MEMS材料力学性能的测试方法研究

郝芯

摘 要：针对目前MEMS材料力学性能测试方法应用过程存在的问题，文章从实践角度出发，分析了MEMS薄膜材料力学性能测试方法的应用现状，并提出了试样试验方法应用的要点，其目的是为相关建设者提供一些理论依据。结果表明，只有在明确测试方法应用控制问题的情况下，才能将最具效用的材料力学性能测试方法作用于实践，进而提高其作用于工程建设的安全可靠性。

关键词：MEMS；材料力学性能；测试方法

0 引言

MEMS材料力学性能的测试，主要用于相关设备运行的质量效果目标控制。然而，在测试方法实际应用过程，测试技术的应用质量易受测试试样微小导致安装与对准工作开展难度大、应变测量难度大且精度高以及试样尺寸不一所要承受的最大荷载不同的影响，进而降低测试工作开展的可靠性。为此，研究人员应对以往MEMS薄膜材料进行的力学性能测试情况进行分析，即在明确测试问题的形成原因及产生影响情况下，来提高测试方法运用实践的效果价值。如此，MEMS材料的力学性能就能满足所处结构环境建设的安全可靠需求，进而服务于现代化经济建设的全面发展进程。

1 研究MEMS材料力学性能测试方法的现实意义

MEMS，Micro-Electro-Mechanical System，中文意思是，微机电系统，其能够通过集成信息处理、传感以及执行的微系统，来实现压力传感器、加速度传感器以及微型生物化学分析设备的运行使用质量控制目标。具体应用过程涉及的材料力学性能，是保证系统正常运行的重要参数。然而，MEMS系统的材料选择与设计易受加工工艺问题的影响[1]。

对于起主要作用的薄膜材料，其残余应力、断裂强度、泊松比以及弹性模量等力学特性，是直接决定MEMS元件作用性能质量的关键参数。与块状材料不同，薄膜材料的力学性能与力学特性会因为较强的尺寸效应影响，而无法采用常规的方法进行测试。当前阶段，其材料力学性能的测试方法包括：薄膜打压法、纳米压痕法以及单轴拉伸法等。在应用实践过程中，不同方法的基本工作原理、优缺点以及发展进程均存在很大差异。在此测试工作开展背景下，相关人员还应对薄膜材料的单轴拉伸试验特点进行分析，并在明确其运用发展现状的基础上，来验证MEMS系统运行使用的安全可靠性[2]。

2 MEMS薄膜材料力学性能测试方法的应用现状

研究表明，由于薄膜材料力学特性与成膜条件、成膜装置以及热处理条件密切相關，因此，测试人员应在明确以下实际测试工作开展的重点难点，用于提升MEMS材料力学性能测试技术的应用质量效果。（1）测试试样微小，降低了安装与对准工作的开展难度；（2）应变测量难度大，且工作对精度要求高；（3）虽试样尺寸不大，但所需承受的最大荷载易受摩擦力的影响。

但在现阶段，由于我国在薄膜材料力学性能测试方面的研究起步较晚，因此，薄膜材料的静态性能与试验技术运用并未完善。如纳米压痕技术，因薄膜是通过物理与化学方法沉积于Si基上的，所以，基底材料的选用、压痕深度以及薄膜厚度均会对测试的精度造成很大的影响。对于经由高静水压力作用下获得的弹性模量，不仅无法得出拉应力的测试结果，还不能获得材料各向的异性性能情况[3]。

为此，研究人员应对以往各种MEMS材料力学性能测试方法的应用情况进行分析，并在明确测试应用要点的情况下分析试验结果，进而提高测试方法应用的科学合理性。如此，MEMS材料力学性能测试就能以可靠性状态作用于实践，进而满足涉及行业快速发展所提出的健康稳定发展需求[4]。

3 MEMS材料力学性能测试方法的应用要点

3.1 薄膜打压法

该方法又被业内人士称为两轴拉伸法，或是鼓膜法。其具体的测试原理为，将薄膜固定支撑于一个小圆孔、方孔或是长方形孔周边。此时，还要在薄膜的一侧施加均匀的压力，以使薄膜能够朝着另一侧凸起。如此，就可通过测试凸起高度与压力之间的关系，来确定薄膜材料的泊松比与弹性模量。但在实践过程中，周边的固定支撑部位存在应力集中问题，这就降低了低应变硬化材料的作用效果。而且，薄膜内部的残余应力也会导致薄膜出现皱折问题。此过程中，虽然随着薄膜压力的增加皱折问题能够得到控制，但测试方法应用人员应在高度凸起的初始阶段就着手进行控制。值得注意的是，影响薄膜打压测试方法的参数指标较多，因此，测试数据结果的分析工作开展难度大，这就会对小位移情况下的试验结果带来误差问题。故相关人员应结合MEMS薄膜材料的具体情况来进行测试方法选择，进而提高测试结果使用的科学合理性。

