基于振动的亚微米阵列薄膜弹性参数辨识探讨
1 引言
近年来, 薄膜科学和工程技术高速发展, 在信息、能源、环保、水资源等领域逐渐发挥重要作用. 亚微米阵列薄膜是以微小结构单元在平面内周期排列形成的薄膜结构. 尺寸微小、弹性各向异性和结构离散性是亚微米阵列薄膜最显著的特点, 通过光/电/磁/力转换可在微型器件中实现复杂的动力学功能, 例如双折射、微动测量、频率选择等, 对于精密光学、微型控制及高频通信产品研发具有关键作用.
为获得亚微米阵列薄膜的力学特性参数，研究者进行了大量实验、理论和数值分析工作. Hirakata 等人(2007)利用原子力显微镜采用静力加载的方法得到了以纳米弹簧为单元的亚微米阵列薄膜的弹性模量，确认薄膜整体力学行为符合线弹性规律. Sumigawa 等人(2008, 2009)、Sueda 等人(2011)、Hirakata 等人(2011)对亚微米弹簧薄膜或类似结构的静力学行为进行了研究, 包括界面应力分布、应力集中、微结构弹性特性等, 得到了一系列重要成果. 针对上述研究的静力学问题, 可以进一步发展基于亚微米动力学测试的薄膜参数辨识方法, 并在此基础上实现亚微米阵列薄膜动力学理论与数值建模.
由于亚微米阵列薄膜的几何微尺度, 其固有频率可达 MHz 量级, 此类各向异性薄膜的动力学加载/响应测试、弹性/质量/阻尼系数确定等基础问题, 都成为了具有挑战性的工作. 微尺度结构的动力学测试中,接触式加载和测量对于试样质量、弹性等基本材料参数有明显影响, 因此非接触式方法成为研究的重点. Nakamura 等人(2004)采用共振超声谱方法检测了金刚石薄膜的弹性特性, 试样厚度最小达到数微米,但试样平面尺寸为毫米量级, 共振频率为 KHz 量级.Tan 等人(2010)采用共振超声谱方法检测了不同温度下热喷涂层薄膜的弹性特性, 得到了薄膜各轴向弹性参数与温度的关系函数, 但试样厚度仍处于毫米量级. 由上可见, 共振超声谱方法是一类先进的非接触式材料参数测试方法, 在各个领域得到了广泛的应用, 但是此类方法要求试样具有一定的平面尺寸和厚度, 否则检测波难以取得足够的信息.
2 亚微米阵列薄膜
亚微米阵列薄膜试样如图 1 所示, 首先采用动态倾角物理气相沉积法在硅基底上形成阵列薄膜, 然后在阵列薄膜上沉积实体面板, 再采用聚焦离子束系统在薄膜实体上刻画出试样, 并附加质量以降低测试对象的固有频率.
3 振动测试与分析
3.1 试样制备
本研究准备了两个试样: 试样 A, 平面尺寸为 30 m30 m, 试样 B, 平面尺寸为 15 m15m, 试样全部由聚焦离子束系统(Hitachi, FB-2200)加工.
由于微尺度结构固有频率往往很高, 可达到 GHz量级, 现有测试设备难以实现此类高频测试, 本研究中采用附加质量的方法降低试样固有频率, 此处采用钨沉积法将金块粘结在试样上面板, 经初步数值模拟,上述两个试样固有频率降低至MHz量级.
3.2 微尺度结构振动测试系统
微尺度结构振动测试系统示意图. 试样固定在压电激振器上, 此激振器可实现 0 Hz40 MHz 的扫频激励, 输入由 Polytec: MSA-500 型信息处理单元控制, 激振器安置在可三维运动的平台上, 输出测试系统为 Polytec: MSA-500 型激光多普勒测试仪, 其测振频率范围为 0 Hz24 MHz, 整个测振系统固定在一个标准隔振实验桌上.
3.3 测试设计
为辨识各向异性阵列薄膜弹性参数, 必须实现不同方向共振, 本研究中设计了竖直轴向(轴 3)振动(测试 1) 和以轴 2 为中性轴的弯曲振动(测试 2). 测试1 中, 激振采用基底激励, 输出信号采集点选择在金块上表面, 如图 6(a), 此测试目的为辨识弹性参数 c33;测试 2 中, 激振采用基底激励, 输出信号选择在金块侧面, 如图 6(b), 此测试目的为辨识弹性参数 c44.
4 测试与分析结果
4.1 测试 1: 竖直方向振动与竖直方向弹性参数
由于试样非常微小, 硅基底振动在输出信号中占主导地位, 因此必须分别采集试样和硅基底的输出信号并比较, 然后在扫频输出中分辨出试样的共振频率.
4.2 测试 2: 弯曲振动与平面内弹性参数
试样的扫频输出信号(实线)和硅基底的扫频输出信号(虚线), 图中 0.93 和 1.35 MHz 存在两个明显尖峰, 对应两个主要模态. 当 c33=0.087 GPa 时,c44取0.0360.04 GPa可以得到与测试结果相接近合理的扫频分析结果, 当 c44=0.038 GPa 时, 数值模拟的扫频分析结果如图 9(b)所示.
4.3 测试 3: 参数辨识结果验证分析
试样的扫频输出信号(实线)和硅基底的扫频输出信号(虚线), 图中 1.33 MHz 处最高尖峰对应主要模态, 由于轴 3 不是振动的主要方向, 因此幅值较小. 当c33=0.087 GPa, c44=0.038 GPa 时, 数值模拟的扫频分析结果如图10(b)所示, 测试和有限元分析结果相一致.
5 总结
本研究开发一种基于激光技术的微尺度振动测试方法: 试样表面积达到um量级, 厚度达到1 m,实现了纵向和弯曲扫频加载, 得到了试样基频并推算了亚微米阵列薄膜的弹性常数.