应力场分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 薄膜/基底结构热疲劳的研究与分析
• 6.1 实验方法
• 6.2 薄膜/基底的热疲劳分析
• 6.2.1 对Cu薄膜/基底热疲劳实验研究
• 6.2.2 对Ti/Ni薄膜/基底热疲劳实验研究
• 6.2.3 AL薄膜/基底的热疲劳分析
• 6.3 薄膜/基底的高温热疲劳
• 6.4 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