500 1000 1500 2000
Fused silica
100 200 300 400 500 Displacement (nm)
Elastic/Plastic Indentations
• For an ideally plastic indentation, hc ≈ ht
ht = hc
INDENTER
基本构件
主要有细丝、悬臂梁、微桥、薄膜、齿轮和微轴承等。
－当构件细微到微米/纳米尺度后，材料本身的力学、物理性质及 其受环境的影响程度有很大变化，会出现强烈的尺寸效应、表面效 应，传统的力学性能参数已不能满足MEMS微结构的设计要求。
－目前，硅类薄膜材料的电学、化学特性均得到了充分的了解，但 对其力学性能的了解还甚少，主要原因是力学性能测试技术未能跟 上，同时也阻碍了MEMS的设计和发展。
• Fused silica, typical of ceramic behavior, shows large elastic recovery upon unloading
Load (mN)
Load (mN)
30 25 20 15 10
5 0
0
30 25 20 15 10
5 00
Aluminum
Vicker’s 式探头
• Diagonal, D, is measured optically after removal of load
• Vickers: D = 7h
• Knoop: D = 30.5h
Vicker's D
h
Knoop D
Hardness & Young’s Modulus
MEMS器件的开发热点：传感、致动、射频（RF）、光学、生化 和医学等不同领域。
所使用的材料：单晶硅、和在其上形成的微、亚微米级厚的薄膜 为主。
薄膜主要有：单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅和一些金属、和 一些高分子材料。
制造方法
化学沉积、溅射、电镀等方法形成薄膜，再经光刻、蚀刻、牺牲层 腐蚀、体硅腐蚀等形成各种形状，构成微机械结构。
slope = S h
t
0 0 100 200 300 400 500 600 Displacement (nm)
Modeling the P-h behavior
• The unloading curve follows a power law
• Contact stiffness is the slope of the unloading curve
SAMPLE e.g. Cu
• For an elastic/plastic indentation, hc < ht
ht hc
INDENTER
SAMPLE e.g. Al2O3
Stiffness From Unloading
Load (mN)
30
20
hn, Pn
10
h for = 0.75
c
here, both H and E require load, depth and stiffness for calculations
HP A
Er
S A
1 2
Load-Displacement Behavior
• Aluminum, typical of soft metallic behavior, shows very little displacement recovery upon unloading
－MEMS器件的特征长度一般小于1mm,因而，测试设备和方法成为最 大难题。如：如何制作、夹持、对中微小试件，如何提高载荷和位 移的分辨率等。
－自从1982年诞生了的一台扫描隧道显微镜（STM）后，人们才对 微/纳观尺度的观测有了新手段。之后，又有了原子力显微镜 （AFM）和纳米压痕测试系统，从而极大的推动了微/纳尺度下材 料的性能测试研究。
AFM带有许多的功能模块，分为接触式和非接触式两大类。 接触式
压痕法
－可测得：硬度、杨氏模量、弹－塑性变形、随时间的蠕变/ 松弛效应、断裂韧性、疲劳强度等。
Load
• Apply a specific load on a diamond indenter
• The residual impression after load removal is a measure of hardness
• Contact depth is determined from the displacement, load, and contact stiffness
－由表面效应引起的粘着失效（adhesion failure）是MEMS中的主 要破坏模式之一，已引起人们的关注。
MEMS的设计和服役中需了解的力学特性
①弹性模量：决定着器件的结构响应特性；
②残余应力：影响器件的成品率和服役性能；
③断裂强度：设计承载结构中最重要的材料特性；
④疲劳强度：决定器件长期服役的可靠性；
MEMS材料力学性能的测试技术
MEMS技术的迅发展，推动了所用材料微尺度力学性能测试技术 的发展。
MEMS的定义： microelectromechanical system(微电子机械系统) 是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统。
MEMS所独有的优点（小体积、大批量、低成本、可靠性），近 十年来已成为世界各发达国家高新技术领域研究的热点。
• Hardness is the mean pressure the material will support
• Young’s modulus is calculated from the composite response
modulus, Er • Though not shown explicitly
STM的构造及测试原理
－当探针与被测试件足够接
近时，将会发生隧道效应，
产生隧道电流;
nm
－相对距离的变化使隧道电
流发生很大变化，通过反馈
系统调节探针的高度来维持
电流为常值，从而得到被测
试件的表面物理特征。
AFM的构造及测试原理
＋ V
－
反馈系统
STM原理示意图
同STM类似，其反馈系统不是电流，而是探针和试样表 面的作用力。一般和探针相联结的是一个悬臂梁结构， 通过光信号对悬臂梁的弯曲作用反馈控制，以此来识别 表面的物理特征。