CN101520385A - 微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测量方法和相应的测试装置。通过将具有悬浮膜片的薄膜测试结构固定在具有气体通道的样品台上，通过向悬浮膜片一侧施加差分压力使悬浮膜片向另一侧变形凸起，测量在外加压力下的膜片中心挠度即膜片最大挠度，逐渐增加压力至悬浮膜片破裂，通过测量压力-挠度变化曲线，根据理论计算模型提取获得被测薄膜材料力学性能和可靠性相关参数：平面应变模量、杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等。本发明采用非接触式光学方法，利用数据采集和控制单元自动执行挠度测量，具有样品制备和测试简单，测量精度高，操作灵活方便，测试效率高的特点。

Description

微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法和装置

技术领域

本发明涉及微机电系统，尤其涉及用于测量微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性参数的测试方法和装置。

背景技术

微机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)是指集微型传感器、执行器、信号处理与控制电路、接口电路和电源等于一体的微型机电系统。MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等优点，因此在汽车、通信、生物医学、消费产品、航空航天和国防等领域都具有广泛的应用前景。随着MEMS设计方法和加工工艺不断发展和成熟，越来越多的MEMS器件被成功制备出来，如压力传感器、谐振器等。

MEMS器件的性能与所选材料及其力学性能参数密切相关。MEMS器件所使用的结构材料以厚度在微米、亚微米级的薄膜材料为主，包括单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、金属和高分子材料等。当进入微米/纳米尺度后，由于尺寸效应、表面效应和微观结构的影响，薄膜材料的物理、力学性质及受环境影响的程度与宏观体材料相比会有显著变化，体材料的力学性能参数不能外推用于MEMS器件所采用的薄膜材料。其次，用于宏观体材料的传统测试方法也无法适用于薄膜材料的测试。因此，迫切需要开发适用于薄膜材料的新型测试方法和装置，使设计者获得准确可靠的薄膜材料力学性能参数，从而为预测MEMS器件性能、优化MEMS器件设计和确保MEMS器件寿命与可靠性提供指导。

适用于MEMS薄膜材料的力学性能测试方法及装置必须具有准确、快速、简单的特点。目前关于薄膜材料力学性能参数的测试方法已有一些报道，如微拉伸法、微梁弯曲法等。T.Tsuchiya等人采用静电力夹持的方式实现对微拉伸样品的单轴拉伸加载，微拉伸法的理论模型直接简单，可以测量表征薄膜材料的杨氏模量、断裂强度和刚度。T.P. Weihs等人采用压头对悬臂梁自由端加载，通过记录压头的载荷与位移可以得到被测材料的杨氏模量和断裂强度。

但是，这些测试方法的样品制备工艺大多比较复杂，需要对被测薄膜进行刻蚀等图形化工艺，加工工艺对被测薄膜的损伤和影响无法消除。同时，这些测试方法大多采用硬接触的方式加载样品，容易损伤样品；而且，样品的夹持与对准非常困难，测量较复杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供可准确、方便地测试微机电系统薄膜材料的力学性能与可靠性的测试方法和装置，其中，测试样品制备和测试简单，样品操作安全，测试效率高，无需复杂的测试设备和苛刻的测试环境。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法，该方法包括：

对测试结构中悬浮膜片进行压力～挠度测量；

根据测量出来的压力～挠度参量的变化关系，采用根据理论计算模型编制的数学处理程序提取被测材料薄膜的力学性能和可靠性相关参数。

优选地，该方法在进行压力～挠度测量步骤之前进一步包括：制备所述测试结构，该制备过程具体包括：在衬底3上形成所述测试结构的被测材料薄膜2，通过从背面腐蚀所述衬底3而形成空腔7，使空腔7上方的所述被测材料薄膜2部分区域形成所述悬浮膜片6。

