CN102980506B - 微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力的测量结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力的测量结构，包括衬底、n个十字梁，下拉电极、呈阶梯形的第一衬底接触电极、n个衬底接触电极和拉动电极；每个十字梁均由横梁和扭转支撑梁组成；扭转支撑梁通过锚区连接在衬底上；下拉电极、第一衬底接触电极、n个衬底接触电极和拉动电极连接在衬底顶面，且拉动电极位于n个十字梁一测的下方，下拉电极和第一衬底接触电极位于n个十字梁另一侧的下方，n个十字梁下方对应的第一衬底接触电极的长度呈阶梯变化，每个十字梁的下方对应设置一个衬底接触电极，且各衬底接触电极靠近第一衬底接触电极。该测量结构能够获取微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力，且测量结果准确。

Description

微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力的测量结构

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，涉及一种微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力的测量结构。

背景技术

MEMS器件一般都含有可动结构，在工作中常存在两表面间的相互接触问题。由于MEMS结构的尺寸为微米量级，所以比表面积很大，这使得表面作用力对器件的影响异常明显。目前，表面作用力引起的结构的粘附失效已成为MEMS器件的一个主要失效模式。为了消除粘附失效的隐患，必须在器件设计之初就加以关注。例如，对于MEMS常见的微梁结构而言，设计时必须了解不会发生粘附失效的接触长度范围，保证微梁接触运动时自身的回复力大于表面粘附力，以确保器件的可靠性使用。因此，方便且准确地测量接触粘附的临界接触长度和粘附力，获取表面接触的信息，可以为预防微梁的粘附失效，为优化MEMS结构设计提供必要的参考依据。

目前，获取粘附表面接触信息的方法比较繁琐，有人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，观测梁的接触粘附情况，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，通过设计测量结构进行实测，直接获取与粘附相关的信息，显得更为方便和准确。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是，提供一种微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力的测量结构，利用该测量结构能够获取微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力，且测量结果准确。

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：

一种微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力的测量结构，所述的测量结构包括衬底、n个具有相同尺寸和材料的十字梁，用于静电激励的下拉电极、呈阶梯形的第一衬底接触电极、n个衬底接触电极和促使粘附分离的拉动电极，n为大于等于2的整数；每个十字梁均由横梁和与横梁垂直交叉连接的扭转支撑梁组成，所有横梁相互平行，且处于悬空状态；扭转支撑梁通过锚区连接在衬底上，且所有扭转支撑梁位于同一直线上；下拉电极、第一衬底接触电极、n个衬底接触电极和拉动电极连接在衬底顶面，且拉动电极位于n个十字梁一测的下方，下拉电极和第一衬底接触电极位于n个十字梁另一侧的下方，且第一衬底接触电极位于十字梁端部下方，n个十字梁下方对应的第一衬底接触电极的长度呈阶梯变化，每个十字梁的下方对应设置一个衬底接触电极，且各衬底接触电极靠近第一衬底接触电极。

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接触粘附的临界接触长度和粘附力。该测量结构包括衬底、n个具有相同尺寸和材料的十字梁，用于静电激励的下拉电极、呈阶梯形的第一衬底接触电极、n个衬底接触电极和促使粘附分离的拉动电极。第一衬底接触电极呈阶梯形状，使各横梁在不同静电载荷下能够形成不同的接触长度，接触长度可根据各衬底接触电极与第一衬底接触电极的接通情况加以判断。释放静电载荷后，不能够自动弹起的十字粱即发生接触粘附。由未发生粘附和已发生粘附的两个相邻的十字梁的接触长度，可以得到十字梁可能发生接触粘附的临界接触长度的信息。测量结构通过扭转支撑梁的作用，能够形成如跷跷板般的起伏运动。对于已生粘附的梁，在拉动电极上施加电压就会使粘附端受到一个向上的提拉作用，从而促使粘附分离。根据施加在拉动电极上的电压，则可推算得到粘附力。本发明提供的测量结构使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是本发明的结构示意图。

图2是本发明省去十字梁后的结构示意图。

图中有：衬底1、第一十字梁31、第二十字梁32、第三十字梁33、第四十字梁34、下拉电极6、拉动电极7、第二衬底接触电极81、第三衬底接触电极82、第四衬底接触电极83、第五衬底接触电极84、第一衬底接触电极9、第一横梁21、第二横梁22、第三横梁23、第四横梁24、第一扭转支撑梁41、第二扭转支撑梁42、第三扭转支撑梁43、第四扭转支撑梁44、锚区51-58。

