MEMS材料力學性能的測試方法研究

郝芯

摘 要：針對目前MEMS材料力學性能測試方法應用過程存在的問題，文章從實踐角度出發，分析了MEMS薄膜材料力學性能測試方法的應用現狀，并提出了試樣試驗方法應用的要點，其目的是為相關建設者提供一些理論依據。結果表明，只有在明確測試方法應用控制問題的情況下，才能將最具效用的材料力學性能測試方法作用于實踐，進而提高其作用于工程建設的安全可靠性。

關鍵詞：MEMS；材料力學性能；測試方法

0 引言

MEMS材料力學性能的測試，主要用于相關設備運行的質量效果目標控制。然而，在測試方法實際應用過程，測試技術的應用質量易受測試試樣微小導致安裝與對準工作開展難度大、應變測量難度大且精度高以及試樣尺寸不一所要承受的最大荷載不同的影響，進而降低測試工作開展的可靠性。為此，研究人員應對以往MEMS薄膜材料進行的力學性能測試情況進行分析，即在明確測試問題的形成原因及產生影響情況下，來提高測試方法運用實踐的效果價值。如此，MEMS材料的力學性能就能滿足所處結構環境建設的安全可靠需求，進而服務于現代化經濟建設的全面發展進程。

1 研究MEMS材料力學性能測試方法的現實意義

MEMS，Micro-Electro-Mechanical System，中文意思是，微機電系統，其能夠通過集成信息處理、傳感以及執行的微系統，來實現壓力傳感器、加速度傳感器以及微型生物化學分析設備的運行使用質量控制目標。具體應用過程涉及的材料力學性能，是保證系統正常運行的重要參數。然而，MEMS系統的材料選擇與設計易受加工工藝問題的影響[1]。

對于起主要作用的薄膜材料，其殘余應力、斷裂強度、泊松比以及彈性模量等力學特性，是直接決定MEMS元件作用性能質量的關鍵參數。與塊狀材料不同，薄膜材料的力學性能與力學特性會因為較強的尺寸效應影響，而無法采用常規的方法進行測試。當前階段，其材料力學性能的測試方法包括：薄膜打壓法、納米壓痕法以及單軸拉伸法等。在應用實踐過程中，不同方法的基本工作原理、優缺點以及發展進程均存在很大差異。在此測試工作開展背景下，相關人員還應對薄膜材料的單軸拉伸試驗特點進行分析，并在明確其運用發展現狀的基礎上，來驗證MEMS系統運行使用的安全可靠性[2]。

2 MEMS薄膜材料力學性能測試方法的應用現狀

研究表明，由于薄膜材料力學特性與成膜條件、成膜裝置以及熱處理條件密切相關，因此，測試人員應在明確以下實際測試工作開展的重點難點，用于提升MEMS材料力學性能測試技術的應用質量效果。（1）測試試樣微小，降低了安裝與對準工作的開展難度；（2）應變測量難度大，且工作對精度要求高；（3）雖試樣尺寸不大，但所需承受的最大荷載易受摩擦力的影響。

但在現階段，由于我國在薄膜材料力學性能測試方面的研究起步較晚，因此，薄膜材料的靜態性能與試驗技術運用并未完善。如納米壓痕技術，因薄膜是通過物理與化學方法沉積于Si基上的，所以，基底材料的選用、壓痕深度以及薄膜厚度均會對測試的精度造成很大的影響。對于經由高靜水壓力作用下獲得的彈性模量，不僅無法得出拉應力的測試結果，還不能獲得材料各向的異性性能情況[3]。

為此，研究人員應對以往各種MEMS材料力學性能測試方法的應用情況進行分析，并在明確測試應用要點的情況下分析試驗結果，進而提高測試方法應用的科學合理性。如此，MEMS材料力學性能測試就能以可靠性狀態作用于實踐，進而滿足涉及行業快速發展所提出的健康穩定發展需求[4]。

3 MEMS材料力學性能測試方法的應用要點

3.1 薄膜打壓法

該方法又被業內人士稱為兩軸拉伸法，或是鼓膜法。其具體的測試原理為，將薄膜固定支撐于一個小圓孔、方孔或是長方形孔周邊。此時，還要在薄膜的一側施加均勻的壓力，以使薄膜能夠朝著另一側凸起。如此，就可通過測試凸起高度與壓力之間的關系，來確定薄膜材料的泊松比與彈性模量。但在實踐過程中，周邊的固定支撐部位存在應力集中問題，這就降低了低應變硬化材料的作用效果。而且，薄膜內部的殘余應力也會導致薄膜出現皺折問題。此過程中，雖然隨著薄膜壓力的增加皺折問題能夠得到控制，但測試方法應用人員應在高度凸起的初始階段就著手進行控制。值得注意的是，影響薄膜打壓測試方法的參數指標較多，因此，測試數據結果的分析工作開展難度大，這就會對小位移情況下的試驗結果帶來誤差問題。故相關人員應結合MEMS薄膜材料的具體情況來進行測試方法選擇，進而提高測試結果使用的科學合理性。

