專利名稱：微機(jī)械系統(tǒng)中可動(dòng)粱接觸粘附的測(cè)量結(jié)構(gòu)及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械系統(tǒng)(文中簡(jiǎn)稱MEMS)制造、性能及其可靠性測(cè)試的領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種微機(jī)械系統(tǒng)中可動(dòng)粱接觸粘附的測(cè)量結(jié)構(gòu)及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
MEMS器件中的可動(dòng)結(jié)構(gòu)在工作中常常會(huì)出現(xiàn)兩表面相互接觸后無(wú)法回復(fù)到原狀的粘附現(xiàn)象。粘附與接觸表面的形貌以及接觸的幾何尺寸直接相關(guān)，對(duì)于不同樣品，表面粘附特性不同，因此，有必要建立一種方便而準(zhǔn)確的表面接觸粘附的分析方法。現(xiàn)有的接觸粘附分析主要是借助于原子力顯微鏡和白光干涉儀，測(cè)量方法復(fù)雜，儀器成本昂貴。提供一種電學(xué)測(cè)量方法，直接獲取有關(guān)粘附力的信息，顯得更為簡(jiǎn)單和實(shí)用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種微機(jī)械系統(tǒng)中可動(dòng)粱接觸粘附的測(cè)量結(jié)構(gòu)，該測(cè)量結(jié)構(gòu)解決了一般條形電極所存在的表面高低起伏的問(wèn)題，并且該測(cè)量結(jié)構(gòu)獲得的可動(dòng)粱接觸粘附信息準(zhǔn)確可靠，同時(shí)，本發(fā)明還提供了該測(cè)量結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，簡(jiǎn)單易行。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種微機(jī)械系統(tǒng)中可動(dòng)粱接觸粘附的測(cè)量結(jié)構(gòu)，所述的測(cè)量結(jié)構(gòu)包括襯底、十字梁、用于靜電激勵(lì)的下拉電極、用于粘附分離的拉動(dòng)電極和襯底接觸電極陣列；十字梁由橫梁和與橫梁垂直交叉連接的扭轉(zhuǎn)支撐梁組成，扭轉(zhuǎn)支撐梁通過(guò)錨區(qū)連接在襯底上；所述的襯底接觸電極陣列采用離子注入的摻雜方式形成在襯底的頂面，襯底接觸電極陣列包括至少三根相互平行布置的條形電極，相鄰條形電極之間留有間隙，每根條形電極的一端連接一個(gè)壓焊塊；下拉電極、拉動(dòng)電極、襯底接觸電極陣列均連接在襯底上，襯底接觸電極陣列和下拉電極位于橫梁同一側(cè)下方，且襯底接觸電極陣列位于橫梁端部的下方；拉動(dòng)電極位于橫梁另一側(cè)下方。上述的微機(jī)械系統(tǒng)中可動(dòng)粱接觸粘附的測(cè)量結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，該測(cè)量方法包括以下步驟步驟I)在十字梁和下拉電極之間施加直流電壓，橫粱的一端向下彎曲，與下方的襯底接觸電極陣列相接觸；步驟2)當(dāng)橫梁彎曲至與兩條及兩條以上條形電極相接觸時(shí)，條形電極被接通，測(cè)量壓焊塊之間的電阻，判斷十字梁與條形電極的接觸情況；步驟3)逐步減小下拉電極上的電壓，直至為零后，若橫梁重新彈起，并離開襯底，則表明該十字梁未發(fā)生粘附，返回步驟1)，加大施加的直流電壓；若十字梁無(wú)法彈起，則表明該十字梁發(fā)生粘附，進(jìn)入步驟4)；步驟4)對(duì)于發(fā)生粘附的十字梁，在拉動(dòng)電極上施加電壓，橫梁未發(fā)生粘附的一端向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)扭轉(zhuǎn)支撐梁扭轉(zhuǎn)，從而使橫梁發(fā)生粘附的一端翹起，使粘附分離，根據(jù)施加在拉動(dòng)電極上的電壓，由拉動(dòng)靜電力推算得到一定接觸長(zhǎng)度下的粘附力。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案可以準(zhǔn)確測(cè)量可動(dòng)粱接觸粘附力的信息，同時(shí)對(duì)測(cè)量?jī)x器的精度要求低?，F(xiàn)有技術(shù)中，MEMS可動(dòng)梁的襯底接觸電極多為光板式。本發(fā)明采用離子注入的摻雜方式形成相互間隔、并行排列的條形電極組成的襯底接觸電極陣列。該襯底接觸電極陣列相當(dāng)于嵌至在襯底中，使襯底的頂面具有平整性。這解決了一般陣列式條形電極所存在的表面高低起伏的問(wèn)題。