微纳测试(5)

1)加载方式 马达驱动加载 压电驱动加载 电磁驱动加载
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2)载荷测量 对线性或步进马达、压电式激励器等驱 动方式，载荷大小需经力传感器测量。 目前，已有量程为0.2N的商品化力传感器
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另一种典型的载荷测量 装臵是用计算机通过压 电控制器控制压电单元 产生拉力，载荷大小用 电子分析天平测量。 电子分析天平可以看成 是一种电磁力平衡式称 重传感器，它是利用电 磁力平衡重力原理制成 的。
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1.2 转化拉伸测试
在试样上增加一 个辅助结构作为测 试设备的一部分， 降低试样对准的难 度。
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1.2 集成拉伸测试
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2. 弯曲梁法
与拉伸测试相比，弯曲梁测试的优点在于： 小的加载力就可以使梁弯曲并产生较大的 变形，易于用光学显微镜测量。 试样加载力可以是推力而不是拉力，夹持 容易，对中问题不突出。 加载力方向上的微小误差对测试结果影响 不大，加载机构相对简单易用。 试样能够做得更小。
微纳测试
——典型物理量和MEMS系统特征参数
的测量技术
石云波 先进制造中心402 shiyunbo@nuc.edu.cn
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主要内容
MEMS器件几何结构特征参数测量 表面粗糙度与表面微观形貌测量 MEMS材料机械特性的测试 力、应力和应变的测量 微位移、速度、加速度和振动等微机械量 的测量
S dP dh
接触刚度和约化杨氏模量之间的关系：
dP 2 S AEr dh
2 1 vindent 1 Er Esample Eindent
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2 1 vsample
接触刚度S可由初始阶段的卸载曲线求得
dP S amhm1 dh Pmax
被测物体的的硬度H定义为最大载荷和接触 面积A的比值：
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接触式加载变形的加载方式
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硅、氮化硅、二氧化硅和一些金属膜。
测试对象： 杨式模量、断裂强度、疲劳特性、硬度等 基本机械特性。
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1. 拉伸测试法
拉伸测试是测量弹性模量、泊松 比、屈服强度和断裂强度等参数的最 直接的方法。 通过拉伸试验，能够获得包括材料 塑性变形在内的拉伸应力－应变全过 程曲线。
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拉伸测试方法有如下优点： 测试数据准确可靠，可以测试多种微机械 材料的力学性能参数。 拉伸测试确定弹性模量的方法符合ASTM标 准E111中关于弹性模量的定义，试验结果 容易理解，通用性强。 拉伸测试提供的目标参数与试样厚度成线 性关系，试样厚度测量不准确所引起的误 差比弯曲测试小的多。
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2.1 悬臂梁弯曲测试
弯曲粱测试试样的典 型结构为悬臂粱结构， 其加载装臵包括纳米 硬度仪及其类似装臵、 原子力显微镜等
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主要用于测定金属和非金属薄膜试样的杨氏模量 以及金属薄膜试样的屈服强度或脆性薄膜试样的断 裂强度。
PL3 4 PL3 3EI bEh3
4(1 v ) PL bEh3
th
1 f
Ef

f
s T
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内应力也称为本征应力，是在工艺过程中产生。
内应力的产生原因比较复杂，对于一定的基底材 料，它主要由上层材料的形成方法、具体工艺条 件以及基底的微观结构决定。 目前，各种理论如晶格失配杂质原子的存在、晶 界弛豫、原子空位的去除、化学反应、再结晶、 相变等都用来结束内应力产生的原因。 但是由于材料的多样性和生长工艺的多样性，每 一种理论都由自己的适用范围。
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谐振频率法测量精度较高，并且可以测量 拉应力和压应力，是目前MEMS应力和应变检 测中最常用的方法之一。
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3.2 加载变形法
加载变形法是测量MEMS结构应力和应变的常用测 试方法。通过精确测量作用在载荷和结构弯曲位移或 变形，并建立适当的理论模型或使用有限元方法进行 模拟，从而获得MEMS结构的应力和应变参数。 根据加载方式的不同,可以分为接触式(通过探针直 接在结构上加载)和非接触式(通过气压差、静电力等 在结构上加载)两种。
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缺点： 对于正方形和长方形受鼓膜实验，在加载 过程中，薄膜的4个尖角处将存在应力集中， 因此无法测出薄膜材料的断裂强度。
