一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結(jié)構(gòu)，包括襯底、門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)、橫向梳齒電容檢測結(jié)構(gòu)和被測微粱結(jié)構(gòu)，整個測試結(jié)構(gòu)關(guān)于縱向中軸線L完全對稱。所述門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的兩根縱梁(202)分別垂直連接于橫寬梁(201)的兩末端，縱梁(202)的另一端固定在下錨區(qū)(203)側(cè)面；所述被測微梁(301)與門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的兩縱梁(202)平行，位于它們正中間，一端垂直連接在橫寬梁(201)內(nèi)側(cè)的中部，另一端連接在上錨區(qū)(302)的一個側(cè)面；所述橫向梳齒電容檢測結(jié)構(gòu)由位于門子型結(jié)構(gòu)內(nèi)的三組完全相同的梳齒結(jié)構(gòu)依次排列在被測微梁錨區(qū)(302)的后方，本發(fā)明還公開利用橫向梳齒差分電容檢測拉伸長度，進而確定拉伸力的具體工作方式，靈敏度高、方便可行。
【專利說明】一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機電系統(tǒng)(MEMS)微梁斷裂強度的測試領(lǐng)域，尤其是一種橫向梳齒式電容檢測微梁斷裂強度的測試結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]MEMS利用微電子技術(shù)、微加工技術(shù)相結(jié)合的制造工藝制造微傳感器、微執(zhí)行器、微驅(qū)動器以及微系統(tǒng)。由不同的加工技術(shù)，如硅體微加工、硅表面微加工、LIGA技術(shù)、鍵合技術(shù)等加工而成的MEMS微結(jié)構(gòu)其力學(xué)性能會有很大差別，即使是相同技術(shù)，但不同生產(chǎn)線加工的產(chǎn)品也會存在差異。因此，對于MEMES設(shè)計、加工和應(yīng)用的可靠性而言，設(shè)計測試結(jié)構(gòu)，提取相關(guān)力學(xué)參數(shù)是非常重要的。拉伸斷裂強度是重要力學(xué)性能之一，常用的測量方法是通過電、熱或磁驅(qū)動的方式對測試樣品進行加載而拉伸被測樣品，通過直接測量樣品被拉斷時的力以確定樣品的斷裂強度。捕獲被測梁斷裂瞬間時刻對應(yīng)的驅(qū)動力和提高測量靈敏度是測試結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮的問題。為此，設(shè)計了一種基于橫向式梳齒電容檢測的微梁斷裂強度的測試結(jié)構(gòu)，很好地解決了測試難題，且測試方便、簡單易行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:利用電容法捕獲被測微梁斷裂瞬間所對應(yīng)的驅(qū)動力，直觀、易于實現(xiàn)。但檢測中的電容變化量決定了該方法的有效性和靈敏度。本發(fā)明利用橫向梳齒式的差分電容來反映被測梁的拉伸量，有利于提高電容變化的檢測量，因此相對于一般電容法檢測靈敏度更高。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結(jié)構(gòu)包括襯底、門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)、被測微粱和橫向梳齒電容檢測結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于縱向中軸L完全對稱；
[0005]所述門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的兩根縱梁分別垂直連接于橫寬梁的兩末端，縱梁的另一端固定在下錨區(qū)側(cè)面；
[0006]所述被測微梁與門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的兩縱梁平行，位于它們正中間，一端垂直連接在橫寬梁內(nèi)側(cè)的中部，另一端連接在錨區(qū)的一個側(cè)面；
[0007]所述橫向梳齒電容檢測結(jié)構(gòu)由位于門子型結(jié)構(gòu)內(nèi)的三組完全相同的梳齒結(jié)構(gòu)依次排列在被測微梁錨區(qū)的后方，所有梳齒平行于橫寬梁；每組梳齒結(jié)構(gòu)左、右對稱，均為左定齒和右定齒夾著一動齒，動齒與兩側(cè)的左定齒和右定齒的間距完全相同；其中，動齒的一端垂直連接在門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的縱梁內(nèi)側(cè)，另一端懸空，而左定齒或右定齒的一端連接在位于橫寬梁的垂直中線上的第一錨區(qū)或第二錨區(qū)的側(cè)面，另一端懸空；
[0008]所述下錨區(qū)、上錨區(qū)、第一錨區(qū)和第二錨區(qū)置于襯底上；
[0009]所述門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)、被測微粱和橫向梳齒電容檢測結(jié)構(gòu)均位于同一平面，平行懸置在襯底上方。
[0010]所述橫寬梁、縱梁、被測懸臂梁、左定齒、右定齒、動齒均為摻雜單晶硅。
