纳米硬度计及其在微机电系统中的应用

　　1　前　言

　　微机电系统(MEMS)已广泛应用于国防、医疗、航空航天、汽车等领域。如今,人们已不再满足某些系统功能的实现,而更多地关注MEMS结构优化设计及其工作的稳定性和可靠性等问题。这就对MEMS所用材料和结构的力学性能检测和破坏机理提出新的要求[1]。

　　MEMS器件的加工常采用表面或体加工技术,所用材料多为Si,Si3N4,SiO2,Al,Au,Ni等。在设计MEMS结构和进行可靠性分析时,迫切需要知道所用材料微构件的力学性能参数。目前,典型的MEMS结构的特征尺寸在微米量级或更小。传统的材料力学性能测试设备在载荷和位移的测量精度、试样的加工和装配等诸多方面不能满足要求。

　　近十年来,纳米硬度技术发展较快。已有多家生产商研制出商品化的仪器,如美国的MTS公司[2](1983年Nano Instruments公司成立,1998年被MTS公司收购)和Hysitron公司[3]、瑞士的CSEM公司[4]和英国的Micro Materials公司[5]。目前,纳米硬度计是MEMS所用材料和结构的最为理想的力学性能检测手段,已得到广泛应用。本文将以美国MTS公司的产品为例,说明其理论模型、测量原理、系统配置和功能,并以我们的实验结果说明它在MEMS所用材料和结构的力学性能研究中的应用。

　　2　纳米压痕的理论模型

　　2.1　硬度和模量[6]

　　纳米压痕方法主要通过测量加卸载过程中压针作用力和位移从而获得样品的模量和硬度等。在如图1(a)所示的加载过程中,样品首先发生弹性变形,接着发生塑性变形,导致加载曲线的非线性;而卸载曲线反映样品的弹性恢复过程。图1(b)为一轴对称压针在加卸载过程中任一压痕剖面的示意图。在压头压入样品的过程中,压痕深度为h,产生了同压针形状相一致的压痕接触深度hc和接触圆半径a。在压针退出过程中,弹性位移恢复,残余深度为hf。

　　确定卸载曲线端部的斜率即弹性接触刚度S。根据Oliver-Pharr方法,采用如下函数拟合载荷-位移曲线的卸载部分

　　式中,P为作用在样品上的载荷,B和m为通过经验测量获得的拟合参数。弹性接触刚度便可以根据方程(1)的微分计算出

　　拟合整条卸载曲线得到的参量常常导致比较大的误差。因此,确定接触刚度的曲线拟合通常只取卸载曲线顶部的25%到50%。

　　确定接触面积的投影A。首先,必须知道接触深度hc。对于弹性接触,接触深度总是小于总的压痕深度h。Oliver等研究了抛物体形压针的接触深度,用指数函数去拟合卸载曲线,从而得到抛物体形压针的接触深度、总的压痕深度和卸载后的残余深度的关系

　　式中,ε为与压针形状有关的常数;对于球形或三棱锥形(Berkovich)压针,ε=0.75。接触面积的投影可根据经验公式A=f(hc)计算出。对于一个理想的三棱锥压针,A=24.56h2c。但实际压针的接触面积一般表示为一个级数