单轴微拉伸MEMS材料力学性能测试的系统集成

　　1　引　言

　　随着微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem,MEMS)的不断深入研究,MEMS器件使用的材料也已经从最初的硅、多晶硅、碳化硅等硅类材料发展到如今的多种金属、聚合物等各种非硅类材料。因此,充分了解各种材料的相关特性很有必要。材料的基本力学特性是优化设计器件的前提条件,充分了解器件材料的力学特性能够提高器件的可靠性,缩短制造周期和降低制造成本。然而,由于MEMS器件的特征尺寸集中在1μm~1 mm之间,尺度效应使得设计人员无法直接应用宏观材料的力学特性。因此,亟需对微尺度材料力学特性进行研究。

　　目前,针对微观尺度材料力学特性的测试方法主要包括单轴拉伸法、悬臂梁法、纳米压痕法、薄膜压力膨胀实验法等[1-2]。其中,单轴拉伸法被公认是一种最为直接可靠的、无需其他计算假设的测试方法。但是,单轴拉伸法存在以下难点:微尺度试样的制作、试样的夹持和对中、应变和应力的精确测量。以上难点导致了单轴微拉伸测试系统难以集成,并且结果分析非常繁琐。目前在研究领域应用较多的是一种由W.N. Sharpe等人在1997年提出的,基于激光干涉应变/位移测量法( The Interferometric Strain/DisplacementGage, ISDG)的单轴微拉伸系统[3]。这种测试方法的优点在于测试数据比较准确,但是过高的成本和复杂的系统限制了其广泛的应用。

　　本文提出了一种成本相对较低、测试集成度较高的单轴微拉伸材料力学测试集成系统。该系统的测试样片由非硅UV-LIGA(LithographieGavonoformung Abformung)工艺制备,具有易于夹持和准确对中的特点。两端略有弧度的拉伸试样设计便于由激光位移传感器直接测得应变,且利于集成。利用Visual Basic平台集成测试系统,实现了对整个拉伸过程的控制以及数据采集与分析。目前,UV-LIGA技术已经在很多方面得到应用,典型的结构材料包括镍、铜等[4-5],本文选用镍作为测试材料,通过将直接测试结果与用截图法计算的结果进行比较来验证该系统的可靠性。

　　2　测试系统和实验过程

　　2.1　微拉伸测试样片的优化设计

　　微拉伸测试样片必须包括具有微米尺寸的试样,同时需要具有易于被微拉伸设备夹持,准确与拉伸方向对中的特点。为了达到以上目的,本文测试样片设计如图1所示。其中测试样片的核心部分为悬空试样,尺寸为100μm×50μm×5μm厚;Ni支撑框架和支撑弹簧的设计能够保护试样在制备过程中不受损坏,并且排除在测试过程中非拉伸方向力的影响。移动平台上的两个连接孔和一些对准标记保证了测试样片与力传感器连接并准确对中。位移标志反映了移动平台靠近试样端在拉伸过程中的位移,并由激光位移传感器测试,等效为试样的应变。固定圆孔的设计保证了测试样片本身在拉伸过程中没有偏移。整个样片的尺寸约为14 mm×15 mm。