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。

本发明的一种微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力的测量结构，包括衬底1、n个具有相同尺寸和材料的十字梁，用于静电激励的下拉电极6、呈阶梯形的第一衬底接触电极9、n个衬底接触电极和促使粘附分离的拉动电极7。其中，n为大于等于2的整数。n优选为4—6。每个十字梁均由横梁和与横梁垂直交叉连接的扭转支撑梁组成。所有横梁相互平行，且处于悬空状态。扭转支撑梁通过锚区连接在衬底1上，且所有扭转支撑梁位于同一直线上。下拉电极6、第一衬底接触电极9、n个衬底接触电极和拉动电极7连接在衬底1顶面，且拉动电极7位于n个十字梁一测的下方。拉动电极7位于十字梁一侧末端的下方为佳。下拉电极6和第一衬底接触电极9位于n个十字梁另一侧的下方，且第一衬底接触电极9位于十字梁端部下方。n个十字梁下方对应的第一衬底接触电极9的长度呈阶梯变化。每个十字梁的下方对应设置一个衬底接触电极，且各衬底接触电极靠近第一衬底接触电极9。

以n等于4为例，来说明该测量结构及其工作原理。如图1所示，该测量结构包括衬底1、由第一十字梁31、第二十字梁32、第三十字梁33和第四十字梁34组成的四个十字梁、用于静电激励的下拉电极6、呈阶梯形状的第一衬底接触电极9、第二衬底接触电极81、第三衬底接触电极82、第四衬底接触电极83、第五衬底接触电极84和促使粘附分离的拉动电极7。四个十字梁具有相同的尺寸和形状，且有相同材料制成。第一十字梁31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41组成，第二十字梁32由第二横梁22和与第二横梁22垂直交叉连接的第二扭转支撑梁42组成，第三十字梁33由第三横梁23和与第三横梁23垂直交叉连接的第三扭转支撑梁43组成，第四十字梁34由第四横梁24和与第四横梁24垂直交叉连接的第四扭转支撑梁44组成。第一横梁21、第二横梁22、第三横梁23和第四横梁24相互平行，且处于悬空状态。第一扭转支撑梁41、第二扭转支撑梁42、第三扭转支撑梁43和第四扭转支撑梁44分别通过锚区51-58连接在衬底1上，且四个扭转支撑梁位于同一直线上。下拉电极6、第一衬底接触电极9、第二衬底接触电极81、第三衬底接触电极82、第四衬底接触电极83、第五衬底接触电极84和拉动电极7连接在衬底1顶面。拉动电极7位于四个十字梁一测的下方。拉动电极7位于四个十字梁一侧末端的下方为佳，这样拉动电极7对四个十字梁施加的力最大。下拉电极6和第一衬底接触电极9位于四个十字梁另一侧的下方。第一衬底接触电极9位于十字梁端部下方，四个十字梁下方对应的衬底接触电极9的长度呈阶梯变化。第二衬底接触电极81位于第一十字梁31的下方，且靠近第一衬底接触电极9。第三衬底接触电极82位于第二十字梁32的下方，且靠近第一衬底接触电极9。第四衬底接触电极83位于第三十字梁33的下方，且靠近第一衬底接触电极9。第五衬底接触电极84位于第四十字梁34的下方，且靠近第一衬底接触电极9。

该测量结构中的衬底1用单晶硅制成。四个十字梁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6、第一衬底接触电极9、第二衬底接触电极81、第三衬底接触电极82、第四衬底接触电极83、第五衬底接触电极84和拉动电极7均为多晶硅材料或金属材料（优选金或铝）制成。

在加工MEMS器件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。本测量结构基于MEMS加工技术制作，这里以多晶硅材料为例。制作过程为：在硅衬底上先生长一层薄的氧化层SiO₂，再淀积一层氮化硅Si₃N₄；然后淀积第一层多晶硅并掺杂，按照设计的电极分布图形，刻出隔离区，形成下拉电极、阶梯形状的衬底接触电极、窄条电极和拉动电极这些区域；生长磷硅玻璃（简称：PSG）作为牺牲层，并刻出锚区图形；再生长一层厚的多晶硅作为结构层，离子注入，退火并光刻出悬臂梁和弹性支撑结构相应的结构图形；然后淀积一层金属铝作为压焊引出用；刻完金属图形后，最后腐蚀PSG释放结构。

