1.2.1 電鍍鎳薄膜機械特性
電鍍鎳由1842 年發展至今，不僅技術純熟且對其機制已有相當 深入的探討。由於電鍍鎳穩定性高、耐蝕性佳，且具有高硬度、抗磨 耗的良好機械特性，所以鎳是電鍍技術中應用最廣的材料，並相當適 合做為微致動器結構之材料。
元件微型化後，因為微元件有較大的表面體積比，所以材料表面 微結構對薄膜材料的機械性質影響甚巨，因此材料在薄膜下的機械性 質表現與塊材時有所不同，另外同一材料，也會因為製程參數的不 同，而使材料微結構有所不同，而這些不同的微結構，也會影響機械 性質的表現。而這些薄膜材料，因為不同的製程參數所形成不同的微 結構及對應的機械特性，目前尚未被徹底的了解，且沒有較為齊全的 資料可供查詢。因此在可標準化的材料製程與量測下，更進一步且大 量的研究，建立這些薄膜材料特性的參考資料，是不可或缺的工作。
如要量測薄膜材料與微小體積材料的機械性質，奈米壓痕儀 (Nanoindenter)是適合的量測工具，如圖 1-1所示，壓痕試驗
(indentation test)造成的變形很小，因此可應用於薄膜材料機械性質方
面的量測。奈米壓痕儀有壓痕器負荷加壓系統、壓痕深度感應系統加 上圓形或錐形的奈米壓痕儀尖端，此儀器可以量測出試片的硬度及楊 氏係數，奈米壓痕儀的尖端通常由鑽石所製成，在已知的下壓負荷 下，對試片進行微壓痕測試，負荷在持續一段時間後移除，在試片上 會留下殘留壓痕，在知道最大負荷及壓痕表面積的前提下，可推算出 試片的硬度。奈米壓痕儀配備壓痕深度感測系統能在壓痕測試過程中 獲得”負荷-壓痕深度圖(Load-Displacement Diagram)”，如圖 1-2所 示，可推出試片的硬度、楊氏係數及其他機械性質。
圖 1-1 微壓痕器示意圖
Load On Sample (mN)
Loading
Unloading
Displacement into Surface (nm)
圖 1-2 “負荷-壓痕深度圖＂
2005 年 Tsou 等人[1]利用奈米壓痕儀來研究電鍍鎳薄膜的楊氏係 數與降伏強度，他們採用了兩種方式來量測楊氏係數，首先利用奈米 壓痕儀對試片做彎曲試驗(bending test)，經由計算，得知電鍍鎳薄膜 的楊氏係數在179 GPa ~ 199 GPa(平均 191 GPa)這範圍內，而降伏強 度則是0.66 GPa ~ 1.12 GPa(平均 0.79 GPa)，接著使用奈米壓痕儀對 試片做壓痕試驗(indentation test)，得到了電鍍鎳薄膜的楊氏係數為 205±13 GPa。
1.2.2 鎳疲勞特性
材料的機械疲勞特性是微機電系統可靠度的重要指標之一。當知
道材料的機械疲勞特性後，便能預測微元件的壽命，這對於微機電系 統的長遠研發與微型化，扮演非常重要的角色。一般來說，在微尺寸 下，所謂的疲勞測試，即是將週期性負載(cyclic loads)施加於微懸臂 測試樑(micro-cantilever test beam)結構的自由端上，使其固定端處承 受變動應力(fluctuating stress)直至疲勞損壞產生為止。通常於微懸臂 測試樑的固定端處會設計一凹痕(notch)，以提供應力集中並做為疲勞 裂痕成長處。而微懸臂測試樑之疲勞損壞則可藉由其外觀、形變量 (displacement)、剛性(stiffness)和自然共振頻率漂移來判定。此外，材 料的機械疲勞特性則可由壽命週期(life cycle)、施加負載(applied load)、應力(stress)、應變(strain)或裂痕位置(locations of fracture)等參 數來決定。