3.2 納米壓痕法

納米壓痕技術的應用是指，通過在傳統納米硬度計安裝上，使壓痕力與壓痕深度的傳感器測試經加載與卸載生成壓痕力-壓痕深度曲線，進而判斷材料的屈服強度與彈性模量。該方法作用于實踐的優勢在于：儀器分辨率高、作用區域小且試驗安裝過程簡便，能夠直接作用于器件上，且無需專門的試樣加工來確定薄膜材料的力學性能。經分析，雖然測試技術在實際應用過程存在一系列的缺陷，但仍是材料力學性能測試市場環境中經常使用的方法。為此，研究人員以CuAINi單晶形狀記憶合金材料為例對其進行了納米壓痕試驗，以觀察納米壓痕在不同溫度環境下的恢復情況[5]。

具體的試驗測試過程，就是將壓痕由Berkovich壓頭在室溫環境下壓出，并對其分別加熱到40℃、70℃以及100℃。當位錯問題產生后，會在一定程度上阻礙壓痕形狀的恢復。即當溫度大于相變溫度時，馬氏體與奧氏體中的壓痕無法得到恢復；當將壓入載荷控制在10000μN時，形狀恢復的應變要高于因位錯而造成的塑性應變。故，壓痕還有在深度方向上的恢復率才可滿足既定的規范標準要求，即在100℃時奧氏體中的恢復率在0.7-0.8之間；而在馬氏體環境條件下，其恢復率在0.9左右。

3.3 單軸拉伸法

研究表明，該方法的應變測試過程，針對試樣尺寸較小的情況采用了激光干涉應變計法（ISDG）。此外，根據楊氏干涉定理，在試樣的標距內部平均應變的計算公式如下：

公式中表示為：激光波長，與表示為：干涉條紋的變化程度；d0表示為：兩個標記之間的距離；表示為：入射光與測量面之間的夾角。值得注意的是，這里的應變標記是指，一對由顯微硬度計壓制而成的間距，即300μm的凹痕[6]。

對于試樣材料，測試人員將其確定為多晶銅段壓薄膜材料，其厚度為200μm。為避免切割機械設備運行精確度不夠的問題出現，測試采用了慢走絲線切割機進行試樣材料的加工。在實際拉伸與壓縮試驗過程，微小試樣試驗機的運用，就是將由試驗機載荷傳感器采集的載荷傳送至計算機進行記錄。此后，就可采用ISDG方法進行應變測量，即將由激光發射與接收系統運行使用產生的激光，經干涉與反射生成條紋。如此，干涉條紋經過激光探測器的轉換運用，就可對其電壓信號進行記錄。此時，研究人員還應利用工控機對其進行采集，并送往計算機進行記錄，進而計算出試驗的應變情況。

對于單軸拉伸試驗結果的分析，是根據上述公式計算得出每個條紋移動量對應的應變，進而導出每個條紋移動的時間結果，如圖1所示。

根據圖中所示的時間對應關系，可以判斷應變產生時試樣所要承受的應力。而后，就可計算獲得（ε，σ）點，進而繪制出試樣的應力-應變曲線。值得注意的是，從試驗結果上來看試驗存在一定的誤差，這是因為其結果會受到離面位移的影響。為此，研究人員應對激光干涉的條紋進行標定，即采用大試樣設置有應變計的一面，并將另一面如微小試樣一樣的壓制凹痕。此時，再進行應力-應變曲線的生成，并根據線性段計算出材料的平均力學彈性模量[7]。

4 結束語

綜上所述，MEMS材料力學性能的測試工作，應通過試驗檢測的方法來保證各項測試工作內容的效用，進而提高試驗結果獲得的準確性。事實證明，只有這樣，才能將薄膜打壓法、納米壓痕法以及單軸拉伸法等測試技術，以高穩定性狀態作用于工作實踐，進而促進相關行業發展建設的快速穩定進程。

參考文獻：

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[2]崔猛，洪寶寧，劉潔.新型單軸拉伸試樣制備裝置的研制及試驗研究[J].四川大學學報（工程科學版），2016，48（01）：64-69.

[3]付昆昆，鄭百林，張佳寧，徐振忠.基于納米壓痕法的埃洛石納米管/環氧復合材料力學性能表征[J].復合材料學報，2015，32（01）：32-38.

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[7]肖革勝，楊雪霞，，袁國政，樹學峰.基于納米壓痕法無鉛焊錫連接各層材料力學性能的研究[J].實驗力學，2013，28（01）：56-62.