同時(shí)，該襯底接觸電極陣列又能提供接觸長(zhǎng)度的度量。整個(gè)測(cè)試過(guò)程采用電阻測(cè)量的方法，對(duì)測(cè)量?jī)x器的要求低，并可方便的實(shí)現(xiàn)在線測(cè)試。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的襯底示意圖。圖中有襯底1、十字梁2、下拉電極3、拉動(dòng)電極4、襯底接觸電極陣列5、橫梁21、扭轉(zhuǎn)支撐梁22、錨區(qū)23— 24、壓焊塊51— 58。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種微機(jī)械系統(tǒng)中可動(dòng)粱接觸粘附的測(cè)量結(jié)構(gòu)，包括襯底1、十字梁2、用于靜電激勵(lì)的下拉電極3、用于粘附分離的拉動(dòng)電極4和襯底接觸電極陣列5。十字梁2由橫梁21和與橫梁21垂直交叉連接的扭轉(zhuǎn)支撐梁22組成，扭轉(zhuǎn)支撐梁22通過(guò)錨區(qū)23、24連接在襯底I上。襯底接觸電極陣列5采用離子注入的摻雜方式形成在襯底I的頂面，襯底接觸電極陣列5包括至少三根相互平行布置的條形電極。相鄰條形電極之間留有間隙。每根條形電極的一端連接一個(gè)壓焊塊。下拉電極3、拉動(dòng)電極4、襯底接觸電極陣列5均連接在襯底I上。襯底接觸電極陣列5和下拉電極3位于橫梁21同一側(cè)下方，且襯底接觸電極陣列5位于橫梁21端部的下方。拉動(dòng)電極4位于橫梁21另一側(cè)下方。以圖1為例，襯底接觸電極陣列5中包含8個(gè)條形電極。8個(gè)條形電極的一個(gè)末端與壓焊塊51 — 58連接。當(dāng)然，襯底接觸電極陣列5可以包含其他數(shù)量的條形電極，例如6個(gè)、12個(gè)等等。在加工該測(cè)量結(jié)構(gòu)時(shí)，可以作為陪片一同加工，無(wú)須專門制作，與傳統(tǒng)MEMS梁的制作過(guò)程類似。制備上述結(jié)構(gòu)的傳感器時(shí)，襯底接觸電極陣列5采用離子注入的摻雜方式形成相互間隔、并行排列的條形電極陣列，制作過(guò)程為選擇P型硅作為襯底材料，按照設(shè)計(jì)的電極分布圖形制作掩膜板，采用離子注入方式對(duì)P型硅襯底摻入η型雜質(zhì)，其中η型雜質(zhì)濃度高于原襯底的P型雜質(zhì)濃度，由雜質(zhì)補(bǔ)償效應(yīng)形成η型導(dǎo)電區(qū)域。完成條形陣列式襯底接觸電極的制作。這樣制作的條形電極陣列，每?jī)蓷lη型導(dǎo)電條之間為P型導(dǎo)電區(qū)，形成兩個(gè)背靠背的Pn結(jié)，因此，正常情況下兩根條形電極之間是不導(dǎo)通的。條形電極的寬度和間隔可根據(jù)測(cè)量精度和工藝精度確定，一般為O.幾個(gè)Pm 幾個(gè)ym均可。
上述結(jié)構(gòu)的傳感器的具體測(cè)量步驟如下步驟I)在十字梁2和下拉電極3之間施加直流電壓，在靜電力作用下，十字粱2的橫粱21的一端(如圖1中的左端)向下彎曲。隨下拉電壓逐步增加，橫梁21彎曲加大，并與下方的襯底接觸電極陣列5相接觸。電壓越大，橫梁21和襯底接觸電極陣列5之間的接觸長(zhǎng)度越長(zhǎng)。步驟2)當(dāng)橫梁21彎曲至與兩條及兩條以上條形電極相接觸時(shí)，原本分離的條形電極被接通。測(cè)量壓焊塊51與52之間、壓焊塊51與53之間、壓焊塊51與54之間、……、壓焊塊51與58之間的電阻。根據(jù)電阻進(jìn)行分析當(dāng)電阻值小于100Ω量級(jí)，表明十字梁2已接觸到相應(yīng)的條形電極處；當(dāng)電阻值大于ΜΩ量級(jí)，表明十字梁2未接觸到相應(yīng)的條形電極處。步驟3)對(duì)一定接觸長(zhǎng)度的十字梁，逐步減小下拉電極3上的電壓，直至為零后，若橫梁21重新彈起，并離開襯底，則表明該十字梁2未發(fā)生粘附，返回步驟I )，加大施加的直流電壓；若十字梁2無(wú)法彈起，則表明該十字梁2發(fā)生粘附，進(jìn)入步驟4)。 步驟4)對(duì)于發(fā)生粘附的十字梁2，在拉動(dòng)電極4上施加電壓，橫梁21未發(fā)生粘附的一端(如圖1中的右端)向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)扭轉(zhuǎn)支撐梁22扭轉(zhuǎn)，從而使橫梁21發(fā)生粘附的一端(如圖1中的左端)翹起，使粘附分離。根據(jù)施加在拉動(dòng)電極4上的電壓，由拉動(dòng)靜電力，可推算得到一定接觸長(zhǎng)度下的粘附力。