CN102944515B - 一种微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构，包括衬底、被测十字梁、参考十字梁、下拉电极、拉动电极、衬底接触电极和窄条电极组；被测十字梁由第一横梁和第一扭转支撑梁组成，参考十字梁由第二横梁和第二扭转支撑梁组成，第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁分别通过锚区连接在衬底上；衬底接触电极和下拉电极位于第一横梁同一侧下方；窄条电极组位于第二横梁一侧端部的下方；拉动电极位于第一横梁另一侧和第二横梁另一侧的下方；所述的窄条电极组包括至少三根相互平行布置的窄条电极，每根窄条电极的末端均连接一个压焊块。利用该测量结构能够获取被测十字梁的粘附力性能。本发明还公开了该测量结构的测量方法，方便易行。

Description

一种微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构及测量方法

技术领域

本发明涉及一种微机械系统（文中简称MEMS）制造、性能及其可靠性测试的领域，具体来说，涉及一种微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构及测量方法。

背景技术

MEMS器件，如开关、加速度计等，其中的可动结构在工作中常常会出现两表面互相粘连在一起的现象，导致MEMS器件失效。粘附与可动结构的材料、几何尺寸以及加工工艺密切相关，影响因素复杂。为了了解和掌握MEMS器件在不同环境下的粘附特性，提供一种方便且准确的接触粘附力测量方法显得非常必要。

目前粘附力的测量方法主要是利用原子力显微镜对两块材料的粘附力进行测量，也有利用白光干涉仪，通过测量梁的粘附临界长度计算粘附能，间接获取粘附力信息。现有的测量方法，操作要求高，仪器成本昂贵。因此，提供一种电学测量方法，直接获取有关粘附力的信息，显得更为方便和实用。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是，提供一种微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构，利用该测量结构能够获取被测十字梁的粘附力性能，同时本发明还提供该测量结构的测量方法，该方法方便易行，结果可靠。

技术方案：为实现解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构，所述的测量结构包括衬底、被测十字梁、参考十字梁、用于静电激励的下拉电极、用于粘附分离的拉动电极、衬底接触电极和窄条电极组；被测十字梁和参考十字梁具有相同尺寸和形状，且由相同材料制成；被测十字梁由第一横梁和与第一横梁垂直交叉连接的第一扭转支撑梁组成，参考十字梁由第二横梁和与第二横梁垂直交叉连接的第二扭转支撑梁组成，第一横梁平行于第二横梁，第一扭转支撑梁的两端和第二扭转支撑梁的两端分别通过锚区连接在衬底上，且第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁位于同一直线上；下拉电极、拉动电极、衬底接触电极和窄条电极组均连接在衬底上，衬底接触电极和下拉电极位于第一横梁同一侧下方，且衬底接触电极位于第一横梁端部的下方；窄条电极组位于第二横梁一侧端部的下方；拉动电极位于第一横梁另一侧和第二横梁另一侧的下方；所述的窄条电极组包括至少三根相互平行布置的窄条电极，相邻窄条电极之间留有间隙，每根窄条电极的末端均连接一个压焊块。

上述的微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构的测量方法，所述的测量方法包括以下步骤：

步骤1）在被测十字梁和下拉电极之间，以及参考十字梁和下拉电极之间施加电压，第一横梁和第二横梁的同一侧端部将同步向下弯曲，并与下方的衬底接触电极或窄条电极组相接触，施加电压越大，接触长度越长；

步骤2）测量窄条电极组中各窄条电极的接通情况，判断参考十字梁与窄条电极组的接触位置，该接触位置的长度等同于被测十字梁与衬底接触电极的接触长度；

步骤3）逐步减小下拉电极上的电压，直至为零，若第一横梁重新弹起离开衬底，则被测十字梁未发生粘附，返回步骤1），并加大施加在被测十字梁和下拉电极之间，以及参考十字梁和下拉电极之间的电压；若第一横梁无法弹起，则被测十字梁发生粘附，进入步骤4）；

步骤4）在用于粘附分离的拉动电极上施加电压，第一横梁的一端向下运动，带动第一扭转支撑梁扭转，从而使第一横梁发生粘附的另一端翘起，使粘附分离；

5）根据步骤4）中施加在被测十字梁与拉动电极之间的电压，得到施加的静电力，再由杠杆原理推算得到一定接触长度下的粘附力。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案可以准确测量微悬臂梁的粘附力。本发明通过增加参考十字梁与窄条电极组的接触结构，既能反映MEMS可动结构的实际接触情况，又能提供度量接触长度的手段。通过带有扭转支撑梁的十字梁结构，在静电力的作用下，能够形成如跷跷板般的起伏运动，使十字梁易于实现粘附和粘附分离之间的转换。由杠杆原理即可推算得到一定接触长度下的粘附力。本发明提供的测量方法简单易行，能够实现不同粘附长度下的粘附力测量。在整个测量过程中施加和检测的都是电学参量，由于接触和非接触的电阻相差很大，易于测量。因此，整个测试过程测量速度较快，且对测量仪器的要求低，可以很方便的实现在线测试。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中省却被测十字梁2和参考十字梁3后的衬底结构示意图。