3.2 纳米压痕法

纳米压痕技术的应用是指，通过在传统纳米硬度计安装上，使压痕力与压痕深度的传感器测试经加载与卸载生成压痕力-压痕深度曲线，进而判断材料的屈服强度与弹性模量。该方法作用于实践的优势在于：仪器分辨率高、作用区域小且试验安装过程简便，能够直接作用于器件上，且无需专门的试样加工来确定薄膜材料的力学性能。经分析，虽然测试技术在实际应用过程存在一系列的缺陷，但仍是材料力学性能测试市场环境中经常使用的方法。为此，研究人员以CuAINi单晶形状记忆合金材料为例对其进行了纳米压痕试验，以观察纳米压痕在不同温度环境下的恢复情况[5]。

具体的试验测试过程，就是将压痕由Berkovich压头在室温环境下压出，并对其分别加热到40℃、70℃以及100℃。当位错问题产生后，会在一定程度上阻碍压痕形状的恢复。即当温度大于相变温度时，马氏体与奥氏体中的压痕无法得到恢复；当将压入载荷控制在10000μN时，形状恢复的应变要高于因位错而造成的塑性应变。故，压痕还有在深度方向上的恢复率才可满足既定的规范标准要求，即在100℃时奥氏体中的恢复率在0.7-0.8之间；而在马氏体环境条件下，其恢复率在0.9左右。

3.3 单轴拉伸法

研究表明，该方法的应变测试过程，针对试样尺寸较小的情况采用了激光干涉应变计法（ISDG）。此外，根据杨氏干涉定理，在试样的标距内部平均应变的计算公式如下：

公式中表示为：激光波长，与表示为：干涉条纹的变化程度；d0表示为：两个标记之间的距离；表示为：入射光与测量面之间的夹角。值得注意的是，这里的应变标记是指，一对由显微硬度计压制而成的间距，即300μm的凹痕[6]。

对于试样材料，测试人员将其确定为多晶铜段压薄膜材料，其厚度为200μm。为避免切割机械设备运行精确度不够的问题出现，测试采用了慢走丝线切割机进行试样材料的加工。在实际拉伸与压缩试验过程，微小试样试验机的运用，就是将由试验机载荷传感器采集的载荷传送至计算机进行记录。此后，就可采用ISDG方法进行应变测量，即将由激光发射与接收系统运行使用产生的激光，经干涉与反射生成条纹。如此，干涉条纹经过激光探测器的转换运用，就可对其电压信号进行记录。此时，研究人员还应利用工控机对其进行采集，并送往计算机进行记录，进而计算出试验的应变情况。

对于单轴拉伸试验结果的分析，是根据上述公式计算得出每个条纹移动量对应的应变，进而导出每个条纹移动的时间结果，如图1所示。

根据图中所示的时间对应关系，可以判断应变产生时试样所要承受的应力。而后，就可计算获得（ε，σ）点，进而绘制出试样的应力-应变曲线。值得注意的是，从试验结果上来看试验存在一定的误差，这是因为其结果会受到离面位移的影響。为此，研究人员应对激光干涉的条纹进行标定，即采用大试样设置有应变计的一面，并将另一面如微小试样一样的压制凹痕。此时，再进行应力-应变曲线的生成，并根据线性段计算出材料的平均力学弹性模量[7]。

4 结束语

综上所述，MEMS材料力学性能的测试工作，应通过试验检测的方法来保证各项测试工作内容的效用，进而提高试验结果获得的准确性。事实证明，只有这样，才能将薄膜打压法、纳米压痕法以及单轴拉伸法等测试技术，以高稳定性状态作用于工作实践，进而促进相关行业发展建设的快速稳定进程。

参考文献：

[1]陈永霖，王凤欣，徐文，宋振森，付功义.高强超薄膜材单轴拉伸试验夹持段加固方法研究[J].空间结构，2016，22（03）：44-50.

[2]崔猛，洪宝宁，刘洁.新型单轴拉伸试样制备装置的研制及试验研究[J].四川大学学报（工程科学版），2016，48（01）：64-69.

[3]付昆昆，郑百林，张佳宁，徐振忠.基于纳米压痕法的埃洛石纳米管/环氧复合材料力学性能表征[J].复合材料学报，2015，32（01）：32-38.

[4]陈宇峰，陈务军，赵兵.ETFE薄膜单轴和双轴拉伸试验与分析[J].华南理工大学学报（自然科学版），2014，42（10）：125-130.

[5]王海斗，朱丽娜，徐滨士.纳米压痕法测量等离子喷涂铁基涂层表面的残余应力[J].机械工程学报，2013，49（07）：1-4.

[6]孙虹，孙叶楠，徐红阳.材料力学性能测试与评价技术进展[J].黑龙江科技信息，2012，（35）：22.

[7]肖革胜，杨雪霞，，袁国政，树学峰.基于纳米压痕法无铅焊锡连接各层材料力学性能的研究[J].实验力学，2013，28（01）：56-62.