MEMS材料力學(xué)性能測(cè)試方法

隨著機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的蓬勃發(fā)展，如何準(zhǔn)確獲得MEMS 材料力學(xué)性能參數(shù)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。由于尺度微小，試樣的夾持、載荷的施加和測(cè)量、位移的測(cè)量等問(wèn)題十分突出。本文對(duì)當(dāng)今MEMS力學(xué)性能研究中一些典型的微測(cè)試方法，如納米壓痕法，單軸拉伸法、鼓膜法、微梁彎曲法及襯底曲率法等分別進(jìn)行了闡述，詳細(xì)介紹了這些方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及可測(cè)得的力學(xué)性能參數(shù)。

MEMS是由特征尺寸在亞微米至毫米范圍內(nèi)電子和機(jī)械元件組成的微器件或微系統(tǒng)，它將傳感、處理與執(zhí)行融為一體，以提供一種或多種特定功能。它興起于20世紀(jì)80年代末期，近20年來(lái)得到了飛速的發(fā)展，有些成熟的器件或系統(tǒng)已經(jīng)商品化，并具有廣泛的市場(chǎng)需求。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，MEMS并非傳統(tǒng)意義下宏觀機(jī)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)單幾何縮小，機(jī)械尺寸微小型化以后，首先，構(gòu)件材料本身的物理性質(zhì)及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)將有很大改變；其次，MEMS的力學(xué)特性和構(gòu)建在環(huán)境介質(zhì)中的行為以及所受體積力和表面力的相對(duì)關(guān)系等均發(fā)生變化；另外，由制造工藝和技術(shù)難度而造成構(gòu)件間的幾何誤差和接觸摩擦等因素；同時(shí)，很多傳統(tǒng)的材料力學(xué)性能測(cè)試方法和測(cè)試儀器已經(jīng)不再適用。目前測(cè)試所得微構(gòu)件材料的力學(xué)性能參數(shù)存在以下問(wèn)題：一是已獲得數(shù)據(jù)從品種、項(xiàng)目上都很不*，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需要；二是現(xiàn)有數(shù)據(jù)是在各自不同的的工藝條件下。試樣尺寸和測(cè)試儀器下獲得的，缺乏通用性和性；三是MEMS的新材料、新工藝層出不窮，目前缺乏一種快速響應(yīng)機(jī)制來(lái)收集，確認(rèn)新數(shù)據(jù)。因此，在進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)時(shí)，由于缺乏有關(guān)微構(gòu)件材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，目前還沒(méi)有建立起有效的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，嚴(yán)重阻礙了MEMS的發(fā)展。

納米壓痕法利用納米壓頭壓入試件表面，通過(guò)高分辨率的位移和力傳感器得到壓入深度和載荷的關(guān)系，根據(jù)載荷-壓入深度曲線和接觸面積可由彈性接觸理論推算出材料的硬度、彈性模量。為了減少襯底對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，壓入深度應(yīng)小于膜厚的10%或20%。納米壓痕技術(shù)相對(duì)比較成熟，并已成功商業(yè)化，但理論分析模型有待進(jìn)一步改進(jìn)。

單軸拉伸試驗(yàn)是獲得薄膜力學(xué)特性zui直接的方法，主要用于研究與襯底脫離的獨(dú)立薄膜構(gòu)件的力學(xué)行為。通過(guò)記錄應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，可以測(cè)得試件的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。雖然拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)容易解釋，沒(méi)有過(guò)多的理論假設(shè)，數(shù)據(jù)通用性好，但是由于試件尺寸太小，傳統(tǒng)的拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)備在很多方面已不能滿足需要，例如載荷力和位移的檢測(cè)精度以及試樣的制作、對(duì)中、夾持和保護(hù)等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)試件和裝置的不同可劃分為以下四種。

• 直接單軸拉伸法
• 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)法
• 薄膜偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)（MDE）
• 集成拉伸發(fā)

鼓膜實(shí)驗(yàn)通常稱之為兩軸拉伸試驗(yàn)，由Beams于1959年提出。如圖所示，從一側(cè)用氣體或液體對(duì)薄膜進(jìn)行加壓，通過(guò)測(cè)量壓力和凸起高度的關(guān)系，轉(zhuǎn)換得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以得到薄膜的屈服的強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。鼓膜實(shí)驗(yàn)所需的夾持和加載設(shè)備比較簡(jiǎn)單，消除了試件的邊緣效應(yīng)，避免襯底材料的粘著問(wèn)題和因試樣邊緣損傷與缺陷所引起的早期縮頸失穩(wěn)現(xiàn)象。但是薄膜的殘余應(yīng)力必須是拉應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋也比較復(fù)雜，理論模型還需改進(jìn)。

微量彎曲法在宏觀力學(xué)性能測(cè)試中是一種常用的測(cè)試方法，已經(jīng)形成一系列測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。在MEMS材料的測(cè)試中，彎曲方法也是較早發(fā)展起來(lái)的常用測(cè)試方法。按作用方式的不同可分為以下三種。

1. 納米壓頭加載
2. 靜電加載
3. 動(dòng)態(tài)諧振加載

薄膜中的殘余應(yīng)力會(huì)造成襯底的彈性彎曲，對(duì)薄膜力學(xué)性能的測(cè)量影響很大。通過(guò)測(cè)量薄膜生長(zhǎng)前后襯底撓度或曲率半徑的變化，可以測(cè)量薄膜內(nèi)的平均殘余應(yīng)力，這種方法被稱為襯底曲率法。根據(jù)Stoney公式，襯底曲率半徑正比于薄膜的內(nèi)應(yīng)力。襯底的曲率半徑可以通過(guò)光學(xué)或電容方法測(cè)量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只要知道薄膜的厚度就可以得到薄膜的應(yīng)變。襯底曲率法只能測(cè)量薄膜的平均應(yīng)力和應(yīng)變，于熱膨脹或基體和薄膜的生長(zhǎng)失配，當(dāng)殘余應(yīng)力較小時(shí)，會(huì)帶來(lái)較大的誤差。

    本文對(duì)一些典型的MEMS測(cè)試方法進(jìn)行了闡述，并概括了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。由于材料或結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能對(duì)于MEMS的設(shè)計(jì)、加工和可靠性有著非常重要的影響，隨著MEMS的發(fā)展，這些測(cè)試方法也需要進(jìn)一步完善，并逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。