图中有：衬底1、被测十字梁2、参考十字梁3、下拉电极4、拉动电极5、衬底接触电极6、窄条电极组7、第一横梁21、第一扭转支撑梁22、第二横梁31、第二扭转支撑梁32、压焊块71—79、锚区81—84。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构，包括衬底1、被测十字梁2、参考十字梁3、用于静电激励的下拉电极4、用于粘附分离的拉动电极5、衬底接触电极6和窄条电极组7。被测十字梁2和参考十字梁3具有相同尺寸和形状，且由相同材料制成。被测十字梁2由第一横梁21和与第一横梁21垂直交叉连接的第一扭转支撑梁22组成。参考十字梁3由第二横梁31和与第二横梁31垂直交叉连接的第二扭转支撑梁32组成。第一横梁21平行于第二横梁31。第一扭转支撑梁22的两端和第二扭转支撑梁32的两端分别通过锚区连接在衬底1上，且第一扭转支撑梁22和第二扭转支撑梁32位于同一直线上。被测十字梁2和锚区可以做成整体式结构。参考十字梁3和锚区也可以做成整体式结构。下拉电极4、拉动电极5、衬底接触电极6和窄条电极组7均连接在衬底1上。衬底接触电极6和下拉电极4位于第一横梁21同一侧下方，且衬底接触电极6位于第一横梁21端部的下方。窄条电极组7位于第二横梁31一侧端部的下方。拉动电极5位于第一横梁21另一侧和第二横梁31另一侧的下方。窄条电极组7包括至少三根相互平行布置的窄条电极，相邻窄条电极之间留有间隙，每根窄条电极的末端均连接一个压焊块。

如图1所示，窄条电极组由9个窄条电极组成。9个窄条电极的末端连接有压焊块71—79。第一扭转支撑梁22的两端和第二扭转支撑梁32的两端连接在锚区81—84上，锚区81—84固定连接在衬底1上。图示只是举例，窄条电极的个数不限于图示中的9个。

该测量结构中的衬底1用单晶硅制成。被测十字梁2和参考十字梁3可以是掺杂的多晶硅或单晶硅梁，也可以是金属梁。下拉电极4、拉动电极5、衬底接触电极6、窄条电极和压焊块均为金属材料制成（金或铝）。窄条电极的宽度和间隔可根据测量精度和工艺精度确定，优选为几个μm。

在加工该测量结构时，可以作为陪片一同加工，无须专门制作，与传统MEMS梁的制作过程类似。实际应用中，MEMS可动梁的衬底接触电极多为光板式。

上述结构的微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构的具体测量步骤如下：

（1）在被测十字梁2和下拉电极4之间，以及参考十字梁3和下拉电极4之间施加相同的直流电压，在静电力作用下，第一横梁21和第二横梁31的同一侧端部将同步向下弯曲，图1中为左侧端部向下弯曲，随施加的直流电压逐步增加，第一横梁21和第二横梁31的弯曲加大，并与下方的衬底接触电极6或窄条电极组7相接触。施加的直流电压越大，接触长度越长。因为被测十字梁2和参考十字梁3的材料和尺寸完全相同，所以在相同静电力作用下，被测十字梁2和参考十字梁3与衬底的接触长度相等。

（2）当参考十字梁3的第二横梁31与两条及两条以上的窄条电极相接触时，将使相应的窄条电极接通，依次测量压焊块之间的电阻，如图1中的压焊块71与72之间、压焊块71与73之间、压焊块71与74之间、…、压焊块71与79之间的电阻；当电阻值小于100Ω量级时，则参考十字梁3已接触到相应窄条电极处；若电阻值大于MΩ量级时，则参考十字梁3未接触到相应窄条电极处。这样，通过测量各窄条电极之间的电阻值，可判断参考十字梁3中的第二横梁31与窄条电极组7的接触位置。该接触位置等于被测十字梁2与衬底接触电极6的接触长度。

（3）对于一定接触长度的被测十字梁2，当逐步减小其与下拉电极4之间所施加的电压，直至为零时，被测十字梁2与衬底接触电极6之间的电阻值，若电阻值大于MΩ量级，则表明第一横梁21重新弹起，并离开衬底1，该被测十字梁2未发生粘附，返回步骤1），并加大施加在被测十字梁2和下拉电极4之间，以及参考十字梁3和下拉电极4之间的电压；若电阻值小于100Ω量级，则表明第一横梁21无法弹起，发生粘附，进入步骤（4）。当外加电压撤除后，十字梁或者粘附（即与衬底接触：衬底接触电极之间的电阻小于100Ω），或者弹起（即与衬底分离：电阻大于MΩ量级）。

