CN103424064A - 高分辨率微机电测微游标尺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量微机电结构微小几何尺寸变化量和（或）移动量的高分辨率测微游标尺结构，该高分辨率测微游标尺结构包括：一维移动测量游标尺、用于移动量放大的杠杆机构和相对型电热执行器。该装置利用电流产生热驱动方式移动测试探头，利用杠杆结构增强灵敏度，利用特殊的游标尺测量等效移动量，由杠杆的放大倍率设计可以有效且简单地提高测微分辨率。

Description

高分辨率微机电测微游标尺

技术领域

本发明提供了一种用于微机电结构移动量测量的高分辨率微机电测微游标尺结构。属于微机电系统（MEMS）测试技术领域。

背景技术

通常情况下，微机电器件（MEMS）中运动部件的移动量非常小，另一方面，MEMS材料经常存在残余应力，因残余应力释放产生结构的伸长或缩短，其实际产生的几何尺寸变化数值也非常小，另外，材料热膨胀所产生的微小几何尺寸变化也需要测量，这些数值非常小的变化量测量时需要高的分辨率。在线测量条件下如何能够精确、灵敏地实现测试目标，是一个实用性的技术问题。

微小量的测量方法多种多样，大多数需要借助特殊的仪器。比较理想的方法是进行在线测量，即不离开加工环境并采用通用设备进行测试。在线测试条件下，利用与正片同时加工的测试结构进行测量是一种重要的测试方法。但由于在线测试所采用的仪器主要是常规设备，分辨率有限，因此，利用测试结构本身的设计来实现高分辨率的测量就是一个关键技术问题。

本发明提供了一种用于测量微机电结构微小几何尺寸变化量和（或）移动量的高分辨率测微游标尺结构，利用电流产生热驱动方式移动测试探头，利用杠杆结构增强灵敏度，利用特殊的游标尺测量等效移动量。由杠杆的放大倍率设计可以有效且简单地提高测微分辨率。并且，该游标尺结构完全采用通常的MEMS材料和MEMS基本加工技术，与MEMS器件正片同步加工，采用简单的电流源和普通光学显微镜即可进行测量。

发明内容

本发明提供了一种用于测量微机电结构微小几何尺寸或间距变化的测微游标尺结构，该结构利用杠杆原理对游标实测移动量进行放大，有效地提高测微分辨率。该游标尺既可以测量MEMS运动部件的微小移动，也可以测量因材料残余应力释放所产生的几何尺寸或间距的变化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高分辨率微机电测微游标尺，该游标尺结构由一维移动测量游标尺、用于移动量放大的杠杆机构、相对型电热执行器以及及连接以上三部分的若干梁组成，其特征在于，所述的一维移动测量游标尺由左右两部分组成，其左半部分包括多个相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，旋转后的“T”型结构由水平矩形和与其垂直的竖直矩形构成；各个“T”型结构的水平矩形与直梁垂直连接，“T” 型结构的竖直矩形的两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线，所有“T” 型结构的尺寸完全相同，所有A基线在一条直线上，B基线在另一条直线上；

其中，所述的一维移动测量游标尺的右半部分由梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构构成，梳齿结构由锚区和垂直连接到锚区的若干齿构成，在齿上与“T” 型结构相邻的一边设计有“凸”型结构，所述“凸”型结构的个数等于齿的个数减1后乘以2，自下而上地任何两个上下相邻的“凸”型结构，上面的“凸”型结构比下面的“凸”型结构向右平移2△，所述“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中，最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线，C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距均等于[（“凸”型个数×2-1）×△]，其中所述△为游标的最小分辨单位；

所述的一维移动测量游标尺的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区与左半部分的直梁平行，右半部分的齿与左半部分“T”型结构的底部部分所对应的水平矩形平行；

所述杠杆机构由两个上下相对放置的杠杆组成，每个杠杆包括：固定在衬底上的锚区；直梁；连接锚区和直梁的细梁，细梁是杠杆的支点，该支点将直梁分割为长臂和短臂，设置在上面的杠杆，长臂在上，短臂在下，设置在下面的杠杆，长臂在下，短臂在上；

所述相对型电热执行器由上下两个横向运动电热执行器并通过两个水平直梁和竖直宽梁连接而成，横向运动电热执行器由锚区、细梁、连接梁、宽梁相互连接组成，在竖直直梁的水平中心线位置左侧有一组作为测微探针的直梁，该直梁由水平直梁和细直梁连接而成；

所述高分辨率微机电测微游标尺各组成部分的连接关系如下：相对型电热执行器中的两根水平直梁分别延伸连接到上下两个杠杆的短臂末端，在上下两个杠杆的长臂末端分别有一根水平短梁连接到一维移动测量游标尺的左半部分直梁；

整个结构除固定在衬底上的锚区外全部悬浮于衬底之上，共有7个锚区，分别是：位于一维移动测量游标尺右半部分的锚区；2个位于杠杆支点处的锚区；4个相对型电热执行器中的锚区。