[0011]當(dāng)熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的縱梁通電發(fā)生熱膨脹時，與縱梁相連的橫寬梁以及動齒同步發(fā)生平移。橫寬梁的移動可拉伸被測微梁直至斷裂；動齒的橫向平移使與兩定齒的間距發(fā)生變化，導(dǎo)致動齒與兩定齒構(gòu)成的差分電容發(fā)生變化，且當(dāng)拉伸作用使被測梁發(fā)生斷裂的瞬間，電容會陡然增大。因此，通過測量差分電容的變化，由電容變化轉(zhuǎn)折點可確定被測梁斷裂時所對應(yīng)的熱執(zhí)行器縱梁的拉伸長度，進而確定被測懸臂梁的斷裂強度。
[0012]有益效果:本發(fā)明利用簡單的熱膨脹拉伸結(jié)構(gòu)和梳齒結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過MEMS差分電容的測試，實現(xiàn)微懸臂梁斷裂強度的測試。測試結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高且易于操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0014]圖2為襯底頂面的示意圖。
[0015]其中有:襯底1，橫寬梁201、縱梁202、下錨區(qū)203，被測懸臂梁301、上錨區(qū)302，左定齒401、第一錨區(qū)402、右定齒403、第二錨區(qū)404、動齒405。

【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明的一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結(jié)構(gòu)，由門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)、橫向梳齒電容檢測結(jié)構(gòu)和被測微粱三部分組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于縱向中軸L完全對稱。所述門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的兩根縱梁與橫寬梁垂直，一端連接在橫寬梁的末端處，另一端連接在一個錨區(qū)的側(cè)面；所述被測微梁平行于門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的兩根縱梁，處于中軸線L上，一端連接在門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)橫寬梁內(nèi)側(cè)的中部，另一端連接在一個錨區(qū)的側(cè)面；所述三組完全相同的梳齒結(jié)構(gòu)位于門子型結(jié)構(gòu)內(nèi)，依次排列在被測微梁的后方，每組梳齒電容由左、右對稱的兩個梳齒單元組成，每個梳齒單元都為兩定齒夾著一動齒，動齒與兩定齒之間的間距相同。其中，動齒的一端垂直連接在熱執(zhí)行器的縱梁內(nèi)側(cè)，另一端懸空，而定齒的一端連接在位于橫寬梁的垂直中線L上的錨區(qū)側(cè)面，另一端懸空；門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)、橫向梳齒電容檢測結(jié)構(gòu)和被測微粱均位于同一平面，并平行于襯底且通過各自錨區(qū)的支撐懸置在襯底上方。
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0018]圖1和圖2所示，一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結(jié)構(gòu)，包括襯底
1、門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)、被測微粱和橫向梳齒式電容檢測結(jié)構(gòu)，整個測試結(jié)構(gòu)關(guān)于縱向中軸L完全對稱；
[0019]門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)由兩根縱梁202和一根橫寬梁201構(gòu)成，兩根縱梁202分別垂直連接于橫寬梁201的兩末端，縱梁202的另一端固定在下錨區(qū)203的一個側(cè)面；
[0020]被測微梁301與熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的兩縱梁202平行，并位于它們之間，一端垂直連接在橫寬梁201內(nèi)側(cè)的中部，另一端連接在上錨區(qū)302的一個側(cè)面；
[0021 ] 橫向梳齒式電容檢測結(jié)構(gòu)由三組完全相同的梳齒結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所有梳齒結(jié)構(gòu)平行于橫寬梁201，依次排列在被測微梁上錨區(qū)302的后方。每組梳齒結(jié)構(gòu)左、右對稱，均為兩左定齒401和右定齒403夾著一動齒405，動齒405與兩定齒之間的間距相同。其中，動齒405的一端垂直連接在熱執(zhí)行器的縱梁202的內(nèi)側(cè)，另一端懸空，而左定齒401或右定齒403的一端連接在位于橫寬梁的垂直中線L上的第一錨區(qū)402或第二錨區(qū)404的一個側(cè)面，另一端懸空；
[0022]所述門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)、被測微粱和橫向梳齒式電容檢測結(jié)構(gòu)均位于同一平面，通過各錨區(qū)平行懸置在襯底I上方。
[0023]測試結(jié)構(gòu)通電后，熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)拉伸被測樣品，橫向梳齒差分電容檢測拉伸長度，進而確定拉伸力。當(dāng)被測微梁被拉伸發(fā)生斷裂的瞬間，電容測量值會陡然增大。