為獲取十字梁2不同接觸長(zhǎng)度下的粘附力，上述測(cè)量方法還包括步驟5):重復(fù)步驟I) 一步驟4)，并在步驟I)中，在十字梁2和下拉電極3之間施加不同的直流電壓，使十字梁2與襯底接觸電極陣列5的接觸長(zhǎng)度不同，獲取不同接觸長(zhǎng)度下的粘附力。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械系統(tǒng)中可動(dòng)粱接觸粘附的測(cè)量結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的測(cè)量結(jié)構(gòu)包括襯底(I)、十字梁(2)、用于靜電激勵(lì)的下拉電極(3)、用于粘附分離的拉動(dòng)電極(4)和襯底接觸電極陣列(5);十字梁(2)由橫梁(21)和與橫梁(21)垂直交叉連接的扭轉(zhuǎn)支撐梁(22)組成，扭轉(zhuǎn)支撐梁(22)通過(guò)錨區(qū)(23、24)連接在襯底(I)上；所述的襯底接觸電極陣列(5)采用離子注入的摻雜方式形成在襯底(I)的頂面，襯底接觸電極陣列(5)包括至少三根相互平行布置的條形電極，相鄰條形電極之間留有間隙，每根條形電極的一端連接一個(gè)壓焊塊； 下拉電極(3 )、拉動(dòng)電極(4 )、襯底接觸電極陣列(5 )均連接在襯底(I)上，襯底接觸電極陣列(5)和下拉電極(3)位于橫梁(21)同一側(cè)下方，且襯底接觸電極陣列(5)位于橫梁(21)端部的下方；拉動(dòng)電極(4)位于橫梁(21)另一側(cè)下方。
2.一種利用權(quán)利要求1所述的微機(jī)械系統(tǒng)中可動(dòng)粱接觸粘附的測(cè)量結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，其特征在于該測(cè)量方法包括以下步驟 步驟I)在十字梁(2)和下拉電極(3)之間施加直流電壓，橫粱(21)的一端向下彎曲，與下方的襯底接觸電極陣列(5)相接觸； 步驟2)當(dāng)橫梁(21)彎曲至與兩條及兩條以上條形電極相接觸時(shí)，條形電極被接通，測(cè)量壓焊塊之間的電阻，判斷十字梁(2)與條形電極的接觸情況； 步驟3)逐步減小下拉電極(3)上的電壓，直至為零后，若橫梁(21)重新彈起，并離開襯底，則表明該十字梁(2)未發(fā)生粘附，返回步驟1)，加大施加的直流電壓；若十字梁(2)無(wú)法彈起，則表明該十字梁(2)發(fā)生粘附，進(jìn)入步驟4)； 步驟4)對(duì)于發(fā)生粘附的十字梁(2)，在拉動(dòng)電極(4)上施加電壓，橫梁(21)未發(fā)生粘附的一端向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)扭轉(zhuǎn)支撐梁(22)扭轉(zhuǎn)，從而使橫梁(21)發(fā)生粘附的一端翹起，使粘附分離，根據(jù)施加在拉動(dòng)電極(4)上的電壓，由拉動(dòng)靜電力推算得到一定接觸長(zhǎng)度下的粘附力。
3.按照權(quán)利要求2所述的微機(jī)械系統(tǒng)中可動(dòng)粱接觸粘附的測(cè)量結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，其特征在于還包括步驟5):重復(fù)步驟I) 一步驟4)，在十字梁(2)和下拉電極(3)之間施加不同的直流電壓，使十字梁(2)與襯底接觸電極陣列(5)的接觸長(zhǎng)度不同，獲取不同接觸長(zhǎng)度下的粘附力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微機(jī)械系統(tǒng)中可動(dòng)粱接觸粘附的測(cè)量結(jié)構(gòu)，包括襯底、十字梁、下拉電極、拉動(dòng)電極和襯底接觸電極陣列；十字梁由橫梁和扭轉(zhuǎn)支撐梁組成，扭轉(zhuǎn)支撐梁連接在襯底上；襯底接觸電極陣列采用離子注入的摻雜方式形成在襯底的頂面，襯底接觸電極陣列包括至少三根相互平行布置的條形電極，每根條形電極的一端連接一個(gè)壓焊塊；下拉電極、拉動(dòng)電極、襯底接觸電極陣列均連接在襯底上，襯底接觸電極陣列和下拉電極位于橫梁同一側(cè)下方；拉動(dòng)電極位于橫梁另一側(cè)下方。該測(cè)量結(jié)構(gòu)解決了一般條形電極所存在的表面高低起伏的問(wèn)題，并且獲得的可動(dòng)粱接觸粘附信息準(zhǔn)確。同時(shí)，本發(fā)明還公開了該測(cè)量結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，該測(cè)量方法簡(jiǎn)單易行。
文檔編號(hào)G01L1/00GK103017942SQ20121051698
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者唐潔影, 蔣明霞 申請(qǐng)人:東南大學(xué)