A number of techniques have been employed to characterize the elastic modulus of MEMS structures. These techniques include: Tensile test, bending test, bulge test, etc. Each of these techniques possesses unique and diverse advantages. Bulge test have been widely used because it is relatively easy to fabricate a thin membrane of test material and residual stress can be measured.
In this thesis, Bulge test on real PZT inkjet head was performed for the similarity of deformed shapes. Young's modulus of Si and PZT can be calculated from this test and it can help to design optimization and dynamic modeling of the inkjet.
The PZT inkjet head has a bilayer structure, 10㎛ -thick Si under about 22㎛ -thick PZT. Layer by layer approach was suggested to obtain Young's Modulus of each layer. For Si plate, mirror surface, Twyman-Green laser interferometer was used. For PZT on Si plate, non-mirror surface, ESPI was used to measure the whole field out-of-plane displacement. In this experiments, Young's modulus are found to be 107㎬ and 47㎬ for Si and PZT.
Young's modulus was also obtained by using nanoindenter. And its result was compared to that of bulge test.
근래 MEMS 미소구조물의 기계적 물성 측정 연구가 많이 행해져 왔다. 잘 알려진 영계수를 구하는 시험법으로 Tensile Test, Bending Test, Bulge Test 등이 있다. 이 중 Bulge Test는 시편 제작의 용이성과 잔류 응력을 측정 할 수 있는 장점으로 박막 구조물에 특히 많이 이용되고 있다.
본 연구에서는 개발 중인 MEMS PZT inkjet의 박막에 대해 구동형상과 가장 비슷한 bulge test를 이용하였다. 이를 통해 PZT 박막 구조물의 설계 최적화와 동적 모델링을 위한 변형형상과 물성데이터를 확보 할 수 있다. 이제까지 행해져 왔던 Bulge test의 경우 크고 얇은 박막에 수 백 마이크로 대의 큰 변형이 일어나도록 해서 압력과 변형을 측정하였다. 그러나 본 연구에 사용된 PZT inkjet 박막의 경우 기존의 시험용 시편에 비해 작고 두꺼워 수백 나노 대 작은 변형이 일어난다. 그러므로 더 정밀한 변형 측정 방법으로 측정하였다. PZT inkjet 박막은 잉크를 담는 챔버 위에 크게 두 가지 Si (10$\mu$m), PZT (22$\mu$m) 가 적층 된 구조를 가지고 있다. Si 와 PZT의 물성을 각각 측정하기 위해서 layer by layer 로 시편을 준비하여 bulge test 하였다. Si 의 경우 반사면을 가지므로 Twyman-Green 레이저 간섭계로, PZT의 경우 비반사면을 가지므로 ESPI와 AFM으로 각각 측정방법을 달리하여 가압 시 full field 면 외 변위를 측정하였다. 그리고 영계수 Si 107㎬, PZT 47㎬ 을 구하였다. 또한 Bulge test를 통해 얻은 물성의 신뢰성을 확인 하기 위해 nanoindenter CSM을 이용하여 영계수를 측정하였고, 미소 박막 구조물의 물성 측정의 경우 bulge test가 geometry 영향을 nanoindenter보다 덜 받음을 확인하였다.