优选地，所述悬浮膜片6的形状是矩形、正方形或圆形的一种，同一衬底3上可制备具有多个所述悬浮膜片6的阵列。

优选地，所述对测试结构中悬浮膜片进行压力～挠度测量包括：施加一压力于测试结构中悬浮膜片6的一侧，使所述悬浮膜片6产生变形而向另一侧凸起，同时测量在给定压力下的所述悬浮膜片6的中心挠度，该中心挠度为悬浮膜片6的最大挠度，逐渐增加压力直至所述悬浮膜片6破裂。

优选地，所述施加一压力于测试结构中悬浮膜片6一侧的步骤具体包括：将压力通过气体通道8施加在所述测试结构的悬浮膜片6靠近空腔7的一侧，或者将测试结构翻转使空腔7朝上，将压力施加在悬浮膜片6远离空腔7的一侧使悬浮膜片6向空腔7内变形凸起；所述测量在给定压力下的所述悬浮膜片6的中心挠度，并逐渐增加压力直至所述悬浮膜片6破裂的步骤具体包括：通过非接触式光学方法测量在给定压力下的悬浮膜片6中心挠度，该中心挠度为悬浮膜片6最大挠度，逐渐增加压力直至悬浮膜片6破裂，逐个对测试结构的悬浮膜片6进行测试。

优选地，所述根据测量出来的压力～挠度参量的变化关系，采用根据理论计算模型编制的数学处理程序提取被测材料薄膜的力学性能和可靠性相关参数的步骤，是通过将测量出来的压力～挠度参量的变化关系代入精确的综合理论计算模型，精确计算获得被测材料的力学性能和可靠性相关参数：平面应变模量、杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度。

为达到上述目的，本发明还提供了一种微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试装置，该装置包括：

样品台4，用于放置测试结构，所述测试结构包括衬底3和所述衬底3上的被测材料薄膜2，所述样品台4放置在步进电机移动台上5，所述测试结构可跟随所述样品台4在水平面内移动；

压力控制器9，其压力输入端与压力源连接，压力输出端与所述样品台4的气体通道8连接，用于向悬浮膜片6一侧施加压力，直至悬浮膜片6破裂；

位移传感器1，用于测量在给定压力下悬浮膜片6的表面轮廓曲线，以获得悬浮膜片6中心挠度；

数据采集和控制单元10，用于控制压力控制器9向悬浮膜片6一侧施加压力，控制步进电机移动台5并带动样品台4在水平面内移动，测量悬浮膜片6的中心挠度随施加压力的变化关系，并记录数据。

优选地，所述测试结构通过粘接固定在样品台4上，所述样品台4放置在一个步进电机移动台上，数据采集和控制单元10通过控制步进电机移动台实现样品台4在水平面内移动。

优选地，所述位移传感器1在测量时位于待测悬浮膜片6正上方，通过光学方法测量悬浮膜片6中心挠度，位移传感器1在测量过程中不接触被测薄膜材料2。

优选地，所述数据采集和控制单元10实现压力步进增加和悬浮膜片6中心挠度精确测量的自动交替进行，通过对悬浮膜片6的表面轮廓曲线进行倾斜误差修正来找平，数据采集和控制单元10的数据输出采用多种形式输出，直接应用于理论计算模型。

(三)有益效果

1、采用本发明提供的测试方法和装置，可以对MEMS器件所使用的各种常用薄膜材料的力学性能和可靠性进行精确地测试表征，为预测MEMS器件性能、优化MEMS器件设计和确保MEMS器件寿命与可靠性提供了参考和支持，为满足MEMS器件设计领域对薄膜材料力学性能和可靠性测试的迫切需求建立了基本方法和手段。

2、采用本发明提供的测试方法和装置，采用粘接方式固定样品，可保证在高压负载下良好的气密性和气压稳定性，并在测试完成后方便取下测试结构，采用流体压力均匀加载并采用非接触式光学方法测量挠度，其样品测试简单，样品操作安全，不易损伤样品。本发明所介绍的测试装置通过数据采集和控制单元可实现压力步进增加和中心挠度测量的自动交替进行，测试效率高。

