CN103604533A - 一种偏转电容式表面微机械加工残余应力的测试结构 - Google Patents

Abstract

一种偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，包括衬底、两块下极板和上极板、左横梁、右横梁和两个锚区；下极板沉积于衬底上表面；两个锚区置于衬底上；上极板悬置在下极板上方；左横梁和右横梁完全相同，分别位于上极板的横向中轴线L两侧，且相距中轴线L的距离相等；左横梁的右侧连接上极板左侧，左横梁的左侧固定在一个锚区侧面；右横梁的左侧连接上极板右侧，右横梁的右侧固定在另一个锚区侧面；上极板与左横梁和右横梁位于同一平面。该发明结构简单，易于加工且测试设备简单、精度高，通过增加测试结构中电容上、下极板的面积可以提高测量精度，且发明中采用的上极板旋转方法比平移方法易于获得更大的电容变化。

Description

一种偏转电容式表面微机械加工残余应力的测试结构

技术领域

本发明涉及一种表面微机械加工残余应力测试领域，尤其是一种偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构。 

背景技术

MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的缩写。MEMS把电子技术与机械特性有机地结合了起来，通过悬浮结构的运动可以同时实现物理、化学、生物等方面的功能。MEMS的加工方法有很多种，表面微机械加工工艺是常用方法之一，通过在硅片上连续生长功能层、结构层、牺牲层的工艺来制作微机械结构，利用选择性腐蚀去除结构层下面的牺牲层，得到悬浮于衬底表面附近的微结构。 

但是，在表面微机械加工过程中不可避免地会产生残余应力，过大的残余应力会造成薄膜结构破裂或变形。因此，必须重视残余应力的测试和分析，并反馈之设计中，以保证设计和制造的MEMS器件具备良好的性能指标。如何在不增加多少成本的情况下，完成残余应力的测试工作，成为了研究工作需要解决的问题。 

发明内容

发明目的：为了客服现有技术的不足，本发明提供了结构简单，易于操作的一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构，以及时检测表面微机械加工过程中产生的残余应力。 

技术方案：一种偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于：包括衬底、两块下极板和上极板、左横梁、右横梁和两个锚区； 

下极板沉积于衬底上表面；两个锚区置于衬底上； 

上极板悬置在下极板上方；所述左横梁和右横梁完全相同，分别位于上极板的横向中轴线L两侧，且相距中轴线L的距离相等；左横梁的右侧连接上极板左侧，左横梁的左侧固定在一个锚区侧面；右横梁的左侧连接上极板右侧，右横梁的右侧固定在另一个锚区侧面；上极板与左横梁和右横梁位于同一平面，该平面与衬底所在平面平行； 

两块下极板分别位于上极板前后两端的下方；两块下极板的同一侧与上极板对齐，另一侧超出上极板的覆盖范围；两块下极板被上极板遮蔽的面积相同；下极板与上极板之间分别形成平板电容C1和C2。 

下极板涂覆有相同的介质层，该介质薄层材料为氮化硅。下极板材料为掺杂多晶硅。两块下极板为两个完全相同的矩形。 

下极板和上极板的材料相同。 

有益效果： 

（1）测试结构简单，易于加工； 

（2）测试设备简单，无需使用大型设备； 

（3）精度高，通过增加测试结构中电容上、下极板的面积可以提高测量精度，且发明中采用的上极板旋转方法比平移方法易于获得更大的电容变化。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图 

图2为衬底顶面示意图 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。 

结合图1和图2所示，一种偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于：包括衬底1、两块下极板2和上极板3、左横梁41、右横梁42和两个锚区5； 

下极板2沉积于衬底1上表面；两个锚区5置于衬底1上； 

上极板3悬置在下极板2上方；所述左横梁41和右横梁42完全相同，分别位于上极板3的横向中轴线L两侧，且相距中轴线L的距离相等；本实例中选择的是左高右低，实际中只要两个横梁相距中轴线L的距离相等即可。左横梁41的右侧连接上极板3左侧，左横梁41的左侧固定在一个锚区5侧面；右横梁42的左侧连接上极板3右侧，右横梁42的右侧固定在另一个锚区5侧面；上极板3与左横梁41和右横梁42位于同一平面，该平面与衬底1所在平面平行； 

两块下极板2分别位于上极板3前后两端的下方；两块下极板2的同一侧与上极板3对齐，另一侧超出上极板3的覆盖范围；两块下极板2被上极板3遮蔽的面积相同；下极板A21与上极板3之间形成平板电容C1，下极板B22与上极板3之间形成平板电容C2。 

