by w.h. müller , c. liebold icms-workshop | edinburgh | june 17-21, 2013
DESCRIPTION
Are higher gradient theories of elasticity amenable to experiments? - A state-of-the-art review. by W.H. Müller , C. Liebold ICMS-workshop | Edinburgh | June 17-21, 2013. LKM. Technische Universität Berlin Institut für Mechanik - LKM Einsteinufer 5 D-10587 Berlin. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
by
W.H. Müller, C. Liebold
ICMS-workshop | Edinburgh | June 17-21, 2013
Are higher gradient theories of elasticityamenable to experiments?- A state-of-the-art review
Technische Universität BerlinTechnische Universität Berlin Institut für Mechanik - LKM Institut für Mechanik - LKM Einsteinufer 5Einsteinufer 5 D-10587 BerlinD-10587 Berlin
LKM
Supported by:
2
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
3
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
4
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Applications in micro-mechanics I
A MEMS application:Micro 3D - gyroscope
A MEMS application:Micro-sensors and black box in automotive technology
5
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Applications in micro-mechanics II Objective: Stress and deflection measurements in micro beams subject to bending
A MEMS application:An acceleration sensor inthe automotive industry
Raman peak position along the thickness of a deflected silicon beam; Srikar et al. (2003):
6
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
7
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
The size effect (experiments from literature)
• Objective: Determination of the material length scale parameter l (additional stiffness parameter) of silicon and silicon nitride using atomic force microscopy and Raman spectroscopy.
• A material length scale parameter called l is of importance in non-local theories, such as the couple stress theory used, e.g., by Yang et al. (2002).
• Strain gradient theories can be used to model the size effect of micro-size structures, e.g., for simple beam bending or torsion of small wires.
Left: Torsion of small copper wires performed by Chong et al. (2001) revealed: l = 3µm.
Right: Simple beam bending experiments on epoxy by Gao and Park (2007) revealed: l =17.6µm.
• The term “size effect” refers a stiffer (elastic) material behavior on the sub-micronscale.
8
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
9
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
2 3 5 (3) 7
local - non-local theory
class. theory CS Couple Stress theory
MSG Modified Strain Gradient theory
SG Strain Gradient theory
stored energy density:
stress and strain
measures:(isotropic)
Sij
Sij
ijjiSij
jkijki
Sij
Sijijij
Glµ
ue
µu
2
,,21
,21
21
21
2
kijijk
kiiiikillikk
jjkiikijkijkijkijk
ijkijkijij
ddd
dd
u
5
43
21
21
21
balance law:
E – Euler Bernoulli T – Timoshenko (allg.)
workvirtualofprin.
uuµ
xwuuxwzuSijij
Sijij
zyx
,,
)(,0,)(
workvirtualofprin.
uuµ
xwuuxzuSijij
Sijij
zyx
,,
)(,0,)(
published derivations:
analytical displacement field:
)(E xw )(CSE xw )(MSG
E xw )(T xw )(CST xw )(MSG
T xw
Non-local theories (overview)
0,, ijijkiij
nr. of parameters:
jjiiijijijij
ijjiij
ijij
G
uu
u
2
,,21
21
0
2
2
2
)1(,,,2
1,
SS22
S
)1()1(21
)1()1(
,,20,
)1()1(,2
1
ijijkikiS
ilijjlkiik
ijijijij
ijkijkijkijk
illittikki
Sij
Sijijkijkikkiijij
pµe
Glµ
Gl
Glp
µpu
in use for finite element method by various authors
0,21
, titlijls
iij µTiij ,0,
10
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
11
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Couple stress theory for beam bending IDerivation of the deflection curve, the strain and the bending rigidity.
• The Euler-Bernoulli displacement field: )(,0,)( xwuuxwzu zyx
• Components of the strain tensor: 0,,,21
yzxzxyzzyyx
xxijjiij wzxuuu
0,)(~2
constantsLamé211
,12
,2
zzyyyzxzxyxxxxxx
ijkkijij
xwzEG
EEGG
EEν
νννEE
~0
2111:~
,
• Components of the stress tensor:
0,)()( 221 S
yzSxz
Szz
Syy
Sxx
Sxy
Sxy xwGlµxw
• New: Components of the rotation gradient tensor:
12
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
• The principle of virtual work:
LLL
LLLL
L
V
Sij
Sijijij
wMwFxwxqW
wwZwwZwwZxwwZU
xwGAlEIVµU
Z
000
000
IV
0
0
22
δδdδ)(δ
δδdxδdδδ
d22
1d21
:
LxxMxwZQxwZ
LxxqxwGAlEIWU
or0)()(
),0()()(δδ IV221• The differential equation:
• Integration of the differential equation:
• The governing boundary conditions:
432
2213
161)(
dddd0)()(
CxCxCxCxZw
xxxxxqxwZ
Couple stress theory for beam bending II
• Using the boundary conditions for a clamped beam the solution for deflection and strain reads:
LxGAlEI
FxLxx
GAlEI
Fxw xx
221
CS23
221
CSE )(,
26)(
13
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Couple stress theory for beam bending III• Derivation of the bending rigidity for x=L, ν=0:
CSE32
2 33
)(
:
wLI
hElEF
LDwF
CSD
Figure: Simple beam bending experiments on epoxy by Gao and Park (2007) revealed: l=17,6µm.
inverse quadratic function in h
• Conclusion: - If l=0 the couple stress bending rigidity results in the conventional one.- The formula of the couple stress theory predicts a size effect.