（4）对于发生粘附的被测十字梁2，在用于粘附分离的拉动电极5和被测十字梁2之间施加直流电压，第一横梁21的一端向下运动，图1中为第一横梁21的右端向下运动，带动第一扭转支撑梁22扭转，从而使第一横梁21的另一端翘起，图1中为第一横梁21的左端翘起，粘附分离。

（5）根据步骤（4）中施加在被测十字梁2与拉动电极5之间的电压，得到施加的静电力，再由杠杆原理推算得到一定粘附长度下的粘附力。

当参考十字梁3与窄条电极之间发生粘附时，上述测量方法还包括步骤（6）。步骤（6）在参考十字梁3与拉动电极5之间施加电压，使第二横梁31的一端向下运动，带动第二扭转支撑梁32扭转，从而使第二横梁31发生粘附的另一端翘起，使粘附分离，恢复到原状。

上述方法提供了施加一种电压值下，测量得到的粘附力。当需要可获取不同接触长度下的粘附力时，就进行步骤（7）的操作。

步骤（7）重复步骤1—步骤6，在被测十字梁2和下拉电极4之间，以及参考十字梁3和下拉电极4之间施加不同电压，使被测十字梁2和参考十字梁3与衬底1的接触长度不同，获取不同接触长度下的粘附力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构，其特征在于：所述的测量结构包括衬底（1）、被测十字梁（2）、参考十字梁（3）、用于静电激励的下拉电极（4）、用于粘附分离的拉动电极（5）、衬底接触电极（6）和窄条电极组（7）；

被测十字梁（2）和参考十字梁（3）具有相同尺寸和形状，且由相同材料制成；被测十字梁（2）由第一横梁（21）和与第一横梁（21）垂直交叉连接的第一扭转支撑梁（22）组成，参考十字梁（3）由第二横梁（31）和与第二横梁（31）垂直交叉连接的第二扭转支撑梁（32）组成，第一横梁（21）平行于第二横梁（31），第一扭转支撑梁（22）的两端和第二扭转支撑梁（32）的两端分别通过锚区连接在衬底（1）上，且第一扭转支撑梁（22）和第二扭转支撑梁（32）位于同一直线上；

下拉电极（4）、拉动电极（5）、衬底接触电极（6）和窄条电极组（7）均连接在衬底（1）上，衬底接触电极（6）和下拉电极（4）位于第一横梁（21）同一侧下方，且衬底接触电极（6）位于第一横梁（21）端部的下方；窄条电极组（7）位于第二横梁（31）一侧端部的下方；拉动电极（5）位于第一横梁（21）另一侧和第二横梁（31）另一侧的下方；所述的窄条电极组（7）包括至少三根相互平行布置的窄条电极，相邻窄条电极之间留有间隙，每根窄条电极的末端均连接一个压焊块。

2.一种根据权利要求1所述的微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：

步骤1）在被测十字梁（2）和下拉电极（4）之间，以及参考十字梁（3）和下拉电极（4）之间施加电压，第一横梁（21）和第二横梁（31）的同一侧端部将同步向下弯曲，并与下方的衬底接触电极（6）或窄条电极组（7）相接触，施加电压越大，接触长度越长；

步骤2）测量窄条电极组（7）中各窄条电极的接通情况，判断参考十字梁（3）与窄条电极组（7）的接触位置，该接触位置的长度等同于被测十字梁（2）与衬底接触电极（6）的接触长度；

步骤3）逐步减小下拉电极（4）上的电压，直至为零，若第一横梁（21）重新弹起离开衬底（1），则被测十字梁（2）未发生粘附，返回步骤1），并加大施加在被测十字梁（2）和下拉电极（4）之间，以及参考十字梁（3）和下拉电极（4）之间的电压；若第一横梁（21）无法弹起，则被测十字梁（2）发生粘附，进入步骤4）；

步骤4）在用于粘附分离的拉动电极（5）上施加电压，第一横梁（21）的一端向下运动，带动第一扭转支撑梁（22）扭转，从而使第一横梁（21）发生粘附的另一端翘起，使粘附分离；

5）根据步骤4）中施加在被测十字梁（2）与拉动电极（5）之间的电压，得到施加的静电力，再由杠杆原理推算得到一定接触长度下的粘附力。

3.根据权利要求2所述的微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构的测量方法，其特征在于，还包括步骤6）：在参考十字梁（3）与拉动电极（5）之间施加电压，第二横梁（31）的一端向下运动，带动第二扭转支撑梁（32）扭转，从而使第二横梁（31）发生粘附的另一端翘起，使粘附分离，恢复到原状。

4.根据权利要求3所述的微机械系统中微悬臂梁粘附力的测量结构的测量方法，其特征在于，还包括步骤7）：重复步骤1）—步骤6），在被测十字梁（2）和下拉电极（4）之间，以及参考十字梁（3）和下拉电极（4）之间施加不同电压，使被测十字梁（2）和参考十字梁（3）与衬底（1）的接触长度不同，获取不同接触长度下的粘附力。