MEMS材料力学性能测试方法

随着机电系统(MEMS)的蓬勃发展，如何准确获得MEMS 材料力学性能参数成为当今研究的热点。由于尺度微小，试样的夹持、载荷的施加和测量、位移的测量等问题十分突出。本文对当今MEMS力学性能研究中一些典型的微测试方法，如纳米压痕法，单轴拉伸法、鼓膜法、微梁弯曲法及衬底曲率法等分别进行了阐述，详细介绍了这些方法的原理、优缺点以及可测得的力学性能参数。

MEMS是由特征尺寸在亚微米至毫米范围内电子和机械元件组成的微器件或微系统，它将传感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能。它兴起于20世纪80年代末期，近20年来得到了飞速的发展，有些成熟的器件或系统已经商品化，并具有广泛的市场需求。应当强调指出，MEMS并非传统意义下宏观机电系统的简单几何缩小，机械尺寸微小型化以后，首先，构件材料本身的物理性质及其对环境变化的响应将有很大改变；其次，MEMS的力学特性和构建在环境介质中的行为以及所受体积力和表面力的相对关系等均发生变化；另外，由制造工艺和技术难度而造成构件间的几何误差和接触摩擦等因素；同时，很多传统的材料力学性能测试方法和测试仪器已经不再适用。目前测试所得微构件材料的力学性能参数存在以下问题：一是已获得数据从品种、项目上都很不*，远远不能满足应用需要；二是现有数据是在各自不同的的工艺条件下。试样尺寸和测试仪器下获得的，缺乏通用性和性；三是MEMS的新材料、新工艺层出不穷，目前缺乏一种快速响应机制来收集，确认新数据。因此，在进行MEMS设计时，由于缺乏有关微构件材料力学性能的基础数据，目前还没有建立起有效的机械可靠性设计准则，严重阻碍了MEMS的发展。

纳米压痕法利用纳米压头压入试件表面，通过高分辨率的位移和力传感器得到压入深度和载荷的关系，根据载荷-压入深度曲线和接触面积可由弹性接触理论推算出材料的硬度、弹性模量。为了减少衬底对实验结果的影响，压入深度应小于膜厚的10%或20%。纳米压痕技术相对比较成熟，并已成功商业化，但理论分析模型有待进一步改进。

单轴拉伸试验是获得薄膜力学特性zui直接的方法，主要用于研究与衬底脱离的独立薄膜构件的力学行为。通过记录应力应变关系曲线，可以测得试件的弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度。虽然拉伸试验的数据容易解释，没有过多的理论假设，数据通用性好，但是由于试件尺寸太小，传统的拉伸实验设备在很多方面已不能满足需要，例如载荷力和位移的检测精度以及试样的制作、对中、夹持和保护等。根据实验试件和装置的不同可划分为以下四种。

• 直接单轴拉伸法
• 转换结构法
• 薄膜偏转试验（MDE）
• 集成拉伸发

鼓膜实验通常称之为两轴拉伸试验，由Beams于1959年提出。如图所示，从一侧用气体或液体对薄膜进行加压，通过测量压力和凸起高度的关系，转换得到应力应变曲线，可以得到薄膜的屈服的强度和断裂强度。鼓膜实验所需的夹持和加载设备比较简单，消除了试件的边缘效应，避免衬底材料的粘着问题和因试样边缘损伤与缺陷所引起的早期缩颈失稳现象。但是薄膜的残余应力必须是拉应力，实验结果的解释也比较复杂，理论模型还需改进。

微量弯曲法在宏观力学性能测试中是一种常用的测试方法，已经形成一系列测试标准。在MEMS材料的测试中，弯曲方法也是较早发展起来的常用测试方法。按作用方式的不同可分为以下三种。

1. 纳米压头加载
2. 静电加载
3. 动态谐振加载

薄膜中的残余应力会造成衬底的弹性弯曲，对薄膜力学性能的测量影响很大。通过测量薄膜生长前后衬底挠度或曲率半径的变化，可以测量薄膜内的平均残余应力，这种方法被称为衬底曲率法。根据Stoney公式，衬底曲率半径正比于薄膜的内应力。衬底的曲率半径可以通过光学或电容方法测量。这种方法的优点是只要知道薄膜的厚度就可以得到薄膜的应变。衬底曲率法只能测量薄膜的平均应力和应变，于热膨胀或基体和薄膜的生长失配，当残余应力较小时，会带来较大的误差。

    本文对一些典型的MEMS测试方法进行了阐述，并概括了它们的优缺点。由于材料或结构的力学性能对于MEMS的设计、加工和可靠性有着非常重要的影响，随着MEMS的发展，这些测试方法也需要进一步完善，并逐步实现标准化。