14
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
15
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
The AFM tool I
movementpiezo...x
sxw beam
cantileverAFMtheofbending...s
• The experiments for measuring w and ε: A Raman spectroscope integrated in an AFM used for the bending of µm beams
observation variables:
AFM laser
AFM Laser
Raman laser
Raman Laser
The central equation of the AFM tool for determining the beam deflection reads:
LASERPSD
16
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
The AFM tool II• 1st. The non-linear behavior of the PSD (Photo Sensitive Diodes):
27
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2012 /58
Wheatstone bridge
„signal=voltage“
26
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2012 /58
+2
-2
0
tip deflection
U [mV]
non-linear behavior
AFM Laser
cylindrical AFM probe
range of linearity
12
34
17
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
The AFM tool III• 2nd. Calibration of the tip deflection Δs:
The Δx feed motion was produced by a calibrated screw thread driven by piezo-elements.
m
0 xmax
-single experimentx [nm]
- rescaled feed motion curves - slopes increase linearly!
analysis points
U [m
V]
U [m
V]
Tapping the AFM probe against a rigid surface projected the Δx-input onto the voltage signal of the PSD.
This gave rise to a quadratic relationship of the form: xnaxxxmU )()(
top view of piezosturning the feed table
18
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKMU
[mV
]
The AFM tool IV• 3rd. The AFM probe against a micro beam (separating both deflections):
s
axnax
an
an
xwaU
an
anxnxaxU
rig2rig
2rig
rig
rigbeam2
2
)(
2 )(4242
arig, nrig … values of the regression line of the rigid surfacea, n … values of the regression line with the micro beam in between
s…defl. of the tip wbeam … defl. of the beam
x [nm]
• Conclusion: This approach compensated the non-linearity of the AFM tool.
19
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
20
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
PtBPtBwkF
Performing the experiments I• The force calibration of the AFM probe against a calibrated cantilever:
The AFM cantilever was calibrated at the PtB (Physikalisch Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Germany) by a nano-compensational weight bridge for the force data in combination with a capacitive read out for the deflection data.
It revealed a spring constant of the cantilever of about: F=kPtBwPtB , kPtB=4.868 N/m
Transfer of the spring constant
skF **
mNPtBPtB*
*
48.3
swk
k
FF
21
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Performing the experiments II• SEM analysis for determining the dimensions of the tested micro-beams:
b=39±0.2 µm
L=200±0.2 µm
t=0.98±0.075 µm
• Pictures via the optical microscope of some specimens:
force application point
SiN SiN SiN SiN SiN cSi
22
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Performing the experiments III• A video recording of the loading- unloading sequence via the optical microscope:
31
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2012 /58
(0)
(1)
(2)
(3)
(4)
31
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2012 /58
23
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
24
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
The Raman effect for strain measurement I• The setup of our Raman spectrometer:
25
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
• The optical path of the laser beam:
1: live cam2: beam splitter3: polarizer (scattered)4: aperture (slit)5: notch filter6: optical grating7: CCD camera8: filters for laser power9: shutter10: beam expander11: polarizer (incident)12: sample stage13: optical lenses14: shutter15&16: laser source
The Raman effect for strain measurement II
26
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
A typical spectral distribution of silicon. I. DeWolf (1998)
Si Raman peak @ ω 520 cm-1
The Raman effect for strain measurement III• Inside the CCD camera (qualitatively):
27
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
matrix"constantspringeffective"skg,0
000
2effeff
eff
eff
eff
with
KsKsM
zz
yy
xx
sKsmsKsmsKsm
• With the idea of effective force constants in the directions of the generalized coordinates of the phonons, we obtain the secular equation without presence of strain:
1effeff2eff2eff ˆ,0ˆdet0det jlojololololol MKKKMK with
Some theoretical relationships The Raman effect for strain measurement IV
Si Raman peak @ ω 98,5 THz 520 cm-
1
28
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
• Acc. to the so-called morphic effect, the strains εkl enter the secular equation as follows:
][ˆˆ,0ˆdet4
eff0
eff2eff0, εPKK
withijklijklij PK
Δwith
with
00020
2
220
20
eff0,
2))(()(,0det
0det
ˆ
ijklijkl
ijklijklij
ijij
P
P
K
we can rewrite the secular equation:
Some theoretical relationships The Raman effect for strain measurement V
• Consider pure tension in x-direction:
0,
,,0,
xyyzxz
xxzzzxxyyy
xx
000
0000
det
xxyxxz
yzxx
yzxx
qpqpq
qqp
the secular equation under presence of strain
29
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
ω0
Δω
0
4001,1:
xxremember
00
1
03
Δ4.1Δ2
Δ2
xxqqypzxx
yzxx qqp
• A separation of the three eigenvalues is possible by polarization of the incoming and scattered laser light (Raman selection rules), so that the strain-shift relationship reads:
Some theoretical relationships The Raman effect for strain measurement VI
Experimental procedure
-reference-
• Taking spectra in loaded and unloaded configuration at different points around the fixture:• numerical analysis for spectral position: Gauss / Lorentz mixture -loaded-
this holds for silicon in the present configuration
30
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Raman @ 190 µNRaman @ 81 µNEuler Bernoulli-TheorieFEM @ 190 µN
F x=0
strainεxx
The Raman effect for strain measurement VIIExperimental application to silicon
31
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
32
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
*De Wolf, I. (1996). Micro-Raman spectroscopy to study local mechanical stress in silicon integrated circuits. Semicond. Sci. Technol. 11, pp.139–154.*Aspnes, D. E., Studna, A. A. (1983). Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV . Am. Phys. Society. 27(2), pp. 985-1009.