3、采用本发明提供的测试方法和装置，利用背面腐蚀衬底释放悬浮膜片结构，因此与其它测试方法相比其样品制备非常简单，大大提高了样品制备成品率。同时被测薄膜在淀积之后不经过任何图形化工艺，保持连续完整，其受工艺过程的影响几乎可以忽略，有助于获得被测薄膜材料的准确的力学性能参数。

4、采用本发明提供的测试方法和装置，在制备测试结构时，通过利用背面腐蚀衬底释放悬浮膜片结构，因此样品制备非常简单，成品率高。

5、采用本发明提供的测试方法和装置，测试获得压力和挠度的变化关系数据，使用精确的综合理论计算模型，可以精确计算获得被测MEMS薄膜材料的力学性能和可靠性参数：平面应变模量，杨氏模量，残余应力，断裂强度。

附图说明

图1是微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试装置组成示意图。

图2是待测试具有悬浮膜片的样品结构示意图。

图3是利用图1所示测试装置进行测试的示意图。

图4是本发明提供的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试的方法流程图。

图5是依照本发明实施例、采用本发明的测试装置和测试方法对一个碳化硅样品的测试结果曲线和理论拟和曲线结果图。

图6是依照图5所述实施例进行测试的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的测试装置包括样品台4，压力控制器9，位移传感器1，数据采集和控制单元10。

其中，样品台4用于放置测试结构，所述测试结构包括衬底3和所述衬底3上的被测材料薄膜2，所述样品台4放置在步进电机移动台上5，所述测试结构可跟随所述样品台4在水平面内移动。所述测试结构通过粘接固定在样品台4上，所述样品台4放置在一个步进电机移动台上，数据采集和控制单元10通过控制步进电机移动台实现样品台4在水平面内移动。

压力控制器9，其压力输入端与压力源连接，压力输出端与所述样品台4的气体通道8连接，用于向悬浮膜片6一侧施加压力，直至悬浮膜片6破裂。

位移传感器1，用于测量在给定压力下悬浮膜片6的表面轮廓曲线，以获得悬浮膜片6中心挠度。所述位移传感器1在测量时位于待测悬浮膜片6正上方，通过光学方法测量悬浮膜片6中心挠度，位移传感器1在测量过程中不接触被测薄膜材料2。

数据采集和控制单元10，用于控制压力控制器9向悬浮膜片6一侧施加压力，控制步进电机移动台5并带动样品台4在水平面内移动，测量悬浮膜片6的中心挠度随施加压力的变化关系，并记录数据。所述数据采集和控制单元10实现压力步进增加和悬浮膜片6中心挠度精确测量的自动交替进行，通过对悬浮膜片6的表面轮廓曲线进行倾斜误差修正来找平，数据采集和控制单元10的数据输出采用多种形式输出，直接应用于理论计算模型。

将测试结构通过粘接固定在样品台4上，可在高压负载下保证良好的气密性，并在测试完成后方便取下测试结构。样品台4放置在一个步进电机移动台5上，数据采集和控制单元10通过一个数字运动控制器来控制精密步进电机移动台以实现样品台4及测试结构在水平面内移动，使样品台4上的待测悬浮膜片6在测试时位于位移传感器1下方。

压力控制器9的压力输入端与压力源连接，压力输出端与样品台4的气体通道8连接。数据采集和控制单元10通过控制压力控制器9向悬浮膜片6一侧施加压力，使悬浮膜片6产生变形而向另一侧凸起。可以将压力施加在测试结构的悬浮膜片6靠近空腔7的一侧，使悬浮膜片6向远离空腔7的一侧变形凸起，也可以将测试结构翻转使空腔7朝上，将压力施加在悬浮膜片6远离空腔7的一侧，使悬浮膜片6向空腔7内变形凸起。压力控制器9采用商业化的压力控制器，可实现精度为±80Pa的稳定差分压力控制，并且可以通过RS232通讯端口返回当前压力值。

