MEMS材料力學(xué)性能的測試方法研究

郝芯

摘 要：針對目前MEMS材料力學(xué)性能測試方法應(yīng)用過程存在的問題，文章從實(shí)踐角度出發(fā)，分析了MEMS薄膜材料力學(xué)性能測試方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了試樣試驗(yàn)方法應(yīng)用的要點(diǎn)，其目的是為相關(guān)建設(shè)者提供一些理論依據(jù)。結(jié)果表明，只有在明確測試方法應(yīng)用控制問題的情況下，才能將最具效用的材料力學(xué)性能測試方法作用于實(shí)踐，進(jìn)而提高其作用于工程建設(shè)的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：MEMS；材料力學(xué)性能；測試方法

0 引言

MEMS材料力學(xué)性能的測試，主要用于相關(guān)設(shè)備運(yùn)行的質(zhì)量效果目標(biāo)控制。然而，在測試方法實(shí)際應(yīng)用過程，測試技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量易受測試試樣微小導(dǎo)致安裝與對準(zhǔn)工作開展難度大、應(yīng)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(jìn)而降低測試工作開展的可靠性。為此，研究人員應(yīng)對以往MEMS薄膜材料進(jìn)行的力學(xué)性能測試情況進(jìn)行分析，即在明確測試問題的形成原因及產(chǎn)生影響情況下，來提高測試方法運(yùn)用實(shí)踐的效果價(jià)值。如此，MEMS材料的力學(xué)性能就能滿足所處結(jié)構(gòu)環(huán)境建設(shè)的安全可靠需求，進(jìn)而服務(wù)于現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)的全面發(fā)展進(jìn)程。

1 研究MEMS材料力學(xué)性能測試方法的現(xiàn)實(shí)意義

MEMS，Micro-Electro-Mechanical System，中文意思是，微機(jī)電系統(tǒng)，其能夠通過集成信息處理、傳感以及執(zhí)行的微系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)壓力傳感器、加速度傳感器以及微型生物化學(xué)分析設(shè)備的運(yùn)行使用質(zhì)量控制目標(biāo)。具體應(yīng)用過程涉及的材料力學(xué)性能，是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要參數(shù)。然而，MEMS系統(tǒng)的材料選擇與設(shè)計(jì)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(yīng)力、斷裂強(qiáng)度、泊松比以及彈性模量等力學(xué)特性，是直接決定MEMS元件作用性能質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。與塊狀材料不同，薄膜材料的力學(xué)性能與力學(xué)特性會(huì)因?yàn)檩^強(qiáng)的尺寸效應(yīng)影響，而無法采用常規(guī)的方法進(jìn)行測試。當(dāng)前階段，其材料力學(xué)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(yīng)用實(shí)踐過程中，不同方法的基本工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展進(jìn)程均存在很大差異。在此測試工作開展背景下，相關(guān)人員還應(yīng)對薄膜材料的單軸拉伸試驗(yàn)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并在明確其運(yùn)用發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，來驗(yàn)證MEMS系統(tǒng)運(yùn)行使用的安全可靠性[2]。

2 MEMS薄膜材料力學(xué)性能測試方法的應(yīng)用現(xiàn)狀

研究表明，由于薄膜材料力學(xué)特性與成膜條件、成膜裝置以及熱處理?xiàng)l件密切相關(guān)，因此，測試人員應(yīng)在明確以下實(shí)際測試工作開展的重點(diǎn)難點(diǎn)，用于提升MEMS材料力學(xué)性能測試技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量效果。（1）測試試樣微小，降低了安裝與對準(zhǔn)工作的開展難度；（2）應(yīng)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(xiàn)階段，由于我國在薄膜材料力學(xué)性能測試方面的研究起步較晚，因此，薄膜材料的靜態(tài)性能與試驗(yàn)技術(shù)運(yùn)用并未完善。如納米壓痕技術(shù)，因薄膜是通過物理與化學(xué)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(huì)對測試的精度造成很大的影響。對于經(jīng)由高靜水壓力作用下獲得的彈性模量，不僅無法得出拉應(yīng)力的測試結(jié)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(yīng)對以往各種MEMS材料力學(xué)性能測試方法的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，并在明確測試應(yīng)用要點(diǎn)的情況下分析試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而提高測試方法應(yīng)用的科學(xué)合理性。如此，MEMS材料力學(xué)性能測試就能以可靠性狀態(tài)作用于實(shí)踐，進(jìn)而滿足涉及行業(yè)快速發(fā)展所提出的健康穩(wěn)定發(fā)展需求[4]。

3 MEMS材料力學(xué)性能測試方法的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 薄膜打壓法

該方法又被業(yè)內(nèi)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(gè)小圓孔、方孔或是長方形孔周邊。此時(shí)，還要在薄膜的一側(cè)施加均勻的壓力，以使薄膜能夠朝著另一側(cè)凸起。如此，就可通過測試凸起高度與壓力之間的關(guān)系，來確定薄膜材料的泊松比與彈性模量。但在實(shí)踐過程中，周邊的固定支撐部位存在應(yīng)力集中問題，這就降低了低應(yīng)變硬化材料的作用效果。而且，薄膜內(nèi)部的殘余應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)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(yīng)用人員應(yīng)在高度凸起的初始階段就著手進(jìn)行控制。值得注意的是，影響薄膜打壓測試方法的參數(shù)指標(biāo)較多，因此，測試數(shù)據(jù)結(jié)果的分析工作開展難度大，這就會(huì)對小位移情況下的試驗(yàn)結(jié)果帶來誤差問題。故相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合MEMS薄膜材料的具體情況來進(jìn)行測試方法選擇，進(jìn)而提高測試結(jié)果使用的科學(xué)合理性。