该测量结构的测量原理简述如下：该测量结构的特点在于第一衬底接触电极9呈阶梯形状，使得四个十字粱的横梁在不同静电力的下拉作用下，可出现不同的接触长度。常态下，第一衬底接触电极9与相应位置的第二衬底接触电极81、第三衬底接触电极82、第四衬底接触电极83和第五衬底接触电极84之间是断开的，其间距约2μm左右。只有当横梁下拉至与第一衬底接触电极9和第二衬底接触电极81之间、第一衬底接触电极9和第三衬底接触电极82之间、第一衬底接触电极9和第四衬底接触电极83之间、第一衬底接触电极9和第五衬底接触电极84之间分别接触时，两电极才导通。这样，通过测量两电极之间的电阻值，即可判断横梁与衬底1的接触情况。

该测量结构的具体测试过程是：

1）在第一十字梁31和下拉电极6之间，第二十字梁32和下拉电极6之间、第三十字梁33和下拉电极6之间、第四十字梁34和下拉电极6之间施加不同电压，各十字梁中的横梁的一端（图1中为左端）向下弯曲，并与第一衬底接触电极9接触。随电压增加，横梁与衬底1的接触长度也会增加。

2）测量中，一旦测试到第一衬底接触电极9分别与第二衬底接触电极81、第三衬底接触电极82、第四衬底接触电极83和第五衬底接触电极84接通，即表明：第一横梁21与衬底1的接触长度相当于第一横梁21与第一衬底接触电极9相应台阶的高度，记为L₃₁；第二横梁22与衬底1的接触长度相当于第二横梁22与第一衬底接触电极9相应台阶的高度，记为L₃₂；第三横梁23与衬底1的接触长度相当于第三横梁23与第一衬底接触电极9相应台阶的高度，记为L₃₃；

第四横梁24与衬底1的接触长度相当于第四横梁24与第一衬底接触电极9相应台阶的高度，记为L₃₄。这时，逐步减小静电激励，直至为零。若横梁重新弹起离开衬底1，则表明该十字梁未发生粘附。若十字梁无法弹起，则发生粘附。测量第一十字梁31、第二十字梁32、第三十字梁33和第四十字梁34分别与第一衬底接触电极9之间的电阻，即可判断十字梁是否弹起。具体过程为：若电阻值为MΩ量级，则表明横梁重新弹起，并离开衬底1，十字梁未发生粘附；若电阻值小于KΩ量级，则表明横梁无法弹起，发生粘附。

3）由未发生粘附和已发生粘附的两个相邻的十字梁的接触长度，可以得到十字梁可能发生接触粘附的临界长度信息。例如，测量第二十字梁32与第一衬底接触电极9之间的电阻为MΩ量级，表明第二十字梁32中的第二横梁22已弹起，未粘附。测量第三十字梁33与第一衬底接触电极9之间的电阻为之间的电阻小于KΩ量级，表明第三十字梁33中的第三横梁23未弹起，已发生粘附。这样，当接触长度L>L₃₂时，有可能会发生粘附。因此，可以认为L₃₂为相应微梁可能发生粘附的临界接触长度。

4）对于已发生粘附的十字梁，在拉动电极7上加载电压，通过扭转支撑梁的作用，使得横梁的一端（图1中为右端）向下运动，横梁的发生粘附的另一端（图1中为左端）受到一个向上的提拉作用而翘起，粘附分离。

5）根据施加在拉动电极7上的静电力，可推算得到与台阶高度相当的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 (1)

1.一种微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力的测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括衬底(1)、n个具有相同尺寸和材料的十字梁，用于静电激励的下拉电极(6)、呈阶梯形的第一衬底接触电极(9)、n个衬底接触电极和促使粘附分离的拉动电极(7)，n为4—6；

每个十字梁均由横梁和与横梁垂直交叉连接的扭转支撑梁组成，所有横梁相互平行，且处于悬空状态；扭转支撑梁通过锚区连接在衬底(1)上，且所有扭转支撑梁位于同一直线上；

下拉电极(6)、第一衬底接触电极(9)、n个衬底接触电极和拉动电极(7)连接在衬底(1)顶面，且拉动电极(7)位于n个十字梁一侧末端的下方，下拉电极(6)和第一衬底接触电极(9)位于n个十字梁另一侧的下方，且第一衬底接触电极(9)位于十字梁端部下方，n个十字梁下方对应的第一衬底接触电极(9)的长度呈阶梯变化，每个十字梁的下方对应设置一个衬底接触电极，且各衬底接触电极靠近第一衬底接触电极(9)。