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MEMS材料力學性能測試方法
MEMS材料力學性能測試方法
隨著機電系統(MEMS)的蓬勃發展，如何準確獲得MEMS 材料力學性能參數成為當今研究的熱點。由于尺度微小，試樣的夾持、載荷的施加和測量、位移的測量等問題十分突出。本文對當今MEMS力學性能研究中一些典型的微測試方法，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行了闡述，詳細介紹了這些方法的原理、優缺點以及可測得的力學性能參數。
MEMS是由特征尺寸在亞微米至毫米范圍內電子和機械元件組成的微器件或微系統，它將傳感、處理與執行融為一體，以提供一種或多種特定功能。它興起于20世紀80年代末期，近20年來得到了飛速的發展，有些成熟的器件或系統已經商品化，并具有廣泛的市場需求。應當強調指出，MEMS并非傳統意義下宏觀機電系統的簡單幾何縮小，機械尺寸微小型化以后，首先，構件材料本身的物理性質及其對環境變化的響應將有很大改變；其次，MEMS的力學特性和構建在環境介質中的行為以及所受體積力和表面力的相對關系等均發生變化；另外，由制造工藝和技術難度而造成構件間的幾何誤差和接觸摩擦等因素；同時，很多傳統的材料力學性能測試方法和測試儀器已經不再適用。目前測試所得微構件材料的力學性能參數存在以下問題：一是已獲得數據從品種、項目上都很不*，遠遠不能滿足應用需要；二是現有數據是在各自不同的的工藝條件下。試樣尺寸和測試儀器下獲得的，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機制來收集，確認新數據。因此，在進行MEMS設計時，由于缺乏有關微構件材料力學性能的基礎數據，目前還沒有建立起有效的機械可靠性設計準則，嚴重阻礙了MEMS的發展。
納米壓痕法利用納米壓頭壓入試件表面，通過高分辨率的位移和力傳感器得到壓入深度和載荷的關系，根據載荷-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。為了減少襯底對實驗結果的影響，壓入深度應小于膜厚的10%或20%。納米壓痕技術相對比較成熟，并已成功商業化，但理論分析模型有待進一步改進。
單軸拉伸試驗是獲得薄膜力學特性zui直接的方法，主要用于研究與襯底脫離的獨立薄膜構件的力學行為。通過記錄應力應變關系曲線，可以測得試件的彈性模量、泊松比、屈服強度和斷裂強度。雖然拉伸試驗的數據容易解釋，沒有過多的理論假設，數據通用性好，但是由于試件尺寸太小，傳統的拉伸實驗設備在很多方面已不能滿足需要，例如載荷力和位移的檢測精度以及試樣的制作、對中、夾持和保護等。根據實驗試件和裝置的不同可劃分為以下四種。
- 直接單軸拉伸法
- 轉換結構法
- 薄膜偏轉試驗（MDE）
- 集成拉伸發
鼓膜實驗通常稱之為兩軸拉伸試驗，由Beams于1959年提出。如圖所示，從一側用氣體或液體對薄膜進行加壓，通過測量壓力和凸起高度的關系，轉換得到應力應變曲線，可以得到薄膜的屈服的強度和斷裂強度。鼓膜實驗所需的夾持和加載設備比較簡單，消除了試件的邊緣效應，避免襯底材料的粘著問題和因試樣邊緣損傷與缺陷所引起的早期縮頸失穩現象。但是薄膜的殘余應力必須是拉應力，實驗結果的解釋也比較復雜，理論模型還需改進。
微量彎曲法在宏觀力學性能測試中是一種常用的測試方法，已經形成一系列測試標準。在MEMS材料的測試中，彎曲方法也是較早發展起來的常用測試方法。按作用方式的不同可分為以下三種。
- 納米壓頭加載
- 靜電加載
- 動態諧振加載
薄膜中的殘余應力會造成襯底的彈性彎曲，對薄膜力學性能的測量影響很大。通過測量薄膜生長前后襯底撓度或曲率半徑的變化，可以測量薄膜內的平均殘余應力，這種方法被稱為襯底曲率法。根據Stoney公式，襯底曲率半徑正比于薄膜的內應力。襯底的曲率半徑可以通過光學或電容方法測量。這種方法的優點是只要知道薄膜的厚度就可以得到薄膜的應變。襯底曲率法只能測量薄膜的平均應力和應變，于熱膨脹或基體和薄膜的生長失配，當殘余應力較小時，會帶來較大的誤差。
本文對一些典型的MEMS測試方法進行了闡述，并概括了它們的優缺點。由于材料或結構的力學性能對于MEMS的設計、加工和可靠性有著非常重要的影響，隨著MEMS的發展，這些測試方法也需要進一步完善，并逐步實現標準化。