所述A基线与最下边的“凸”型结构（102-10）的C3对准基线对齐，所述A基线与B基线的间距比C2、C4或C1、C3的间距大1△。

实际使用时，通过锚区对相对型电热执行器通电产生热驱动，推动探针向左移动，同时带动杠杆的短臂向左移动，经过杠杆长臂的放大，在长臂的末端产生放大了若干倍的向右移动量，上下长臂的末端水平推动一维移动测量游标尺的左半部分水平向右移动，使其和一维移动测量游标尺的右半部分产生相对移动，游标的对准位置发生变化。通过读取△数，再根据△的实际数值可以得到指针的水平推动距离，将此移动量和杠杆放大倍数相除，即可得到探针末端的实际移动量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明所提供的高分辨率微机电测微游标尺，其特点在于结构简单并且主体结构采用同层材料制造。在实际测试中，最常用的在线测试设备是显微镜，本发明所提供的一维移动游标尺是直线对准方式，在普通的显微镜下可以直观地检查对准的位置，并可根据对准位置直接读出偏移量。另一方面，本发明所提供的一维移动游标尺不受工艺偏差的影响，工艺加工中出现的最常见情况是加工线条的宽度发生变化，例如过刻蚀导致线条变细以及欠刻蚀导致的线条变宽，由于本发明的结构是同一材料，相同的加工过程，因此出现线宽误差时，“T”型结构和“凸”型结构中的对准基线的偏离程度是相同的，并且是同方向的，其相对位置并没有发生变化。

附图说明

现在将描述如本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的局部结构图；

图3是本发明的一维移动游标对准关系图；

附图标记：101-电热执行器，101-1，101-2—锚区，101-3—细梁，101-5—宽梁，101-4—连接梁，101-6—细梁；

102-一维移动测量游标尺， 102-1—水平矩形，102-2—竖直矩形，102-3—竖直梁，102-4—锚区，102-11—齿，102-5～102-10——齿上的“凸”型结构；

103—杠杆，103-1—锚区，103-3—直梁，103-2—连接梁；

104（105）—水平短梁，108（109）——水平直梁，110—竖直直梁，106—水平直梁，107—细直梁。

具体实施方式

以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。

下面结合附图1～3对本发明做更进一步的说明。

由附图1可以看到，本发明的高分辨率微机电测微游标尺由一维移动测量游标尺、用于移动量放大的杠杆机构以及相对型电热执行器三个部分组成，还包括连接以上三部分的梁。

所述一维移动测量游标尺102由左右两部分组成，其中：

一维移动测量游标尺102的左半部分包括多个尺寸完全相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，所述“T”型结构的“|”部分（底部）为水平矩形102-1，“T” 型结构的“一”（顶部）为竖直矩形102-2，各个“T”型结构的水平矩形结构102-1与一个竖直梁102-3连接，呈垂直关系。“T”型结构的“一”（顶部）所对应的竖直矩形102-2，其两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线。因为所有“T” 型结构的尺寸完全相同，所以，所有“T” 型结构的A基线在一条直线上， B基线在另一条直线上。

一维移动测量游标尺102的右半部分包括两个主要单元：梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构102-5～102-10。所述梳齿结构由锚区102-4和垂直连接到锚区102-4的若干齿102-11构成。在齿102-11上与“T” 型结构相邻的一边设计有“凸”型结构（102-5～102-10）。“凸”型结构的个数等于齿的个数减1后乘以2，本实施例齿的个数为4，所以“凸”型结构的个数为6。如图2所示，“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中，最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线。C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距等于[（“凸”型个数×2-1）×△] ，△为游标的最小分辨单位，本实施例的C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距为11△。

所述一维移动测量游标尺的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区102-4与左半部分的竖直梁102-3平行，右半部分的齿102-11与左半部分“T”型结构的“|”（底部）所对应的水平矩形102-1平行。

由附图2可以看到，A基线与最下边的“凸”型结构102-10的C3对准基线对齐。A基线与B基线的间距比C2、C4（C1、C3）间距大1△。

由附图3可以看到，自下而上，任何两个上下相邻的“凸”型结构，上面的“凸”型结构比下面的“凸”型结构向右平移2△，所以，A基线比第2个“凸”型结构102-9的C2对准基线偏左2△， 比第3个“凸”型结构102-8的C3对准基线偏左4△，比第4个“凸”型结构102-7的C3对准基线偏左6△，比第5个“凸”型结构102-6的C3对准基线偏左8△，比第6个“凸”型结构102-5的C3对准基线偏左10△；B基线比最下边“凸”型结构102-10的C1对准基线偏左1△，比第2个“凸”型结构102-9的C1对准基线偏左3△，比第3个“凸”型结构102-8的C1对准基线偏左5△，比第4个“凸”型结构102-7的C1对准基线偏左7△，比第5个“凸”型结构102-6的C1对准基线偏左9△，比第6个“凸”型结构102-5的C1对准基线偏左11△。