chEPhoton
x
I
D
dp
I0
• Theoretical penetration depth of an extended laser beam in silicon (De Wolf*, 1996):
2t
• Specification for the choice of d:
with Aspnes* (1983):
nm 1200
ε
F
The problem of penetration depth of the laser I
= absorption coefficient measuredfor Si at different wavelengths
0.1 chosen
33
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
x
I0
2tdp2pd
εmax
ε=0
Ramanp
corr
:
f
dtt
0
The problem of penetration depth of the laser II• Because the used beam thicknesses are 7000 nm, 3000 nm and 1000 nm a correction factor f for the strains can be introduced as follows:
thickness f from experiments f from formula
t=1000 nm4,2
56,3
t=3000 nm1,71
1,71,78
t=7000 nm 1,19 1,2
increase of uncertainties
fexp.
calculated by conventional theory
34
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
35
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Results I• Corrected strain values for silicon micro beams measured using the Raman spectroscope:
factor: f=1.19
t=7µm, L=175µm
t=3µm, L=90µm
factor: f=1.71
t=3µm, L=130µm
factor: f=1.78
measurement at different points around the fixture
measurement at different points along the beam length
corr
corr
corr
36
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Results II
• No strain values for silicon nitride, due to a thin metallic layer.
• The corresponding Raman signal is smeared out.
37
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Results III• The deflections of silicon micro beams measured via the AFM tool:
t=3µm, L=130µm
t=7µm, L=175µm t=1µm, L=130µm
t=1µm, L=50µm
38
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Results IV• The deflections of silicon nitride micro beams measured via the AFM tool:
t=0,8µm, L=170µm t=0,8µm, L=80µmt=0,8µm, L=120µm
t=0,6µm, L=170µm t=0,6µm, L=80µm t=0,2µm, L=29µm
51802
2
EIFL
… otherwise large bending angle
39
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
40
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
1 2 3 4 5 6 7 8
Conclusions about the length scale parameter I
EDwLI
tElEF
LwDF
hD
0CSE32
2
,33
)(
:
• The bending rigidities of silicon micro beams measured via the AFM tool:
• Conclusion: The material length scale parameter of single crystalline silicon is smaller than l < 200 nm.
Bending rigidity vs. thickness of Epoxy
41
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Conclusions about the length scale parameter II• The bending rigidities of silicon nitride micro beams measured via the AFM tool:
• Conclusion: The material length scale parameter of silicon nitride is smaller than l < 50 nm.
0,1 0,2 0,3 0,6 0,8 1
Bending rigidity vs. thickness of Silicon Nitride
42
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Outline Introduction and motivation:
Applications in micro-mechanics The size effect (experiments from literature)
Overview on non-local continuum theories Beam bending in couple stress theory The AFM tool for deflection measurement Performing the experiments:
Force calibration of the AFM The beams
The Raman effect for strain measurement: General remarks Discussion of the penetration depth of the laser
Results for Si and SiN Conclusions about the length scale parameter of Si and SiN Improvements / discussion
43
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
A minimization of the penetration depth of the Raman laser can be achieved either by an UV laser source in combination with a UV spectrometer or by an independently moveable AFM-TERS probe. For detecting a size effect even smaller micro beam geometries (particularly smaller thicknesses) are needed.
Improvements / Discussion
Raman / Silicon:
In order to detect a more pronounced size effect materials with a more complex micro-structure should be tested.
Raman / Silicon-Nitride: For detecting a Raman signal the metallic layer should be removed (e.g., by etching).
Size Effect:
44
Technische Universität BerlinFakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2013 /44
LKM
Thank you for your patienceand endurance when listening to
(experimental)mechanics
presentations!