下极板2涂覆有相同的介质层，该介质薄层材料为氮化硅。下极板2材料为掺杂多晶硅。两块下极板2为两个完全相同的矩形。 

下极板2和上极板3的材料相同。该测量结构的制备采用常规的MEMS表面加工工艺。例如，衬底1的材料可用单晶硅、牺牲层可用磷硅玻璃（PSG）或二氧化硅等常 用材料；结构层（即上极板3和直角梁4）可用掺杂的多晶硅，常采用湿法腐蚀的方法去除牺牲层而释放出结构层。下极板为掺杂多晶硅，且表面沉积一层薄介质层，可以是SiO2也可以是SiN等常用材料。为了测试时能够方便的分辨出电容C1和C2，加工中可以在衬底处添加标记。需要指出的是，以上材料的选择不仅限于提到的优选材料，也可选择金属工艺。此处下极板也可以选择金属材料，优选金或铝，因为上下极板材料相同，上极板若选择掺杂的多晶硅，则下极板也选择掺杂的多晶硅；若上极板选择金属材料，则下极板也选择金属材料。 

表面微机械加工必须在衬底上生长牺牲层、结构层等，其中淀积、退火等工艺过程中的温度变化不可避免地使结构层产生残余应力。若残余应力为张应力，结构层释放后会产生收缩；而残余应力为压应力，结构层释放后会产生伸展。利用这种结构变化造成的电容变化，可对残余应力进行测试。测试方法如下： 

（为了方便辨别，分别标示图1中相对位于上方的下极板A为21，位于方的下极板B为22） 

1）存在张应力时，结构层释放后，连接于上极板3两侧的横梁41和42发生收缩，长度变短，所形成的力矩带动上极板3按逆时针方向水平旋转。这时，上极板3与下极板A21之间对应的面积基本不变，但上极板3与下极板B22之间对应的面积随着上极板3旋转角度的增大而减小。因此，张应力使电容C1大于电容C2，且C2与C1的差越大，张应力越大。 

2）存在压应力时，结构层释放后，连接于上极板3两侧的横梁41和42发生伸展，长度变长，所形成的力矩带动上极板3按顺时针方向水平旋转。这时，上极板3与下极板B22之间对应的面积基本不变，但上极板3与下极板2之间对应的面积随着上极板3旋转角度的增大而减小。因此，压应力使电容C1小于电容C2，且C2与C1的差越大，压应力越大。 

3）表面微机械加工未产生残余应力时，释放后结构层长度不变，上极板3不发生旋转。这时，电容C1等于电容C2。 

因此，对于释放后的测试结构,通过测量上极板3与下极板2之间的电容C1、上极板3与下极板B22之间的电容C2，比较C1与C2间的相对大小，即可方便地推测上极板3因应力释放而发生水平旋转的方向和角度大小。根据上极板3转动的方向可以判断出结构层的应力是张应力还是压应力；根据转动角度的大小可以推测应力的大小。 

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 (5)

1.一种偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于：包括衬底（1）、两块下极板（2）和上极板（3）、左横梁（41）、右横梁（42）和两个锚区（5）；

所述下极板（2）沉积于衬底（1）上表面；

所述两个锚区（5）置于衬底（1）上；

所述上极板（3）悬置在下极板（2）上方；所述左横梁（41）和右横梁（42）完全相同，分别位于上极板（3）的横向中轴线L两侧，且相距中轴线L的距离相等；左横梁（41）的右侧连接上极板（3）左侧，左横梁（41）的左侧固定在一个锚区（5）侧面；右横梁（42）的左侧连接上极板（3）右侧，右横梁（42）的右侧固定在另一个锚区（5）侧面；上极板（3）与左横梁（41）和右横梁（42）位于同一平面，该平面与衬底（1）所在平面平行；

所述两块下极板（2）分别位于上极板（3）前后两端的下方；两块下极板（2）的同一侧与上极板（3）对齐，另一侧超出上极板（3）的覆盖范围；两块下极板（2）被上极板（3）遮蔽的面积相同；

所述下极板（2）与上极板（3）之间分别形成平板电容C1和C2。

2.如权利要求1所述的一种偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于：所述下极板（2）涂覆有相同的介质层，该介质薄层材料为氮化硅。

3.如权利要求1所述的一种偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于：所述下极板（2）材料为掺杂多晶硅。

4.如权利要求1所述的一种偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于：所述两块下极板（2）为两个完全相同的矩形。

5.如权利要求1所述的一种偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于：所述下极板（2）和上极板（3）的材料相同。

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