所述杠杆机构由两个上下相对放置的杠杆103组成，每个杠杆103包括：固定在衬底上的锚区103-1；直梁（杠杆）103-3；连接锚区103-1和直梁103-3的细梁103-2。所述细梁103-2是杠杆的支点，该支点将作为杠杆的直梁分割为长臂和短臂。如图2所示，设置在上面的杠杆，长臂在上，短臂在下，设置在下面的杠杆，长臂在下，短臂在上。

所述相对型电热执行器由上下两个横向运动电热执行器101并通过两个水平直梁108，109和竖直宽梁110连接而成。横向运动电热执行器101由锚区101-2、细梁101-3、连接梁101-4、宽梁101-5、细梁101-6和锚区101-1连接组成。在竖直直梁110的水平中心线位置左侧有一组作为测微探针的直梁，该直梁由水平直梁106和细直梁107连接而成。

所述高分辨率微机电测微游标尺各组成部分的连接关系如下：在相对型电热执行器中，两根水平直梁108、109分别延伸连接到上下两个杠杆103-3的短臂末端，在上下两个杠杆103-3的长臂末端分别有一根水平短梁104、105连接到一维移动测量游标尺102的左半部分直梁102-3。

整个结构除固定在衬底上的锚区外全部悬浮于衬底之上，共有7个锚区，分别是：位于一维移动测量游标尺右半部分的锚区102-4；2个位于杠杆支点处的锚区103-1；相对型电热执行器中的锚区，共4个，每个横向运动电热执行器两个101-1、101-2。

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 (2)

1.一种高分辨率微机电测微游标尺，该游标尺结构由一维移动测量游标尺、用于移动量放大的杠杆机构、相对型电热执行器以及及连接以上三部分的若干梁组成，其特征在于，所述的一维移动测量游标尺（102）由左右两部分组成，其左半部分包括多个相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，旋转后的“T”型结构由水平矩形（102-1）和与其垂直的竖直矩形（102-2）构成；各个“T”型结构的水平矩形（102-1）与直梁（102-3）垂直连接，“T” 型结构的竖直矩形（102-2）的两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线，所有“T” 型结构的尺寸完全相同，所有A基线在一条直线上，B基线在另一条直线上；

其中，所述的一维移动测量游标尺（102）的右半部分由梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构构成，梳齿结构由锚区（102-4）和垂直连接到锚区（102-4）的若干齿（102-11）构成，在齿（102-11）上与“T”型结构相邻的一边设计有“凸”型结构（102-5～102-10），所述“凸”型结构的个数等于齿（102-11）的个数减1后乘以2，自下而上地任何两个上下相邻的“凸”型结构，上面的“凸”型结构比下面的“凸”型结构向右平移2△，所述“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中，最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线，C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距均等于[（“凸”型个数×2-1）×△]，其中所述△为游标的最小分辨单位；

所述的一维移动测量游标尺的齿（102-11）和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区（102-4）与左半部分的直梁（102-3）平行，右半部分的齿（102-11）与左半部分“T”型结构的底部部分所对应的水平矩形（102-1）平行；

所述杠杆机构由两个上下相对放置的杠杆（103）组成，每个杠杆包括：固定在衬底上的锚区（103-1）；直梁（103-3）；连接锚区（103-1）和直梁（103-3）的细梁（103-2），所述细梁（103-2）是杠杆的支点，该支点将直梁（103-3）分割为长臂和短臂，设置在上面的杠杆，长臂在上，短臂在下，设置在下面的杠杆，长臂在下，短臂在上；

所述相对型电热执行器由上下两个横向运动电热执行器（101）并通过两个水平直梁（108，109）和竖直宽梁（110）连接而成，横向运动电热执行器（101）由锚区（101-1,101-2）、细梁（101-3，101-6）、连接梁（101-4）、宽梁（101-5）相互连接组成，在竖直直梁（110）的水平中心线位置左侧有一组作为测微探针的直梁，该直梁由水平直梁（106）和细直梁（107）连接而成；

所述高分辨率微机电测微游标尺各组成部分的连接关系如下：相对型电热执行器（101）中的两根水平直梁（108、109）分别延伸连接到上下两个杠杆（103-3）的短臂末端，在上下两个杠杆（103-3）的长臂末端分别有一根水平短梁（104、105）连接到一维移动测量游标尺（102）的左半部分直梁（102-3）；

整个结构除固定在衬底上的锚区外全部悬浮于衬底之上，共有7个锚区，分别是：位于一维移动测量游标尺右半部分的锚区（102-4）；2个位于杠杆支点处的锚区（103-1）；4个相对型电热执行器中的锚区（101-1、101-2）。

2.根据权利要求1所述的高分辨率微机电测微游标尺，其特征在于：所述A基线与最下边的“凸”型结构（102-10）的C3对准基线对齐，所述A基线与B基线的间距比C2、C4或C1、C3的间距大1△。

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