如图2所示，通过非接触式光学方法测量在给定压力P下悬浮膜片6的表面轮廓曲线以获得悬浮膜片6中心挠度即悬浮膜片6最大挠度W₀，逐渐增加压力直至悬浮膜片6破裂，逐个对测试结构的悬浮膜片6进行测试。位移传感器1采用商业化的自动聚焦激光位移传感器，可实现垂直分辨率10nm、水平分辨率1μm的位移测量。位移传感器1在测量过程中位于待测悬浮膜片6正上方，不接触被测材料薄膜2。位移传感器1测量得到的悬浮膜片6的表面轮廓曲线数据通过RS232通讯端口输入到数据采集和控制单元10。

数据采集和控制单元10可实现压力步进增加和悬浮膜片6中心挠度测量的自动交替进行。通过对悬浮膜片6的表面轮廓曲线进行倾斜误差修正来找平可减小因测试结构放置倾斜带来的误差。数据采集和控制单元10的数据输出可以多种形式输出，直接应用于理论计算模型。

对被测材料薄膜2的厚度和悬浮膜片6的几何尺寸进行测量。通过将测量出来的压力、挠度参量的变化关系及被测材料薄膜2的厚度和悬浮膜片6的几何尺寸数据，代入与悬浮膜片6形状相对应的理论计算模型，可以精确计算获得被测材料薄膜2的力学性能和可靠性相关参数：平面应变模量，杨氏模量，泊松比、残余应力，断裂强度等。

本发明提供的利用图1所示测试装置进行测试的过程如图3所示，图3是利用图1所示测试装置进行测试的示意图。数据采集和控制单元10采用一个测试控制系统向数字压力控制器9和步进电机移动台5分别发出压力和运动控制信号，数字压力控制器9向测试结构产生激励信号(差分压力)，测试结构在激励信号作用下产生响应信号(挠度)并被位移传感器1接收，位移传感器1接收的数据信号通过通讯端口返回到数据采集和控制单元10的测试控制系统。将获得的测量数据输入计算分析单元即可提取获得被测材料薄膜2的力学性能和可靠性相关参数：平面应变模量、杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度。测试控制系统基于虚拟仪器技术编制，包括电机控制模块、压力控制模块和数据采集模块，实现了控制测试装置、采集测量数据和分析保存数据的功能。

基于图1所示的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试装置组成示意图，图4示出了本发明提供的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试的方法流程图，包括以下步骤：

步骤401：对测试结构中悬浮膜片进行压力～挠度测量；

步骤402：根据测量出来的压力～挠度参量的变化关系，采用根据理论计算模型编制的数学处理程序提取被测材料薄膜的力学性能和可靠性相关参数。

上述步骤401之前进一步包括：制备所述测试结构，该制备过程具体包括：在衬底3上形成所述测试结构的被测材料薄膜2，通过从背面腐蚀所述衬底3而形成空腔7，使空腔7上方的所述被测材料薄膜2部分区域形成所述悬浮膜片6。所述悬浮膜片6的形状是矩形、正方形或圆形的一种，同一衬底3上可制备具有多个所述悬浮膜片6的阵列。

上述步骤401中所述对测试结构中悬浮膜片进行压力～挠度测量包括：施加一压力于测试结构中悬浮膜片6的一侧，使所述悬浮膜片6产生变形而向另一侧凸起，同时测量在给定压力下的所述悬浮膜片6的中心挠度，该中心挠度为悬浮膜片6的最大挠度，逐渐增加压力直至所述悬浮膜片6破裂。

在施加一压力于测试结构中悬浮膜片6的一侧的步骤之前进一步包括：制备所述测试结构，该制备过程具体包括：在衬底3上形成所述测试结构的被测材料薄膜2，通过从背面腐蚀所述衬底3而形成空腔7，使所述空腔7上方的所述被测材料薄膜2部分区域形成所述悬浮膜片6。所述悬浮膜片6的形状是矩形、正方形或圆形的一种，同一衬底3上可制备具有多个所述悬浮膜片6的阵列。

上述施加一压力于测试结构中悬浮膜片6的一侧的步骤具体包括：将压力通过气体通道8施加在所述测试结构的悬浮膜片6靠近空腔7的一侧，或者将测试结构翻转使空腔7朝上，将压力施加在悬浮膜片6远离空腔7的一侧使悬浮膜片6向空腔7内变形凸起。

