隨著大規模集成電路制作技術的迅速發展, 微機電系統(M EM S)的尺寸可小至幾毫米甚至數微米。因此, 微小精密構件的微觀硬度(m icrohardness)、涂層或薄膜的機械性能等問題開始引人關注, 如M EM S 中微梁和微泵致動膜的彈性變形。此時的壓入載荷一般為幾佰毫牛或數牛, 壓痕深度為微米級。當壓入深度為納米級或亞微米級時, 這就是所謂的納米硬度。

隨著微電子技術和微系統的發展, 許多微小結構得到了實際應用。同時, 材料在微小尺度下的力學性能也逐漸成為人們關注的對象, 材料的微觀力學性能研究也隨之開展起來。在微電子技術、微機械和納米摩擦學應用中, 微構件的幾何尺寸一般在微米級, 而薄膜的厚度則往往是納米級。在載荷的作用下, 這些微小構件常常會表現出與宏觀條件下所不同的特性, 因而引起了人們的極大關注, 目前這一領域已成為科學前沿和研究熱點。納米壓痕技術由于具有無損、可以在很小的局部范圍測試材料的力學性能等優點, 近10 年來在材料的微觀力學性能研究方面得到了廣泛的應用, 主要有以下幾個方面:

(1)微機電系統(M EM S) 　

目前微構件的幾何尺寸大多以微米計, 一些構件上的涂層或薄膜的厚度甚至以納米計。這些微構件的力學性能, 如彈性模量和微硬度, 用以往常規的硬度測試手段是無法實現的。此外, 體材料的力學行為對微?納米尺度上的構件已不再適用, 即存在通常所說的尺度效應。目前納米壓痕技術在M EM S 領域的應用不僅可以利用原子力顯微鏡(A FM ) 和納米硬度計直接測量微小構件的彈性模量和硬度, 還可以測量固支梁或懸臂梁在載荷下的彎曲變形, 如微桿件、微泵和微開關的膜片等。

（2）生物工程   

納米壓痕技術在生物工程的應用主要是測定骨、牙齒或細胞等生物組織的力學性能，為病理研究或治療提供依據。骨質疏松是導致骨裂的根本原因, 目前常用的雙磷療法較為有效, 可以改善骨組織的內在性能。局部探針測量技術(可以取很小的樣且不會造成骨組織的任何損害) 的應用, 如納米壓痕硬度測試技術, 可以對骨質疏松癥的治療機理有更深入的了解。為了研究活體細胞與其周圍環境的相互作用和反應, 就必須了解細胞的力學性能。通過試驗, 人們已經知道生物活性細胞的彈性模量為13～ 150kPa, 血小板紅細胞的彈性模量為1～ 50kPa。酸性物質會在牙齒的釉質表面產生白斑病損, 如不加以治療, 就會發展為齲齒。應用納米壓痕技術可以檢查病灶點的力學強度和確定化學治療的效果。此外, 還有人對藥片的微硬度進行了測試, 以此來了解藥片的脆性, 從而有針對性地進行藥品包裝,避免運輸過程中的破損。

（3）特殊材料研究   

由于納米壓痕技術可以在很小的局部區域內用很微小的載荷測試材料的硬度和彈性模量，因此過去用傳統硬度測試方法無法測量的一些特殊材料，它們的硬度測試就可以應用納米壓痕技術來完成，如超硬材料、脆性材料、多孔才材料、復合材料和較軟的有機高分子材料等。納米壓痕技術還可用于隱形眼睛鏡片質量的控制與新產品的研發。

（4）摩擦學性能研究  

材料的硬度決定了其耐磨性能。對于硅微器件，在工作時如何克服摩擦和減小磨損，提高有效服役壽命, 是微機械能否可靠運行的關鍵問題。而有效的途徑之一就是在構件表面制備薄膜或涂層。刀具和模具表面涂層的力學性能也與它們的使用壽命密切相關。在光學鏡片表面鍍上一層透明的DLC 薄膜(其硬度可達45GPa)有利于提高其耐磨性。薄膜?基體組合體系的綜合力學性能是目前的研究熱點, 這里的薄膜厚度從十幾納米到幾個微米不等。為了確切得到薄膜的力學性能并排除基體的影響, 納米壓痕試驗中壓頭壓入薄膜的深度一般不得超過膜厚的10%～ 20% , 這是以往傳統硬度試驗所無法實現的。

(5) 信息技術　

微機電裝置觸點引線的封裝對制造成本與工作可靠性至關重要, 是芯片制造中的

關鍵一步。其工藝過程是, 首先將引線與壓焊觸點接觸, 加壓并施加超聲振動, 去除接觸表面的氧化層和污染物, 從而使裸露的新鮮金屬表面冷焊在一起。隨著微裝置尺寸的減小和接點的增加, 對壓焊點的結構和機械性能有了更高的要求。應用納米壓痕技術對壓焊點施壓, 可以檢測焊接后的焊點是否會產生開裂或附著失效。此外, 在芯片表面鍍一層薄膜, 可以提高表面的耐磨性和防腐性。有的薄膜具有一定的功能, 如光電性或電磁性, 它們在基體上的附著性是一個關鍵的技術指標。此外, 磁記錄裝置中的磨損問題等也可以用納米壓痕技術來研究。