论文摘要
随着微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System, MEMS）技术的兴起和发展,MEMS器件已大量应用于信息、能源、交通以及国防等领域。由于MEMS器件用材料在制备、加工以及使用过程中,不可避免地受到单向或循环机械载荷的作用而导致失效,因此,如何评价和测量MEMS用小尺度材料的力学性能至关重要。由于材料尺度的减小,材料所受的外加载荷与变形位移非常小,从而给实验测量带来了很大的困难。虽然国内外在针对小尺度材料力学性能测试方面开展了诸多的研究工作,但在力学性能实验系统的建立和研制方面开展的工作很少。本研究工作利用电磁驱动的原理,研制了一种新型的多功能微力实验系统,并设计了可以满足不同实验方法要求的各种夹具。利用此实验系统,对微米尺度的多晶铜丝、单晶铜箔和GaAs薄膜分别进行了单向拉伸、疲劳加载和三点弯曲实验,并对材料的相关力学性能进行了测试和实验表征。研究结果表明,实验系统的操作过程简便,可进行手动加载和电磁驱动加载。载荷精度为5 mN,位移精度可以通过电源系统的输出电压控制。实验系统的载荷范围为0.01-3 N；通过电源系统输出多种波形,实现了不同类型的加载方式,从而达到了实验系统的多功能化目的；通过对多晶Cu丝的单轴拉伸实验,证明本实验装置能够完成小尺度材料的拉伸断裂强度的测定；单晶Cu箔的疲劳实验结果表明,实验系统可以用来获得金属箔材料的疲劳寿命曲线,并可进行疲劳损伤行为的进一步研究。GaAs薄膜的三点弯曲实验获得了不同厚度GaAs薄膜的断裂强度。通过与文献报道的Si薄膜断裂强度实验结果的对比,验证了本实验结果的可靠性和本测试系统开展三点弯曲实验的可行性。