上述测量在给定压力下的所述悬浮膜片6的中心挠度，并逐渐增加压力直至所述悬浮膜片6破裂的步骤具体包括：通过非接触式光学方法测量在给定压力下的悬浮膜片6中心挠度，该中心挠度为悬浮膜片6最大挠度，逐渐增加压力直至悬浮膜片6破裂，逐个对测试结构的悬浮膜片6进行测试。

上述根据测量出来的压力～挠度参量的变化关系，采用根据理论计算模型编制的数学处理程序提取被测材料薄膜的力学性能和可靠性相关参数的步骤，是通过将测量出来的压力～挠度参量的变化关系代入精确的综合理论计算模型，精确计算获得被测材料的力学性能和可靠性相关参数：平面应变模量、杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度。

结合图4，本发明提供的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试的方法具体包括如下步骤：测试结构的制备、测试结构的加压测试以及对测试结果进行分析提取获得被测薄膜材料的力学性能与可靠性参数。

上述测试结构的制备步骤如下：将被测材料薄膜2淀积在衬底3上，被测材料薄膜2的淀积工艺可以是传统的化学气相沉积法(CVD)，物理气相沉积法(PVD)等。然后，在衬底3背面淀积一层薄膜，该薄膜用作对衬底3进行腐蚀时的掩模，对该薄膜进行光刻和干法刻蚀形成图形窗口。将背面带有掩模图案的衬底3置于湿法腐蚀剂中，掩模层薄膜的图形窗口中被暴露出来的衬底3被腐蚀掉，形成空腔7，从而使被测材料薄膜2部分区域形成悬浮膜片6。

悬浮膜片6的形状是矩形、正方形或圆形中的一种，同一衬底3上可以同时制备具有多个悬浮膜片6的阵列。

在测试结构的工艺制备过程中，被测材料薄膜2不经过任何图形化工艺，因此保持了完整连续。

在衬底3的腐蚀过程中，使用保护装置将衬底3的被测材料薄膜2一侧密封保护，使得被测材料薄膜2不接触湿法腐蚀剂，因此测试结构的工艺制备过程对被测材料薄膜2的影响几乎可以忽略。

以下结合具体的实施例对本发明微机电系统材料力学性能与可靠性的测试方法作进一步说明。图5是依照本发明实施例采用本发明的测试装置和测试方法对一个碳化硅样品的测试结果曲线和理论拟曲线图。测试结构制备、样品测试流程及数据分析过程分别介绍如下：

使用低压化学气相沉积法(LPCVD)在(100)硅衬底上淀积3C-SiC薄膜，使用扫描电子显微镜测量薄膜厚度为0.40μm。在硅衬底背面采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)淀积的氮化硅薄膜作为湿法腐蚀掩模。采用氢氧化钾水溶液作为湿法腐蚀剂，从硅衬底背面湿法腐蚀硅衬底，制备得到形状为长矩形的3C-SiC悬浮膜片阵列。

使用本发明介绍的测试方法和相应的测试装置，对长度为4026μm、宽度为524μm的3C-SiC悬浮膜片进行测试。使用基于虚拟仪器技术开发的测试控制模块执行自动测试，悬浮膜片的破裂压力为3.42×10⁵Pa。

如图6所示，图6是依照图5所述实施例进行测试的方法流程图，具体测试流程如下：

(1)启动程序，设置运动初始点和终止点，运动速度和挠度测量采点间距，初始压力、最大压力和压力步进值。压力步进值可以根据需要设置，可以设置每次增加3×10³Pa，或每次增加6×10³Pa等等。

(2)执行自动测试，向悬浮膜片一侧输出一个压力值，沿着悬浮膜片宽度方向进行扫描，获得悬浮膜片的表面轮廓曲线，对悬浮膜片的表面轮廓曲线进行倾斜误差修正以减小因测试结构放置倾斜带来的误差，比较悬浮膜片中心位置相对于未发生变形凸起的基准点在修正后的高度差作为悬浮膜片在给定压力值下的中心挠度。

