微机电系统的尺度效应对材料性能的影响

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    当设计一个微制造形成的器件时，必须意识到薄膜材料的性能与材料在块或宏观形式下的性能大相径庭。这些不同是由于薄膜材料和块材料的制备工艺不同所导致的。另一个导致不同的起因是均质性的假设，这假设对块材料通常是足够准确的；但是对于器件大小与材料晶粒尺寸处于同一尺度的情况下，该假设是错误的。其它在微尺度范围内的材料性能变化也一样。因此晶粒形状以及其它特性的改变对MEMS产品的生产和实施影响很大。MEMS的尺度效应表现出来的另一个特性是密度方面，由于材料的缺陷减少，一些MEMS器件的可靠性，特别是一些简单的机构（如悬臂梁），要比它们的宏观版本的强度好得多。然而，由于MEMS系统表面与体积的高比率特征，必须更关注于控制它们的表面性能。

    由于尺度效应，一些重要的材料性能特性（包括弹性模量、泊松比、断裂强度、屈服强度、表面残余应力、硬度、疲劳特性、传导率等） 与宏观条件下的不同，对它们的测量也显得困难重重。并且由于微制造工艺的柔性变化，如果对制造工艺缺乏严密控制，那么所制造出的单个薄膜与薄膜之间，它们的材料性能都可能不相同。尽快建立MEMS材料数据库，建立健全的材料性能评估体系，包括标准的实验测试方法、高精度的测试仪器，已经成为MEMS技术发展的“瓶颈”。美国Sandia国家实验室、Berkeley和MIT等研究MEMS著名的机构的网页上都将建立MEMS材料数据库作为当前MEMS研究的主要工作之一。