張凱翔， 馬明哲， 劉 澤

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 工程力學(xué)系，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 土木工程系，湖北 武漢 430072)

0 引 言

隨著微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)在各個領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，對MEMS/NEMS機(jī)械部件進(jìn)行力學(xué)測試變得非常迫切[1～4]。由于大多數(shù)器件都在微米(μm)尺度以下，這對傳統(tǒng)的制樣方法、試樣的固定與對準(zhǔn)，以及測試方法都提出了新的挑戰(zhàn)[5]。近年來，人們設(shè)計(jì)并開發(fā)了各種微力傳感器。例如，劉瑞等人開發(fā)了基于微彈簧結(jié)構(gòu)的拉伸傳感器[6]，王海濤等人發(fā)展了電容式傳感器[7，8]，章曉明等人開發(fā)了柱式結(jié)構(gòu)的電阻式傳感器[9]。盡管關(guān)于微力傳感器的研究取得了顯著進(jìn)展，但目前多為基于將力信號轉(zhuǎn)換為電信號的原理進(jìn)行間接測量，因此對外電路設(shè)計(jì)要求較高。

另一方面，傳統(tǒng)的壓阻式或壓電式傳感器通常采用硅電子微加工工藝，因此，傳感器材質(zhì)局限于硅、陶瓷等脆性材料。這些傳感器盡管測試精度高，但測試量程受到材料本征屬性(彈性極限)的限制。非晶合金(又稱金屬玻璃)，是由金屬合金熔體經(jīng)急速冷卻而得到的在室溫下具有固體性質(zhì)的非晶態(tài)材料，由加利福尼亞理工學(xué)院的Duwez P等人通過甩帶法首先制得[10]。非晶合金由于具有高強(qiáng)度(～2 GPa)、高彈性極限(高達(dá)～2 %)、抗腐蝕耐磨損，且可在超冷液相區(qū)進(jìn)行熱塑性成形等優(yōu)異特性[11～14]，是一種潛在的MEMS/NEMS新型材料[15～17]。然而目前還鮮有把非晶合金應(yīng)用到MEMS/NEMS中。易軍等人研制了基于非晶合金纖維的應(yīng)變計(jì)[7]，Ou C H等人基于鐵基非晶合金優(yōu)異的力、磁特性開發(fā)了電磁驅(qū)動的二維MEMS微鏡[16]。

本文利用非晶合金的熱塑性成形特性，提出了一種基于硅電子光刻術(shù)制備非晶合金微力傳感器的方法。非晶合金材料的應(yīng)用使得所制備的微力傳感器在不損失分辨率的前提下獲得量程的顯著提高。此外，通過設(shè)計(jì)雙探針微力傳感器，應(yīng)用簡單的伯努利梁理論，結(jié)合顯微鏡原位測量，即可方便地獲得待測構(gòu)件在側(cè)彎作用下的載荷—位移曲線。相比傳統(tǒng)的把力信號轉(zhuǎn)換為電、光等信號進(jìn)行間接測量，直接測量法簡單方便，且可靠性高。

1 微力傳感器測試原理與制備工藝

1.1 雙探針微力傳感器設(shè)計(jì)及其測試原理

雙探針微力傳感器設(shè)計(jì)如圖1所示，由兩根長為L的懸臂梁構(gòu)成，懸臂梁寬度為w，在自由端，兩懸臂梁初始間距為s。忽略懸臂梁在自由端附近局部的橫截面改變，當(dāng)懸臂梁自由端受側(cè)向載荷F時，由經(jīng)典的伯努利梁理論易知其側(cè)向撓度為

δ=F/k

(1)

式中 彈簧剛度k=3EI/L3，E為彈性模量，I為懸臂梁截面慣性矩。在測試中，雙探針中的一根作為參考探針不參與變形，另一個探針(測量探針)與待測構(gòu)件接觸并通過移動雙探針的固定支座使得測量探針發(fā)生變形，因此，作用在構(gòu)件上的載荷可通過測量探針的側(cè)向位移乘以剛度系數(shù)而獲得。

圖1 雙懸臂探針微力傳感器設(shè)計(jì)

應(yīng)用圖1所示雙探針進(jìn)行原位力學(xué)測試的典型裝置如圖2所示。雙探針通過其固定支座固定到精密移動平臺上(本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的是德國Kleindiek Nanotechnik公司的三自由度納米操縱儀)。在顯微鏡下驅(qū)動雙探針的測量探針靠近并接觸固定的待測試樣，記錄測量探針在側(cè)移過程中相對于參考探針的距離變化，代入式(1)即可得測量探針作用于待測試樣上的側(cè)向載荷F。另一方面，由于待測試樣的一端固定，因此，待測試樣在與測量探針接觸點(diǎn)處的位移也能同時被記錄，這樣就獲得待測試樣在側(cè)彎作用下的載荷—位移曲線。