(3)关闭压力控制器的压力输出，判断压力控制器的压力输出端的压力值，如果压力值迅速降低，则表明悬浮膜片破裂无法维持设定压力，程序自动停止并给出这时加在测试结构上的差分压力，这个压力值就是破裂压力。如果压力值保持不变，则表明悬浮膜片尚未破裂。在等待设定的时间间隔后继续进行测试。

(4)当悬浮膜片破裂时，程序自动停止，并将测量得到的悬浮膜片在破裂前的压力—挠度变化关系数据输出为数据文件，保存于数据采集和控制单元，此处数据采集和控制单元为计算机。

矩形膜的宽度是a，长度是b，厚度是h。碳化硅薄膜材料的杨氏模量是E，泊松比是v，残余应力是s₀，平面应变模量E_ps＝E/(1-v²)，硅衬底的平面应变模量是

。基于薄板理论可以推导出矩形膜在压力作用下产生平面应变变形的平衡方程。

$D_2\frac{d^4}{{\mathrm{dx}}^4}w\left(x\right)-S\frac{d^2}{{\mathrm{dx}}^2}w\left(x\right)=P$

其中D₂＝Eh³/12(1-v²)， $S=S_0+\frac{D_0}{2a}{\∫}_{-a/2}^{a/2}{\left(\frac{\mathrm{dw}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}\right)}^2\mathrm{dx},$ S₀＝s₀h，D₀＝Eh/(1-v²)。

根据弹性固支边界条件

w(x)|_±a/2＝0

$D_2\frac{d^2}{{\mathrm{dx}}^2}w\left(x\right){|}_{a/2}+K_r\frac{d}{\mathrm{dx}}w\left(x\right){|}_{a/2}=D_2\frac{d^2}{{\mathrm{dx}}^2}w\left(x\right){|}_{-a/2}-K_r\frac{d}{\mathrm{dx}}w\left(x\right){|}_{-a/2}=0$

其中 $K_r=\frac{E_{\mathrm{ps}}^{*}{h}^2}{12k_r},$ k_r是与结构形状相关的系数，对于固定在硅衬底上的悬浮膜片，k_r取0.75。

求解上述矩形膜平面应变变形的平衡方程，可以推导出矩形膜的压力—挠度关系的解析表达式。

$w\left(x\right)=\frac{P}{2S}[a^2(\frac{1}{4}-{\left(\frac{x}{a}\right)}^2)-\frac{(2D_2+{\mathrm{aK}}_r)(\cosh \left(\frac{1}{2}\sqrt{\frac{a^{2}S}{D_2}}\right)-\cosh \left(\sqrt{\frac{x^{2}S}{D_2}}\right))}{S\cosh \left(\frac{1}{2}\sqrt{\frac{a^{2}S}{D_2}}\right)+K_r\sqrt{\frac{S}{D_2}}\sinh \left(\frac{1}{2}\sqrt{\frac{a^{2}S}{D_2}}\right)}]$

将获得的压力—挠度变化关系数据代入基于矩形理论模型的计算分析单元，由图5可以看出，实验测试结果曲线与理论拟和曲线吻合得很好。

提取得到3C-SiC薄膜材料的残余应力s₀为279MPa，断裂强度s_max为6.62GPa，平面应变模量E_ps为365GPa，取文献报道的3C-SiC薄膜泊松比v为0.168，可计算得到杨氏模量E为355GPa。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法，其特征在于，该方法包括：

对测试结构中悬浮膜片进行压力～挠度测量；

根据测量出来的压力～挠度参量的变化关系，采用根据理论计算模型编制的数学处理程序提取被测材料薄膜的力学性能和可靠性相关参数。

2、根据权利要求1所述的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法，其特征在于，该方法在进行压力～挠度测量步骤之前进一步包括：制备所述测试结构，该制备过程具体包括：