[0024]該測量結(jié)構(gòu)的制備可采用基于SOI (Sil1n-on-1nsulator的簡稱)的體加工技術(shù)。如可選用上層摻雜單晶硅層厚約為100 μπι，下層單晶硅襯底厚度約400 μπι，中間絕緣氧化會產(chǎn)層為4μπι的SOI片。加工中，借助于光刻膠和掩模板暴露出部分上層單晶硅，然后用深層等離子體反應(yīng)方法(DRIE)腐蝕掉暴露的單晶硅直至氧化層。再利用氟化氫溶液腐蝕掉結(jié)構(gòu)圖形下的氧化層，形成可活動部件，而那些被單晶硅覆蓋面積大的氧化層不能被完全腐蝕掉，這些單晶硅依舊被固定在襯底上，形成錨區(qū)。需要指出的是，以上工藝的選擇不僅限于提到的優(yōu)選工藝，也可選擇表面微加工工藝，襯底為單晶硅，結(jié)構(gòu)層為摻雜多晶硅或金屬。
[0025]被測懸臂梁斷裂強度的測試方法如下:
[0026]I)在兩下錨區(qū)203之間施加直流電壓，電流流經(jīng)熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的縱梁202和橫寬梁201。
[0027]2)電流流經(jīng)縱梁202使其發(fā)生熱膨脹，帶動著與之相連的橫寬梁201以及動齒405同步向前方橫向平移。橫寬梁201的移動將拉伸被測微梁301 ;而動齒405的橫向移動使與左定齒401的距離變近，而與右定齒403的距離變遠。
[0028]3)逐漸加大施加的直流電壓，施加在錨區(qū)203之間的直流電壓越大，縱梁202因熱膨脹而伸展越多，動齒405隨之就越靠近左定齒401，越遠離右定齒403。因此，動齒405與兩定齒之間形成的電容之差就越大，這里整個電容變化量由三組并聯(lián)的梳齒差分電容構(gòu)成。
[0029]4)繼續(xù)加大施加的直流電壓，從幾伏加至幾十伏直至被測微梁301發(fā)生斷裂。此時，熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的負載突然消失，縱梁202伸展更明顯，相應(yīng)地橫向梳齒差分電容的變化量即刻增加。
[0030]5)當(dāng)觀察到測量電容突然變化時，兩下錨區(qū)203之間施加電壓終止。
[0031]測量并記錄梳齒差分電容與熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)通電電壓的變化關(guān)系?？紤]到動齒405與兩定齒形成的差分電容的變化與縱梁202或被測微梁301的伸長量成正比，因此通過測量差分電容的變化量，并由電容變化突變點可確定被測微梁301斷裂時所對應(yīng)的拉伸長度，進而確定被微梁的斷裂強度。
[0032]上述測試結(jié)構(gòu)中假設(shè)橫向梳齒式電容結(jié)構(gòu)由三組完全相同的梳齒結(jié)構(gòu)構(gòu)成，而在實際應(yīng)用中可根據(jù)測試精度和靈敏度的設(shè)計要求，適當(dāng)調(diào)整梳齒結(jié)構(gòu)的組數(shù)，測量得到的電容變化量是與梳齒組數(shù)成正比的。
[0033]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括襯底(1)、門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)、被測微粱和橫向梳齒電容檢測結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于縱向中軸L完全對稱； 所述門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的兩根縱梁(202)分別垂直連接于橫寬梁(201)的兩末端，縱梁(202)的另一端固定在下錨區(qū)(203)側(cè)面； 所述被測微梁(301)與門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的兩縱梁(202)平行，位于它們正中間，一端垂直連接在橫寬梁(201)內(nèi)側(cè)的中部，另一端連接在上錨區(qū)(302)的一個側(cè)面； 所述橫向梳齒電容檢測結(jié)構(gòu)由位于門子型結(jié)構(gòu)內(nèi)的三組完全相同的梳齒結(jié)構(gòu)依次排列在被測微梁錨區(qū)(302)的后方，所有梳齒平行于橫寬梁(201);每組梳齒結(jié)構(gòu)左、右對稱，均為左定齒(401)和右定齒(403)夾著一動齒(405)，動齒(405)與兩側(cè)的左定齒(401)和右定齒(403)的間距完全相同；其中，動齒(405)的一端垂直連接在門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)的縱梁(202)內(nèi)側(cè)，另一端懸空，而左定齒(401)或右定齒(403)的一端連接在位于橫寬梁的垂直中線(L)上的第一錨區(qū)(402)或第二錨區(qū)(404)的側(cè)面，另一端懸空； 所述下錨區(qū)(203 )、上錨區(qū)(302 )、第一錨區(qū)(402 )和第二錨區(qū)(404 )置于襯底(I)上；所述門字型熱執(zhí)行結(jié)構(gòu)、被測微粱和橫向梳齒電容檢測結(jié)構(gòu)均位于同一平面，平行懸置在襯底(I)上方。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述橫寬梁(201)、縱梁(202)、被測懸臂梁(301)、左定齒(401)、右定齒(403)、動齒(405)均為摻雜單晶硅。
【文檔編號】G01N3/08GK104483196SQ201410768803
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】唐潔影, 唐丹, 王磊 申請人:東南大學(xué)