CN101017109A - 微悬臂梁粘附特性的检测方法 - Google Patents

Abstract

微梁结构粘附特性的检测方法是一种专门用于检测微梁结构粘附的方法，其特征在于当微梁结构(悬臂梁及双端固支梁)完全或者部分发生粘附时，其结构形状和有效长度将发生改变，根据振动力学原理，从而导致微梁的振动的固有频率发生变化。该方法基于多普勒仪(Doppler)测振系统，多普勒仪(Doppler)的函数发生器驱待测样品振动，加载扫频信号，将激光束聚焦在梁结构上，就会得到梁结构振动的幅频特性。通过对比测得的固有频率值和理论值，即可判断出梁结构是否与衬底粘附在一起。该方法具有创新性，结构上具有代表性，可以动态测试，以及精度高、可靠度高、快捷等优点。

Description

微悬臂梁粘附特性的检测方法

技术领域

本发明是一种利用多普勒仪测振系统，基于微梁结构固有频率变化的测试方法，属于微电子机械系统可靠性测试的技术领域。

背景技术

可靠性研究是工业化过程中的一个不可缺少的环节，可靠性的很多方面也已经得到了很好的研究。然而由于MEMS器件在加工和使用过程中常常发生粘附失效，近年来得到了越来越多的关注。关于MEMS器件中微梁结构粘附可靠性的分析及测试方法，通常是由扫描电镜(SEM)，以一定倾角来观测梁的弯曲，以此判断微梁是否与衬底接触。这样的测试存在一定的局限性，其一，由于视觉原因，无法准确判断梁结构是否确切地粘在衬底上。其二，SEM只能做静态分析而无法实现粘附的动态测试。本发明提供的多普勒(Doppler)振动测量系统测试MEMS器件悬臂梁及双端固支梁的粘附特性的方法避免了以上问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种微悬臂梁粘附特性的检测方法，即使用多普勒测振仪测试梁结构发生粘附前后的固有频率的变化。该方法具有精度高、可靠度高、并且可进行动态测试等优点。

技术方案：本发明的微悬臂梁和双端固支梁粘附特性的检测方法使用多普勒测振仪检测微悬臂梁和双端固支梁的粘附特性，具体测试流程为：

1).根据被测梁的材料参数，包括材料密度、杨氏模量；以及被测梁的结构参数，包括长、宽、高，计算出被测梁结构振动的固有频率理论值；

2).使用多普勒测振仪，将其激光束聚焦在被测梁结构的固支端附近，加载扫频激励信号，具体方法可以使用函数发生器激励或者压电陶瓷片激励，测试出被测样品振动的固有频率值；

3).对比固有频率的实际测量值与固有频率理论计算值，如果实际测量值与理论计算值相同，则说明被测微梁结构没有发生粘附；如果实际测量值与理论计算值相差较大，则可以判断被测微梁结构发生了粘附。

当梁结构发生完全粘附，梁不会振动。当梁发生部分粘附，梁的有效长度就会改变，固有频率就会变化。对于悬臂梁，若发生粘附，自由端就会与衬底粘在一起，结构类型由悬臂梁变为双端固支梁，根据振动力学原理，梁的固有频率就会发生改变。对于双端固支梁，若发生粘附，结构就会由一个双端固支梁变成两个或者多个双端固支梁。有效长度明显改变，梁的固有频率就会发生改变。

有益效果：本发明方法，简单直观，可靠性好，精度高。传统观测梁结构粘附的方法是使用扫描电子显微镜(SEM)，使用这种方法要求较高，首先，要求待测样品制作尺寸较小，因为样品加载在SEM的载物台上，在进行粘附现象的观察时，要使载物台进行旋转以便观察侧面情况，如果样品尺寸过大容易损坏SEM的激光头。其次，根据SEM观测原理，进行SEM观察时要求待测样品具有导电性，若待测样品不具有导电性，则需要在样品表面喷金，使样品具有导电性，这样就使观察有了局限性，并且破坏了样品表面的原始状态。此外，仅凭视觉观察来判断粘附，存在一定误差。

针对此种方法的种种局限性，本发明提出了使用多普勒仪(Doppler)测试方案。该方案克服了传统SEM方法的种种弊端，在此基础上，本发明还有其传统方法不具有的特性：

