微纳测试(5)(部编)课件

1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402shiyunbo@2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3三、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。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。45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：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。61.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。7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。8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。91.1传统拉伸方法一般来说，拉伸测试装置主要包括5部分：加载装置、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。101)加载方式马达驱动加载压电驱动加载电磁驱动加载112)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12另一种典型的载荷测量装置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。133)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的分辨率或更高一点。14

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。15

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。

174）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。185）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。196）试样的夹持与对中胶粘固定方式20

机械夹持方式21

静电夹持方式22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。231.2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。241.2集成拉伸测试252.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。26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272.1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，其加载装置包括纳米硬度仪及其类似装置、原子力显微镜等28

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。292.2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置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。303.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31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323.1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：

接触刚度和约化杨氏模量之间的关系：33接触刚度S可由初始阶段的卸载曲线求得被测物体的的硬度H定义为最大载荷和接触面积A的比值：343.2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：

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：354.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。36

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。37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。385.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。常用的激振装置有压电陶瓷、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。39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。40四、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411.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：42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。

43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置；体积的变形即应变是与偏移平衡位置的原子数成比例的44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。452.应力、应变对MEMS结构的影响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。463.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473.1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：48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。49

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。50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51

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。523.2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。53接触式加载变形的加载方式54非接触加载方式

气压加载方法（鼓膜实验）55

静电加载变形法563.3临界挠曲法

利用牺牲层的方法释放出MEMS微梁结构后，微梁结构中原有的应力也被释放出来，当释放应力值大于某个临界值时，微梁结构就会发生屈曲。测拉应力时，须将拉应力转化为压应力。573.4结构位移法

结构位移法将应力转化为结构位移来进行测量，结构位移与应力之间存在着一定的数学模型。应力与应变之间满足关系：583.5旋转指针法

旋转指针法的出发点是将应变转变成容易测量的角度或者位移。两边梁的应变会使中间梁发生旋转，中间梁的一端可以做成指针形式，这样当两个结构放在一起测量时，可以很方便的测量出两个中间梁发生的相对位移，从而得出相应的偏转角度。当薄膜应力为拉应力时，在薄膜被释放后，薄膜会产生收缩，即两个测试梁的长度变短，所形成的力矩造成指针梁按顺时针方向旋转；反之，则逆时针。

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设计时可以通过增加指针梁的长度和减少两个旋转点的距离来提高灵敏度，但是需要保证指针梁不因为重力或应力而接触到衬底，以保证旋转点处在拉应力时不发生断裂和压应力时不发生弯曲。60613.6硅片弯曲法

通过MEMS薄膜生长工艺在硅片基底上沉淀的薄膜材料中如果存在应力，会造成整个硅片基底的弯曲，其中拉应力使基底成凹形，压应力使基地成凸形，Stoney公式：给出了应力和应变变形量之间的关系。623.7X射线（XRD）法

X射线衍射法的依据是X射线衍射原理，即布拉格（Bragg）定律。布拉格定律把宏观上可以准确测定的衍射角同材料中的晶面间距建立起确定的关系，即：

由于当MEMS结构材料中有应力存在时，其晶面间距d必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角也会相应改变。应此可通过测量衍射角随晶面取向不同而发生的变化来求应力。63目前常用的衍射几何方式有同倾法和侧倾法：

同倾法的衍射几何布置特点是测量方向平面和扫描平面重合，的变化受角大小的制约，不利于复杂MEMS结构的应用，特别是无高衍射线的材料进行宏观应力测定。侧倾法的衍射几何布置特点是测量方向与衍射平面垂直，侧倾法需要有可绕水平轴转动的试样架，使试样能作倾动，同时也要有可绕垂直轴转动的能力。

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X射线衍射法可在一个很小的区域内对材料的组成相中的残余应力进行无损测量，适用于膜厚小于10um的薄膜中残余应力的测量。653.8拉曼光谱法

对散射光进行光谱分析，可以发现散射光中除了含有与入射光相同频率的光外，还包含有与入射光不同频率的光，这种现象称为拉曼散射。其产生可以通过能级之间的跃迁来解释。66

很多材料和结构的拉曼谱线的位置会随应变状态的变化长生相应的移动，因此可以通过拉曼光谱的方法测量应变。673.9各种方法特点的比较与总结68

综合目前国际上各种MEMS结构应力、应变的检测方法有如下特点：1、采用无损的微加载技术。2、采用非接触式测量技术。3、采用显微观测技术。4、采用微弱信号提取和处理技术。5、由于MEMS制造工艺的不同对结构的应力、应变有很大的影响，因此用于测量应力、应变的结构样品要易于制造，而且能够同时和MEMS器件设计在一起进行测量，这样才能够为MEMS的器件设计提供准确的参考数据。69五、微位移、速度、加速度和振动等微

机械量的测量

对MEMS的机械运动参数如位移、速度、振幅、频率等进行精确测量，已经成为MEMS发展的迫切要求。目前，微机械量的测量方法主要有电测法和光测法。其中，电测法包括压阻测试法、电容测试法、电感测试法、压电测试法等，具有简单实用、稳定性好、信号分析处理容易等特点，在微机械量测量中占有重要的地位。70计算机微视觉与频闪光照明技术在微机械量检测中的应用

将频闪照片技术与计算机微视觉技术结合可对MEMS微结构的周期以及可周期重复的运动进行有效检测。71CMVS是集光学显微镜、视觉成像和机器视觉技术为一体的可实现实时、可视化检测的运动参数检测平台。运用这套系统对MEMS进行检测，可以实现面内(in-plane)运动检测分辨率小于2.5nm，离面(out-of-