在衬底(3)上形成所述测试结构的被测材料薄膜(2)，通过从背面腐蚀所述衬底(3)而形成空腔(7)，使空腔(7)上方的所述被测材料薄膜(2)部分区域形成所述悬浮膜片(6)。

3、根据权利要求2所述的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法，其特征在于，所述悬浮膜片(6)的形状是矩形、正方形或圆形的一种，同一衬底(3)上可制备具有多个所述悬浮膜片(6)的阵列。

4、根据权利要求1所述的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法，其特征在于，所述对测试结构中悬浮膜片进行压力～挠度测量包括：

施加一压力于测试结构中悬浮膜片(6)的一侧，使所述悬浮膜片(6)产生变形而向另一侧凸起，同时测量在给定压力下的所述悬浮膜片(6)的中心挠度，该中心挠度为悬浮膜片(6)的最大挠度，逐渐增加压力直至所述悬浮膜片(6)破裂。

5、根据权利要求4所述的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法，其特征在于，

所述施加一压力于测试结构中悬浮膜片(6)一侧的步骤具体包括：将压力通过气体通道(8)施加在所述测试结构的悬浮膜片(6)靠近空腔(7)的一侧，或者将测试结构翻转使空腔(7)朝上，将压力施加在悬浮膜片(6)远离空腔(7)的一侧使悬浮膜片(6)向空腔(7)内变形凸起；

所述测量在给定压力下的所述悬浮膜片(6)的中心挠度，并逐渐增加压力直至所述悬浮膜片(6)破裂的步骤具体包括：通过非接触式光学方法测量在给定压力下的悬浮膜片(6)中心挠度，该中心挠度为悬浮膜片(6)最大挠度，逐渐增加压力直至悬浮膜片(6)破裂，逐个对测试结构的悬浮膜片(6)进行测试。

6、根据权利要求1所述的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法，其特征在于，所述根据测量出来的压力～挠度参量的变化关系，采用根据理论计算模型编制的数学处理程序提取被测材料薄膜的力学性能和可靠性相关参数的步骤，是通过将测量出来的压力～挠度参量的变化关系代入精确的综合理论计算模型，精确计算获得被测材料的力学性能和可靠性相关参数：平面应变模量、杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度。

7、一种微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试装置，其特征在于，该装置包括：

样品台(4)，用于放置测试结构，所述测试结构包括衬底(3)和所述衬底(3)上的被测材料薄膜(2)，所述样品台(4)放置在步进电机移动台上(5)，所述测试结构可跟随所述样品台(4)在水平面内移动；

压力控制器(9)，其压力输入端与压力源连接，压力输出端与所述样品台(4)的气体通道(8)连接，用于向悬浮膜片(6)一侧施加压力，直至悬浮膜片(6)破裂；

位移传感器(1)，用于测量在给定压力下悬浮膜片(6)的表面轮廓曲线，以获得悬浮膜片(6)中心挠度；

数据采集和控制单元(10)，用于控制压力控制器(9)向悬浮膜片(6)一侧施加压力，控制步进电机移动台(5)并带动样品台(4)在水平面内移动，测量悬浮膜片(6)的中心挠度随施加压力的变化关系，并记录数据。

8、根据权利要求7所述的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试装置，其特征在于，所述测试结构通过粘接固定在样品台(4)上，所述样品台(4)放置在一个步进电机移动台上，数据采集和控制单元(10)通过控制步进电机移动台实现样品台(4)在水平面内移动。

9、根据权利要求7所述的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试装置，其特征在于，所述位移传感器(1)在测量时位于待测悬浮膜片(6)正上方，通过光学方法测量悬浮膜片(6)中心挠度，位移传感器(1)在测量过程中不接触被测薄膜材料(2)。

10、根据权利要求7所述的微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试装置，其特征在于，所述数据采集和控制单元(10)实现压力步进增加和悬浮膜片(6)中心挠度精确测量的自动交替进行，通过对悬浮膜片(6)的表面轮廓曲线进行倾斜误差修正来找平，数据采集和控制单元(10)的数据输出采用多种形式输出，直接应用于理论计算模型。

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