1.该方法还可以更精确地测试粘附现象。在传统方法下，虽然能够观测到梁结构的塌陷，但是在显示器上观测时，由于视觉原因，不能准确地确定梁结构是否粘在衬底上，就是说梁虽然塌陷但是还与衬底有微小的距离，并没有粘在一起。在新方案下，通过测量幅频特性，根据谐振频率的位置及振幅，便可精确地确定是否有粘附现象。

2.该方法可以用于动态测试。因为粘附现象可能发生在工作过程当中，通过使用多普勒仪(Doppler)测振仪实时测量梁的幅频特性，可以动态监控测是否发生粘附。

附图说明

图1是本发明测试方法流程图；

图2是本发明悬臂梁粘附示意图。

图3是本发明双端固支梁粘附示意图。

具体实施方式

本发明采用如附图所示的方案实现。该测试系统包括多普勒测振仪(Doppler)、待测样品。待测样品包括悬臂梁及双端固支梁结构。

该方法的具体实施步骤如下：将待测样品通过多普勒仪(Doppler)的函数发生器驱动，驱动信号加载为带宽一定的扫频信号，通电后待测样品就会振动。多普勒仪(Doppler)的激光发射器通过发射激光，将激光束投射在待测的梁结构上，并且回收梁结构反射回来的激光信号，经过多普勒仪(Doppler)的信号硬件及软件部分处理，就可以在显示器上观测到梁的振动情况。具体测试流程为：

例如测量一个多晶硅材料微悬臂梁粘附特性：

1).根据该被测梁的材料参数，即材料密度ρ为2.331g/cm3、杨氏模量E为160Gpa；以及被测梁的结构参数，即长l＝100μm、宽＝4μm、高＝2μm，由振动理论可得到悬臂梁的一阶固有频率为 ${\mathrm{\λ}}_1={\left(\frac{1.875}{l}\right)}^{2}h\sqrt{\frac{E}{12\mathrm{\ρ}}},$ 计算出结构振动的固有频率理论值＝1.712×10⁶Hz；

2).使用多普勒测振仪，将其激光束聚焦在被测梁结构的固支端附近，加载扫频激励信号，频率从1Hz～2MHz、幅度为3v，具体方法可以使用函数发生器激励或者压电陶瓷片激励，测试出被测样品振动的固有频率值＝1.976×10⁶Hz；

3).对比固有频率的实际测量值与固有频率理论计算值，如果实际测量值与理论计算值相同，则说明被测微梁结构没有发生粘附；如果实际测量值与理论计算值相差较大，则可以判断被测微梁结构发生了粘附。从上面的结果可以看出，固有频率实际测量值比理论值大，可以判断被测微梁结构发生了粘附。

对于悬臂梁，若其发生完全粘附，则梁结构不会振动。若其不发生粘附，则测得的固有频率与理论值应该相同。若其发生部分粘附，自由端会与衬底粘在一起，梁的结构类型变为双端固支梁，有效长度会减小，固有频率将作相应变化，通过对比幅频特性曲线，即可判断出微梁结构是否发生粘附。

对于双端固支梁，若其发生完全粘附，则梁结构不会振动。若其不发生粘附，则测得的固有频率与理论值应该相同。若其发生部分粘附，其结构会变成两个或者多个双端固支梁，有效长度明显减小，固有频率会发生较大变化，通过对比幅频特性曲线，即可判断出微梁结构是否粘附。

Claims (1)

1.一种微悬臂梁和双端固支梁粘附特性的检测方法，其特征在于该检测方法使用多普勒测振仪检测微悬臂梁和双端固支梁的粘附特性，具体测试流程为：

1).根据被测梁的材料参数，包括材料密度、杨氏模量；以及被测梁的结构参数，包括长、宽、高，计算出被测梁结构振动的固有频率理论值；

2).使用多普勒测振仪，将其激光束聚焦在被测梁结构的固支端附近，加载扫频激励信号，具体方法可以使用函数发生器激励或者压电陶瓷片激励，测试出被测样品振动的固有频率值；

3).对比固有频率的实际测量值与固有频率理论计算值，如果实际测量值与理论计算值相同，则说明被测微梁结构没有发生粘附；如果实际测量值与理论计算值相差较大，则可以判断被测微梁结构发生了粘附。

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