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5. 共振频率法
微结构的谐振频率与材料的弹性模量、剪切模量、 泊松比等材料特性参数密切相关，通过检测谐振 频率来计算微粱模量和泊松比是一种较早采用的 动态测试方法。
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四、 力、应力和应变的测量
MEMS结构中的应力与应变
应力、应变对MEMS结构的影响
MEMS结构中应力与应变的测量方法
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1. MEMS结构中的应力与应变
MEMS结构中的应力主要来源于热应力、内应力 与外应力。
热膨胀系数的差异是导致MEMS结构应力和应变
产生的主要原因，称为热失配应力。 热膨胀系数不同造成的应力为：
MEMS结构中的应力、应变会对加工出来 的微结构乃至器件的力学特性产生重要的影 响。
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3. MEMS结构中应力与应变的测量方法
谐振频率法 加载变形法 临界挠曲法 结构位移法 旋转指针法 硅片弯曲法 X 射线（XRD）法 拉曼光谱法
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3.1 谐振频率法 由于残余应力的作用，利用MEMS工艺加 工出的微梁结构将受轴向力作用，该轴向力 对均质等截面细长梁弯曲振动的谐振频率有 重要影响。通过检测其谐振频率，可以求出 相对应的应力、应变。这种方法称为谐振频 率法。 对于两端简支梁：
Pmax H A
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3.2 接触面积 用纳米压入法测量材料的杨氏模量和硬度，主要 困难是如何精确得到接触面积A和接触深度hc 。 实际中压头的接触面积A通常表示为一个级数：
A 24.5h Ci h
2 c i 1
7
1 i c 2

当压头压入被测材料时，压痕处既有弹性变形，也 有塑性变形，因此，压头的纵向位移h可以表示为：
n 2 EI AL2
AL
I
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对于两端固支梁：
实际测量中，：
当 最小时，对应的E和
即为所求。
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在谐振频率法中，可以通过各种方法激 励，包括静电方式、压电方式、光热方式、 声波方式等。
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谐振频率的检测: 三角测量法 多普勒干涉法 电容测试法 压电法 压阻法
4.79kjE EM t /[ N0 (1 v) D]
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1 2 P
化学气相沉淀（CVD）也是目前MEMS工艺 中最常用的薄膜生长工艺之一。 MEMS结构中的应力不仅包括热应力和本征 应力还存在外应力。
F
1.7410 n t f
9 2 2
5a
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2. 应力、应变对MEMS结构的影响
常用的激振装臵有压电陶瓷、电磁驱动和梳齿驱 动等 检测方法有激光多普勒干涉仪、迈克耳逊干涉仪 等测量振动的位移，最后确定出微结构的谐振频 率。
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优点：使用简单，避免了 试样夹持等困难。 缺点：测量的弹性范围有 限，测量误差较大，只 可以作为一种粗略的测 试方法。
bn L2 2 E ( 2 ) , n 1, 2,3,... n t
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图像数字相关法 该法利用原子力 显微镜测试单轴拉 伸状态下试样表面 的拓扑结构，用自 然表面粗糙度特征 作为分布式标记。 优点：能够得到 二维变形信息。
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光纤测量法 稳定条件下 其测量分辨率 为50 m 。
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4）机械框架 对于位移的测量
直接测量试样有效标距内的位移。 沿用传统的材料试验机设计思想，位移 传感器装在力传感器的尾部。
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加载过程中样品首先发生弹性形变，随着 载荷的增加，样品发生塑性变形，导致加 载曲线的非线性；卸载曲线却反映了被测 体的弹性回复过程 通过分析加载和卸载曲线，可以得到材料 的杨氏模量和纳米硬度
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3.1 杨氏模量和纳米硬度的测定 金刚石压头和待测材料（弹性或塑性材料） 之间的接触刚度定义为卸载曲线的初始斜率：
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溅射是目前MEMS工艺中最常用的薄膜沉淀工艺之
一。
影响残余应力的主要因素模型
该模型提出了三个方面的假设，即粒子轰击薄膜的表 面，使得薄膜中位于平衡态的原子受到碰撞而产生位 移，从而产生了体积的变形；薄膜是在温度比较低的 衬底上淀积，假定质量传输和缺陷迁移率足够低，使 得体积的变形发生在特定的位臵；体积的变形即应变 是与偏移平衡位臵的原子数成比例的