1999 年，Maekawa等人[2]利用微機電製程技術中的聚焦離子束 (focused ion beam)加工，製作一以無電極電鍍鎳(electroless plated Ni-P) 為材料的懸臂樑測試試片，並以鑽石探針於懸臂樑的自由端施加負 載，討論無電極電鍍鎳材料於週期性力量負載下的疲勞特性，如圖 1-3所示。由其量測結果可知，厚度為 12 μm的無電極電鍍鎳材料，其 彎曲強度為60 mN，而在承受頻率為 10 Hz的週期性彎曲負載下，無 電極電鍍鎳材料的疲勞限(fatigue limit)為 20 mN，其疲勞比(end
ratio)=疲勞強度/彎曲強度=0.33。
urance
圖 1-3 Maekawa 等人提出之疲勞測試系統
2005 年，J.Aktaa 等人[3]利用微機電製程技術中的電鑄技術 (LIGA)，製作電鍍鎳的測試試片，把試片與基材分離後，使用自製的 疲勞測試機，討論電鍍鎳材料於週期性負載下的疲勞特性，由其量測 結果可知，厚度為100 μm 的電鍍鎳材料，其拉伸強度為 863 MPa，
當其受200 Hz 週期性負載下，電鍍鎳材料的疲勞限為 187.5 MPa，其 疲勞比約為0.21。
1.2.3 電鍍鎳-鑽複合材料
複合材料是近幾年工業界及學術界一直在研究的一種頂尖材 料，其結構是由兩種或兩種以上不同物理或化學性質的材料組合而成 的一種多相固體材料。由於複合材料的機械性質通常能優於單一材
料，因此可改善單一材料的缺點，使其具有更廣泛的應用[4]。在複 合材料中，通常有一相為連續相，稱為基材(matrix)；另一相為分散 相，則稱為增強(reinforced)材料。
本研究所提之電鍍鎳-鑽奈米複合材料，即是以直流電鍍鎳 (electrolytic nickel)為基材、奈米鑽石粉末(nano-diamond particles)為增 強材料，由複合電鍍技術所製造而成：利用攪拌均勻且分散地奈米鑽 石粉末混合於鎳電鍍液中，當鎳金屬離子在陰極進行電化學沈積時，
陰極附近不帶電的奈米鑽石粉末，則會因為攪拌機械力機制、電泳機 制或吸附機制，和鎳金屬共沈積於陰極表面[5-7]，然後沈積的鎳金屬 會慢慢地包覆奈米鑽石粉末，形成金屬基複合材料(metal matrix composite, MMC)。
2005 年，Teh 等人[8]在鎳電鍍液中添加不同濃度的奈米鑽石粒子 (平均粒徑~4 nm)，發現由於奈米鑽石粒子的添加，會降低電鍍鎳薄 膜的殘留應力(趨向壓應力)。當奈米鑽石粒子濃度為 1 g/L 時，此時 電鍍鎳-鑽複合材料鍍膜的殘留應力，由原先純鎳鍍膜的 26.6 MPa 降 至4 MPa；而當添加的奈米鑽石粒子濃度為 3 g/L 時，則電鍍鎳-鑽複 合材料鍍膜的殘留應力已降至2.7 MPa。
2006 年，本實驗室 Tsai 等人[9]，發現在鎳電鍍液中添加奈米鑽 石粒子(最大粒徑<500 nm)所形成的電鍍鎳-鑽奈米複合材料，和原先
純電鍍鎳材料相比較，除了能提升材料的楊氏係數(Young’s modulus, E)、硬度(hardness)和電阻率(resistivity)外，還可提升材料的熱膨脹係 數。當奈米鑽石粒子濃度為2 g/L 時，此時電鍍鎳-鑽奈米複合材料的 熱膨脹係數由原先純電鍍鎳的23 ×10-6 /°C 提升至 50 ×10-6/°C，約有 兩倍的提升。且由電熱式微致動器的應用，同位移下，電鍍鎳-鑽奈 米複合材料可降低致動器的操作功率，比純鎳的微致動器減少73%，
故電鍍鎳-鑽奈米複合材料相當適合做為微電熱致動器之結構。此 外，因為奈米鑽石粒子嵌入於電鍍鎳金屬中，會增加電鍍鎳-鑽奈米 複合材料的楊氏係數與密度之比(E/ρ)和共振頻率(resonant
frequency)，故電鍍鎳-鑽奈米複合材料也非常適合射頻微機電元件 (RF MEMS)。