纳米压痕法研究PZT压电薄膜的力学性能.pdfVIP

第22卷 第6期 实 验 力 学 Vo1．22 No．6 2007年 12月 JOURNAL OF EXPERIMENTAL MECHANICS Dec．2007 文章编号：1001—4888(2007)06—0575—06 纳米压痕法研究PZT压电薄膜的力学性能 蒋 锐 ，胡小方 ，许晓慧 ，伍小平 (1．中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室；2．中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，合肥230027) 摘要：PZT压电薄膜的力学性能如弹性模量、硬度等对于MEMS器件的结构设计、结构响应特 性、服役性能等尤为重要。薄膜材料由于尺寸效应、表面效应等的作用，力学性能与宏观块体材 料有显著差异。本文用纳米压痕法获得了PZT压电薄膜的弹性模量和硬度，考察了基底的影 响，分析了退火时间对于其力学性能的影响，以及硬度和压入深度之间的压痕尺度效应。 关键词：PZT压电薄膜；纳米压痕法；压痕尺度效应 中图分类号：O34；CI48 文献标识码：A 0 引言 MEMS技术的核心是驱动和传感功能，MEMS技术的发展要求其材料能对外界信号做出灵敏的 响应或输出较大的应力和应变。PZT具有明显的正压电效应和逆压电效应，在传感应用时具有高灵敏 度和低电噪声的优点；在驱动应用时，具有很高的响应速度和较大的输出应力，从而在MEMS器件中 处于重要地位l_1]。 薄膜制备方法的不同，甚至同一种制备方法但不同工艺参数都将对所制备薄膜的机电性能产生很 大的影响，从而使得基于PZT的微传感器和微驱动器的可靠性难以保证，因此，对PZT薄膜的机电性 能表征便成了设计和优化基于PZT的微传感器和微驱动器的关键问题之一。薄膜材料的特征尺寸一 般在微米或亚微米，由于尺寸效应、表面效应等的作用，力学性能与宏观块体材料有显著差异，这就要求 必须研究微尺度下的材料力学性能。同时，传统的拉压、弯曲和鼓膜法等测试方法，由于加工和夹持微 小试样等的困难以及测试精度较低，不适合于微尺度实验力学研究。 由于硬度试验简单易行，在微力学测试中备受重视。对显微硬度测试，卸载后的压针和试样的接触 面积通常由测量残余压痕对角线获得。当残余压痕的尺寸在亚微米及以下时，传统的光学显微镜很难 适用，测试误差过大。近二十年来，由于微电子机械系统和表面涂层等领域的快速发展，急需一种简单 易行的、标准的微／纳米尺度材料力学性能测试技术，从而深度传感压入(depth-sensing indentation， DSI)测试技术应运而生，发展很快。该技术通过在压针上加特定载荷，同时记录压入试样的深度，由加 卸载曲线分析得出样品的模量和硬度等I2 ]。由于深度一般控制在微纳米尺度，要求测试仪器的位移 和载荷传感器具有nm和nN的分辨率，所以又称为纳米压痕法(nanoindentation)。 传统的测试方法很难精确测定薄膜材料的力学性能，本文通过纳米压痕技术可以有效地测试所制 备的几种退火工艺下的PZT薄膜的力学性能，以期为薄膜的制备技术和MEMS器件的设计和优化提 供有力的参考依据。 * 收稿日期：2007—01—11；修订日期：2007—12—03 基金项目：国家自然科学基金重点项目 通讯作者：胡小方(1962一)，男，中国科学技术大学近代力学系教授。E-mail：huxf@ustc．edu．cn 576 实 验 力 学 (2007年)第22卷 1 纳米压痕法的测试原理 假设：试样为各向同性材料；几何尺寸远大于压入深度，表面为无摩擦的平面；不存在与时间相关的 变形，即无蠕变和粘弹性；接触深度总是小于压人深度。 在如图1(a)所示的加载过程中，样品首先发生弹性变形，接着发生塑性变形；而卸载曲线反映样 品的弹性恢复过程。图1(b)为一加卸载过程中心剖面的示意图。在压头压人样品的过程中，压痕深度 为h，产生了同压针形状相一致的压痕接触深度h 和接触圆半径a。在压针退出过程中，弹性位移恢复， 残余深度为h，。 P～ 墨 Displacement．h (a)