微构件力学性能测试技术进展

　　0　引言

　　微尺度下构件的力学特性研究有助于微机电系统(MEMS)的结构设计、功能实现以及可靠性分析,同时为将来制定MEMS结构标准提供了依据。经过对MEMS结构材料的力学行为十多年的研究[1-4],已经出现了许多微机械性能测试技术,对影响MEMS力学行为的因素也有了一定的认识。但是,这些努力并没有给出可供MEMS设计和可靠性分析的较完善的力学性能参数数据库,主要原因是微尺度下构件的力学性能受尺度效应、微加工工艺等因素的影响,如微构件失效机理已不能用宏观中的理论来解释。不仅影响微构件力学特性的因素趋于多样化,而且由于试样特征尺寸处于微米量级,导致其测试装置也趋于复杂化、微型化,同时测试中存在的一些技术问题直接影响着测试精度和可靠性。

　　1　研究现状与现存问题

　　研究微构件的力学性能主要是通过试验方法来实现的,即通过搭建试验装置、制备试样、加载和检测试验数据,以及构建数学模型分析数据,或进行必要的统计计算得到试样相关的力学特性参数。测试主要包括三个方面:试样制作、如何产生驱动力或微变形、如何提高测量微力和微变形的精度。常用的测试方法有纳米压痕法、微梁弯曲法、微拉伸法、微梁振动法以及片内测试法,张泰华等[4,5]已经对此作了详细介绍。

　　随着一系列商用纳米硬度计的出现,纳米硬度计有可能成为检测MEMS材料性能的标准设备。但是由于薄膜是用物理方法或化学方法沉积在基底上,因此,基底材料对薄膜性能的影响比较大,而且压痕的深度和薄膜的厚度对测试精度也有一定的影响。

　　微拉伸法[6-8]可直接测试材料应力-应变关系,试验数据易于分析说明、通用性强。微拉伸法还可测量弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度。但由于试样的尺寸为微米级,导致试样的夹持和定位很困难,试验装置复杂。此外,标准试样的加工也比较困难。与弯曲试验相比,拉伸试验需要较大的拉伸力和高的位移分辨率。

　　微弯曲法[9,10]的优点是:可得到较大的横向变形,且该变形可以使用光学显微镜测量;载荷为压力,避免了试样的夹持问题,并且对中问题不突出;加载机理简单,易于操作,试样可以做得更小。缺点是影响测试精度的因素多。

　　片内测试法又称为集成测试法,是采用微加工工艺,将试样、执行器和位移或微力传感器集成在同一芯片内进行力学测试的。此方法避免了试样的夹持与定位,使尺寸设计具有更大的灵活性,并且提高了测试的精度和可靠性;集成测试结构可以与MEMS器件制作在同一芯片上,消除了工艺对机械特性的影响。集成测试法虽然简化了测试装置,但增加了集成测试结构设计与制作的复杂程度。从文献[11-15]看,片内测试主要是驱动与试样的集成,加载力的片内检测还很难实现。除了测试方法本身带有的测量误差,微尺度下构件的力学性能还与加工方法[16,17]、尺度效应[6,8,9,18]等因素有关,造成测得的力学参数分散性很大,缺乏通用性和权威性。在微尺度下,薄膜的弹性模量因加工工艺条件的不同而不同,如采用直流平面磁控溅射法在硅片表面上制备Al薄膜(以Ar为溅射气体),其弹性模量与磁感应强度有关,当磁感应强度为2mT时,弹性模量为74·14GPa;而磁感应强度为5mT时,弹性模量为47·24GPa[17]。