3.2 納米壓痕法

納米壓痕技術(shù)的應(yīng)用是指，通過在傳統(tǒng)納米硬度計(jì)安裝上，使壓痕力與壓痕深度的傳感器測試經(jīng)加載與卸載生成壓痕力-壓痕深度曲線，進(jìn)而判斷材料的屈服強(qiáng)度與彈性模量。該方法作用于實(shí)踐的優(yōu)勢在于：儀器分辨率高、作用區(qū)域小且試驗(yàn)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(xué)性能。經(jīng)分析，雖然測試技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程存在一系列的缺陷，但仍是材料力學(xué)性能測試市場環(huán)境中經(jīng)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(jìn)行了納米壓痕試驗(yàn)，以觀察納米壓痕在不同溫度環(huán)境下的恢復(fù)情況[5]。

具體的試驗(yàn)測試過程，就是將壓痕由Berkovich壓頭在室溫環(huán)境下壓出，并對其分別加熱到40℃、70℃以及100℃。當(dāng)位錯(cuò)問題產(chǎn)生后，會(huì)在一定程度上阻礙壓痕形狀的恢復(fù)。即當(dāng)溫度大于相變溫度時(shí)，馬氏體與奧氏體中的壓痕無法得到恢復(fù)；當(dāng)將壓入載荷控制在10000μN(yùn)時(shí)，形狀恢復(fù)的應(yīng)變要高于因位錯(cuò)而造成的塑性應(yīng)變。故，壓痕還有在深度方向上的恢復(fù)率才可滿足既定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，即在100℃時(shí)奧氏體中的恢復(fù)率在0.7-0.8之間；而在馬氏體環(huán)境條件下，其恢復(fù)率在0.9左右。

3.3 單軸拉伸法

研究表明，該方法的應(yīng)變測試過程，針對試樣尺寸較小的情況采用了激光干涉應(yīng)變計(jì)法（ISDG）。此外，根據(jù)楊氏干涉定理，在試樣的標(biāo)距內(nèi)部平均應(yīng)變的計(jì)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(gè)標(biāo)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(yīng)變標(biāo)記是指，一對由顯微硬度計(jì)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(jī)械設(shè)備運(yùn)行精確度不夠的問題出現(xiàn)，測試采用了慢走絲線切割機(jī)進(jìn)行試樣材料的加工。在實(shí)際拉伸與壓縮試驗(yàn)過程，微小試樣試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)用，就是將由試驗(yàn)機(jī)載荷傳感器采集的載荷傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄。此后，就可采用ISDG方法進(jìn)行應(yīng)變測量，即將由激光發(fā)射與接收系統(tǒng)運(yùn)行使用產(chǎn)生的激光，經(jīng)干涉與反射生成條紋。如此，干涉條紋經(jīng)過激光探測器的轉(zhuǎn)換運(yùn)用，就可對其電壓信號進(jìn)行記錄。此時(shí)，研究人員還應(yīng)利用工控機(jī)對其進(jìn)行采集，并送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄，進(jìn)而計(jì)算出試驗(yàn)的應(yīng)變情況。

對于單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果的分析，是根據(jù)上述公式計(jì)算得出每個(gè)條紋移動(dòng)量對應(yīng)的應(yīng)變，進(jìn)而導(dǎo)出每個(gè)條紋移動(dòng)的時(shí)間結(jié)果，如圖1所示。

根據(jù)圖中所示的時(shí)間對應(yīng)關(guān)系，可以判斷應(yīng)變產(chǎn)生時(shí)試樣所要承受的應(yīng)力。而后，就可計(jì)算獲得（ε，σ）點(diǎn)，進(jìn)而繪制出試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。值得注意的是，從試驗(yàn)結(jié)果上來看試驗(yàn)存在一定的誤差，這是因?yàn)槠浣Y(jié)果會(huì)受到離面位移的影響。為此，研究人員應(yīng)對激光干涉的條紋進(jìn)行標(biāo)定，即采用大試樣設(shè)置有應(yīng)變計(jì)的一面，并將另一面如微小試樣一樣的壓制凹痕。此時(shí)，再進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變曲線的生成，并根據(jù)線性段計(jì)算出材料的平均力學(xué)彈性模量[7]。

4 結(jié)束語

綜上所述，MEMS材料力學(xué)性能的測試工作，應(yīng)通過試驗(yàn)檢測的方法來保證各項(xiàng)測試工作內(nèi)容的效用，進(jìn)而提高試驗(yàn)結(jié)果獲得的準(zhǔn)確性。事實(shí)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(shù)，以高穩(wěn)定性狀態(tài)作用于工作實(shí)踐，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)行業(yè)發(fā)展建設(shè)的快速穩(wěn)定進(jìn)程。

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