微机电系统(MEMS)中薄膜力学性能的研究

　　1引言

　　微 机 电 系 统(Micro Electro-Mechanical System ,MEMS)是由电子和机械元件组成的集成微器件、微系统;是微型机构、传感器、执行器以及信号处理和控制电路甚至接口、通讯和电源等集于一体的微型器件或系统。薄膜是在 MEMS 技术中应用最广的材料形态，经常被制作成 MEMS 器件中的微机械结构。薄膜材料的力学性能，如弹性模量、残余应力、泊松比、硬度等，不仅是 MEMS 设计的重要参数，也是影响MEMS 器件性能的重要因素。薄膜材料在 MEMS 中表现出来的尺度效应、表面效应、隧道效应都可能超出宏观力学和物理规律范畴，经典的力学性能测试方法己经很难适用于薄膜材料的研究。而且薄膜材料的力后处理条件有密切关系。对薄膜的力学性能深入学性能与薄膜沉积的方法、沉积的条件及热处理等研究，是优化 MEMS 设计和提高 MEMS 器件的可靠性和延长 MEMS 器件寿命的关键。

　　2薄膜力学性能研究的方法

　　人们对薄膜力学性能的研究，早在 19 世纪末就已经开始。从那时起，不断出现新的测试技术和提出新的测试理论，其中包括：纳米压入法(Nanoindentation);单轴拉伸法、基底弯曲测量法等。

　　2.1 纳米压入法

　　纳米压入技术能连续记录加载与卸载期间载荷与位移的变化, 特别适合于薄膜材料力学性能的测量，是目前在薄膜力学性能测试技术中较为广泛应用的一种测试技术。纳米压入技术能测量薄膜的弹性模量 E、硬度H以及薄膜的蠕变行为等。其理论基础是Sneddon所提出的关于轴对称压头载荷与压入深度之间关系的弹性解析分析, 表示为：

　　式中: 为载荷， 为压头压入的深度， = /为试验卸载曲线的薄膜材料刚度(如图 1 所示)， 是压头的接触面积(投影面积, 如图 2 所示)， 为约化弹性模量，其定义为：

　　式中： 、 分别为待测材料的杨氏模量和泊松比; 、 分别为压头的杨氏模量和泊松比。被测材料的硬度 H 定义为：

　　确定后，可根据公式(1)、(2)和(3)分别求出材料的弹性模量 和硬度值 。

　　2.2 单轴拉伸法

　　单轴拉伸法的测量原理与传统的块状材料的单轴拉伸法相似，需要分别测出位移量和载荷分量。单轴拉伸试验是获得材料应力与应变关系最直接的实验方法，也是符合美国 ASTM 标准 E111 关于“杨氏模量、剪切模量、弦向模量的标准测试方法”。薄膜的单轴拉伸实验是根据传统的力学理论基础，无过多的前提假设，从而减小因理论处理而引起的实验误差。薄膜拉伸装置大致可分为两类, 即“软拉伸装置”和“硬拉伸装置”。前者是指加速率恒定测量伸长率的一类薄膜拉伸装置;后者是指伸长率恒定测量外加载荷的一类薄膜拉伸装置。