圖2 雙懸臂探針測試原理示意

1.2 制備工藝

本文設(shè)計(jì)的雙探針通過熱塑性成型制得。首先，應(yīng)用硅電子微加工技術(shù)制得硅模板[18]，然后切割所鑄造的Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5非晶合金[19]，該非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度與晶化溫度分別為236，325 ℃。將切割的Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5非晶合金片與硅模板相疊放，并一起置于萬能試驗(yàn)機(jī)的平板夾具上(圖3(a))。平板夾具通過電阻絲加熱，平板溫度由熱電偶監(jiān)控并通過PID控制，控溫精度優(yōu)于 ±1 ℃。當(dāng)平板溫度穩(wěn)定在270 ℃時，控制試驗(yàn)機(jī)以50 N/s的加載速度加載到5 kN，由于非晶合金在該溫度下粘度系數(shù)迅速降低，表現(xiàn)出高粘流體的行為[12]，從而使得非晶合金在載荷作用下流入硅模具中完成圖形的復(fù)制(圖3(b))。

卸載后取出樣品，待樣品冷卻后在金相磨拋機(jī)上去除硅模具表面多余的材料以露出復(fù)制的非晶合金圖案。最后，將磨拋好的樣品置于KOH溶液中腐蝕以去除硅模板。KOH溶液的濃度為6 mol/L，腐蝕過程保持60°的恒溫。

圖3 在非晶合金的超冷液相區(qū)溫度下通過熱壓試驗(yàn)機(jī)把非晶合金壓入硅模具使得硅模具的圖案復(fù)制到非晶合金表面

制備得到典型的雙探針微力傳感器如圖4所示，該微力傳感器已通過粘接劑固定到直徑為0.5 mm的鎢絲一端，方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)將其安裝到納米操縱儀上。

圖4 制備的非晶合金雙探針微力傳感器

2 微力傳感器的性能分析

2.1 測量量程

測量量程及線性度是傳感器的兩個重要指標(biāo)，非晶合金微力傳感器由于高強(qiáng)度與高彈性極限(εc)本質(zhì)上具有大量程。根據(jù)伯努利梁理論，懸臂梁自由端在側(cè)向載荷作用下的最大位移可用εc表示為

(2)

式中λ=L/w為探針的長細(xì)比。顯然在相同幾何尺寸的條件下，測量量程δ與材料的彈性極限成正比。相比傳統(tǒng)微力傳感器的硅基或陶瓷材質(zhì)，非晶合金的彈性極限高約一個數(shù)量級，由此可知非晶合金微力傳感器可以獲得非常大的彈性位移。另一方面，根據(jù)式(1)和式(2)，易得非晶合金微力傳感器的極限載荷為

Fm=σyS/6λ

(3)

式中σy和S分別為非晶合金的強(qiáng)度及梁的橫截面積。顯然在相同幾何尺寸的條件下，非晶合金由于高強(qiáng)度具有大的微力測量量程。以Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5非晶合金為例，其強(qiáng)度為1.4 GPa[20]，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的工程材料。

2.2 線性度

為了考察所設(shè)計(jì)制備的非晶合金微力傳感器的線性度應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對一個典型的Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5非晶合金微力傳感器進(jìn)行受力模擬，輸入的材料參數(shù)[19,20]和幾何參數(shù)：E為94.8 GPa，σy為1.4 GPa，v為0.42，L為2 500 μm，b為50 μm，w為50 μm。

在有限元模擬中，雙探針的支座固定，在測量探針的自由端通過參考點(diǎn)施加側(cè)向位移載荷，同時輸出參考點(diǎn)在豎直方向的支反力。通過監(jiān)測測量探針的最大應(yīng)力(探針根部外側(cè))，輸出探針在彈性范圍內(nèi)的側(cè)向載荷—位移曲線(如圖5)。顯然，加載曲線與卸載曲線高度吻合且保持良好的線性性質(zhì)(圖5(a))。值得注意的是，當(dāng)加載到局部最大應(yīng)力接近屈服應(yīng)力時(圖5(a)中的A點(diǎn)，相應(yīng)的應(yīng)力場見圖5(b))，測量探針的側(cè)向位移已經(jīng)達(dá)到1.4 mm，而微力測量量程高達(dá)11.9 mN，與基于式(3)獲得的理論測試量程(11.7 mN)吻合。這表明測量探針尖端局部的橫截面積改變對其剛度系數(shù)影響可以忽略。

圖5 應(yīng)用有限元對典型Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5非晶合金微力傳感器進(jìn)行模擬