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3)位移测量
双视场标记法为了测 量位移，事先在试样 表面上沉淀氧化铬标 记点，再用高放大倍 数光学显微镜直接观 测试样变形所产生的 位移。 这种方法可以达到 1 m 的分辨率或更高 一点。
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干涉应变机标记法 利用干涉应变测 量位移的方法基于双 缝干涉测量的原理， 两个缝的距离可以通 过检测双缝产生的干 涉图样得到。
h hc h f
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4. 鼓膜法
鼓膜实验是最早用于研究薄膜力学性能的 技术之一 用机械的方法讲自由膜固定在一个具有圆 孔的衬底上，通过外加压力使薄膜凸起， 测量外加压力下薄膜中心的挠度（凸起高 度），然后将压力－挠度曲线转化为应力 －应变曲线，从而得到薄膜的力学性能。
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优点：可以避免薄膜单轴拉伸实验中因试样边 缘损伤而引起的早期缩颈失稳现象，试样的制备和 夹持也相对容易。
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目前，拉伸测试主要有3种发展趋势： 沿用传统的单轴拉伸法，主要解决测试分 辨率和试样的安装问题。 利用微加工技术把试样做成特殊结构，然 后将其他形式的作用力转化为拉力，一般 称为转化拉伸法。 利用微加工技术把驱动和试样集成在同一 芯片上，称作集成拉伸法。
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1.1 传统拉伸方法
一般来说，拉伸测试装臵主要包括5部分： 加载装臵、力传感器、位移传感器、机械 框架和夹具。 对于微拉伸实验来说，这5部分必须与微 试样相匹配。 微拉伸实验的难点主要在于如何提高载荷 和位移的测量精度，通过对试样的加工、 夹持和对中，以保持试样与拉力之间的同 轴性。 9
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三、 MEMS材料机械特性/力学性能的测试
在MEMS的设计和服役中，迫切需要了解下面几 个重要的力学特性:
弹性模量，理想材料在小形变时应力与相应的应变 之比。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模 量越大，越不容易发生形变。决定着器件的结构响 应特性； 残余应力，影响器件的成品率和服役性能； 断裂强度，设计承载构件中最重要的材料特性； 疲劳强度，决定器件长期服役的可靠性。
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缺点： 此方法虽然简单方便，但是影响其测试精 度的因素很多；如试样几何尺寸、粱的高 度、试样腐蚀加工时根部的加工形状、在 大挠度时压头滑动、载荷挠度的非线性等 粱的大变形和边界应力集中可能导致试验 数据难以解释，需要建立适当的理论模型 以及使用有限元方法进行模拟，从而获得 微试样的力学性能参数
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MEMS试样的特征长度一般在lmm以下，这给实 验带来一系列困难。
如：如何制作、夹持、对中(保持试样与拉力之间的同 轴性)微小试样、如何提高载荷和位移测量的分辨率、 如何模拟MEMS器件的实际结构和应力状态、如何完 善理论模型等。
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微尺度材料特性参数测量方法：
拉伸测试法、弯曲测试法、纳米压入法、 鼓膜法、共振频率测试法等。 测试材料：
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5）试样制作 注意： 应将试样制作在保护 性框架内或基底上。 试样被夹具夹持的面 积应远大于试样的横 截面积。
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6）试样的夹持与对中 胶粘固定方式
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机械夹持方式
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静电夹持方式
k 0 AV 2 F 2d 2
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虽然拉伸的结果比较稳定，但是对测试设 备的要求也较高。 不对齐容易在试样上出现未知弯矩并导致 试样过早断裂，因此对齐对单轴拉伸试样 的断裂强度测量尤为重要。
2 3
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6 LPy bh
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2.2 集成弯曲测试
集成弯曲测试法是一种利用微加工技术将试样和 加载装臵等集成在同一器件内的新方法。通过改变 驱动信号，可以进行试样的弯曲和疲劳断裂试验。
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3. 纳米压入法 纳米压入法具有极高的位移分辨率(1nm)和 加载精度(72nN)，可以记录加载与卸载过程 中的载荷P-位移h曲线。 纳米压痕实验包括加载、停留和卸载三个过 程