2.3 微力傳感器剛度系數(shù)標(biāo)定

在應(yīng)用微力傳感器進(jìn)行測試前，需要對其進(jìn)行剛度系數(shù)標(biāo)定，這主要是考慮到實(shí)際制備過程使雙探針微力傳感器幾何尺寸與理論設(shè)計(jì)值產(chǎn)生的偏差。這里采用校核過的商用壓阻式力傳感器(Kleindiek Nanotechnik，型號FMT—120)對一個Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5非晶合金微力傳感器的測量探針進(jìn)行剛度系數(shù)標(biāo)定。標(biāo)定過程在掃描電鏡(Zeiss Sigma 500)下完成，先把微力傳感器粘接固定到鎢絲的一端(圖4)，然后把該鎢絲固定到掃描電鏡的樣品臺上。利用納米操縱儀驅(qū)動商用壓阻式力傳感器接觸并側(cè)向移動測量探針，測量探針相對參考探針的距離δ由掃描電鏡原位測得。典型的加、卸載力曲線如圖6中方形數(shù)據(jù)點(diǎn)所示，由非加載段的初始斜率知該力傳感器存在熱漂移。通過糾正熱漂移得到的載荷如圖6中圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)所示。

圖6 Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5非晶合金微力傳感器標(biāo)定

另一方面，通過測量上述加、卸載過程中的測量探針與參考探針之間的間距變化，可以獲得間距與時間的關(guān)系(圖7)。根據(jù)圖6和圖7，就可獲得壓阻式力傳感器在側(cè)向準(zhǔn)靜態(tài)加載測量探針過程的F-δ曲線(圖8)，利用一次函數(shù)對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法擬合，可得測量探針的剛度系數(shù)為7.46 N/m。

圖7 測量探針與參考探針的側(cè)向距離隨時間的變化

圖8 微力傳感器在受到側(cè)向加、卸載時的載荷—位移曲線

3 應(yīng)用雙探針微力傳感器進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)

隨著掃描探針顯微鏡的發(fā)明，納米探針成為人們探測物體表面形貌、分析表面物性以及研究表面相互作用的重要工具，基于納米探針的新的檢測技術(shù)和系統(tǒng)也引起了廣泛關(guān)注[5]。為了闡明所設(shè)計(jì)的雙探針微力傳感器在原位力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，以下對圖9所示的納米探針的側(cè)向剛度系數(shù)進(jìn)行快速表征。

圖9 待標(biāo)定的一個納米探針

首先，將所制備的雙探針微力傳感器通過所粘接的鎢絲直接固定到納米操縱儀的夾具中(圖2)，待標(biāo)定的納米探針(圖9)固定在光學(xué)顯微鏡的載物臺上后，驅(qū)動納米操縱儀使得雙探針微力傳感器的測量探針接觸待測納米探針(圖10(a))，通過記錄并測量側(cè)彎過程中的測量探針位移δ和待測探針位移Δ(圖10(e))，代入標(biāo)定的剛度系數(shù)即可獲得測量探針?biāo)┘拥妮d荷F=kδ，從而得到待測探針的載荷—位移曲線(圖11)。對待測探針的兩次重復(fù)加、卸載數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘線性擬合，可得其剛度系數(shù)為17.58 N/m(圖11中黑色實(shí)線)。典型的加、卸載狀態(tài)A，B，C，D點(diǎn)的光學(xué)顯微鏡照片如圖10(a)～(d)所示;圖10(e)為(圖9)在微力傳感器(圖8)側(cè)彎作用下的加、卸載曲線。圖中δ和Δ由顯微鏡直接測得。

圖10 加、卸載光學(xué)顯微鏡照片及輸出曲線

值得注意的是，所制備的雙探針微力傳感器進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)時可重復(fù)性極好，表現(xiàn)為圖11中兩次加卸載的數(shù)據(jù)點(diǎn)具有高線性相關(guān)性。而傳統(tǒng)的基于壓電式或壓阻式的測量方法是基于力學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號進(jìn)行間接測量，因此存在熱漂移和可重復(fù)性較差等缺點(diǎn)(圖6,圖7)。

圖11 代入標(biāo)定的微力傳感器測量探針的剛度系數(shù)，可得其施加于待測納米探針(圖9)上的載荷—位移曲線

4 結(jié) 論

1)本文提出一種基于雙探針的微力傳感器的設(shè)計(jì)、制備與原位力學(xué)測試應(yīng)用。其原理是基于伯努利梁理論，通過監(jiān)測測量探針相對于參考探針的距離改變，實(shí)時獲取測量探針施加于待測樣品上的載荷。

2)所設(shè)計(jì)的雙探針微力傳感器是應(yīng)用胡克定律直接測量載荷以及利用顯微鏡原位觀察測量位移，不涉及測試電路設(shè)計(jì)，因此不存在寄生電容、熱漂移等因素帶來的測量誤差，測試準(zhǔn)確性高、可重復(fù)性好。

3)所設(shè)計(jì)的傳感器應(yīng)用了先進(jìn)的非晶合金材料，因此相比傳統(tǒng)的硅基或陶瓷基材料，具有測量量程大的優(yōu)點(diǎn)。