CN103604535B - 一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构 - Google Patents

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Abstract

一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构，包括衬底、两组下极板、测试机构和置于衬底上的四个锚区；所述两组下极板沉积于衬底上表面，两组测试机构为尺寸材料完全相同的两组机构，通过测试机构的上极板覆盖下极板形成四个电容，利用电容之间连接形成的桥式电容，其中两个电容随应力大小会变化，另两个始终固定不变，构成检测差分电容的电容桥，使应力检测更加方便、精确。与普通的光学方法相比，检测无需大型设备，简单易行。

Description

一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构
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，尤其是一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构。
背景技术
在MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)薄膜材料的制备过程中，上层材料与衬底一般不同，因此，不可避免地会产生残余应力，对微结构或者器件的力学特性产生影响，轻则引起器件各种性能偏离设计值，重则导致器件完全失效。MEMS结构中的残余应力的产生原因比较复杂，与薄膜材料的制备方法、工艺条件以及衬底的微观结构密切相关。因此，从理论上分析和模拟计算应力虽然有一定的指导意义，但也很困难。
实际中，更多地是采用测试方法获取应力情况。常用的测量方法有谐振频率法、加载变形法、旋转指针法、x-射线衍射法、拉曼光谱法，这些方法往往需要借助于大型设备，设计一种简单易行的应力测试结构，为应力测试提供更多地选择，成为了研究的方向。
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，易于操作的一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构，通过结构本身构建的差分电容的变化反映表面微机械加工产生的残余应力。
技术方案：一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构，其特征在于：包括衬底、两组下极板、测试机构和置于衬底上的四个锚区；
所述两组下极板沉积于衬底上表面；每组为两块下极板，两组下极板完全相同，两块下极板纵向排列；其中一组为下极板A和下极板B；另一组为下极板C和下极板D；下极板A与下极板C完全相同，下极板B与下极板D完全相同；相同的下极板横向水平对齐；
所述两组测试机构为尺寸材料完全相同的两组机构，每一组测试机构均包括上极板、两个直角梁；直角梁的两个直角边分别是横直角边和纵直角边；第一组测试机构的上极板悬置在下极板A和下极板B上方；两个横直角边连接上极板平行的两侧，通过纵直角边分别固定在锚区A和锚区B侧面；所述上极板和两个直角梁位于同一平面，该平面与衬底所在平面平行；
另一组测试机构放置位置为第一组测试机构旋转180°，悬置在下极板C和下极板D上方，两个纵直角边分别固定在锚区C和锚区D侧面；
下极板A与下极板C相连接，连接的导线上引出压焊块B；这两块下极板分别被两块上极板完全覆盖；
下极板B与下极板D相连接，连接的导线上引出压焊块A；这两块下极板分别有一部分纵向延伸出两块上极板的覆盖范围，初始状态下，这两块下极板被两块上极板遮蔽的面积相同；
锚区B上通过导线引出压焊块C；锚区D上通过导线引出压焊块D
下极板与上极板分别形成四个电容，CA、CB、CC、CD。
下极板上涂覆有介质薄层，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：利用电容法检测应力与普遍使用的光学法相比，检测更方便、无需大型光学设备，通过结构本身形成的四个电容，其中两个电容随应力大小会变化，另两个始终固定不变，构成检测差分电容的电容桥，使应力检测更加方便、精确。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中衬底顶面示意图。
图3为电容电桥等效电路图
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，一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构，其特征在于：包括衬底8、两组下极板、测试机构和置于衬底8上的四个锚区；
所述两组下极板沉积于衬底8上表面；每组为两块下极板，两组下极板完全相同，两块下极板纵向排列；其中一组为下极板A11和下极板B12；另一组为下极板C13和下极板D14；下极板A11与下极板C13完全相同，下极板B12与下极板D14完全相同；相同的下极板横向水平对齐；
所述两组测试机构为尺寸材料完全相同的两组机构，每一组测试机构均包括上极板3、两个直角梁4；直角梁4的两个直角边分别是横直角边41和纵直角边42；第一组测试机构的上极板3悬置在下极板A11和下极板B12上方；两个横直角边41连接上极板3平行的两侧，通过纵直角边42分别固定在锚区A51和锚区B52侧面；所述上极板3和两个直角梁4位于同一平面，该平面与衬底8所在平面平行；
另一组测试机构放置位置为第一组测试机构旋转180°，悬置在下极板C13和下极板D14上方，两个纵直角边42分别固定在锚区C53和锚区D54侧面；
下极板A11与下极板C13相连接，连接的导线上引出压焊块B62；这两块下极板分别被两块上极板3完全覆盖；
下极板B12与下极板D14相连接，连接的导线上引出压焊块A61；这两块下极板分别有一部分纵向延伸出两块上极板3的覆盖范围，初始状态下，这两块下极板被两块上极板3遮蔽的面积相同；
锚区B上通过导线引出压焊块C63；锚区D上通过导线引出压焊块D64，形成电容桥结构，等效示意图如图3所示。
这些引出压焊块的导线涂覆在衬底8表面。
下极板与上极板分别形成四个电容，CA、CB、CC、CD。
衬底8的材料科选择单晶硅等常用材料，下极板上涂覆有介质薄层，该介质薄层材料为氮化硅，下极板材料为掺杂多晶硅。下极板和上极板3的材料相同。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。
图1中的两组测试机构，在方法中描述图1中左侧的为左测试机构，右边的为右测试机构。
上述基于差分电容电桥的残余应力测试结构，其测试残余应力的具体方法如下：
1)在压焊块A61和压焊块B62之间外接交流电压源，压焊块C63和压焊块D64之间外接交流电压检测装置，形成桥式差分电容检测电路。
2)若加工过程中存在张应力，结构层释放后，两组测试结构中的直角梁4的两个纵直角边42会收缩，所形成的力矩将带动左测试结构的上极板3向后平移，而右测试机构的上极板3向前平移，致使下极板B12与左测试机构的上极板3对应的面积变小，而下极板D14与右测试机构的上极板3对应的面积变大，即CB减小，CD增大，形成差分电容，但CA和CC始终不变。这时，交流电压检测装置两端的电压不等，图3中端点63的交流电压幅度更高。
3)若加工过程中存在压应力，结构层释放后，两组测试结构中的直角梁4的两个纵直角边42会伸展，所形成的力矩将带动左测试机构的上极板3向前平移，而右测试机构的上极板3向后平移。致使下极板B12与左测试机构的上极板3对应的面积变大，而下极板D14与右测试机构的上极板3对应的面积变小，也即CB增大，CD减小，形成差分电容，但CA和CC始终不变。这时，交流电压检测装置两端的电压不等，图3中端点64的交流电压幅度更高。
4)若加工过程中未产生残余应力，那么在结构层释放后，两组测试机构中的上极板3的位置保持不变，也即四个CA、CB、CC、CD大小相同，这时，图3中交流电压检测装置两端点63和64的电压幅度相等。
若测试结构中上、下极板间的间距偏大，形成的电容较小时，还可以在上下极板间外加一直流偏置，使上极板3下拉至与下极板表面的介质层接触。
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)

1.一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构，其特征在于：包括衬底(8)、两组下极板、测试机构和置于衬底(8)上的四个锚区；
所述两组下极板沉积于衬底(8)上表面；每组为两块下极板，两组下极板完全相同，两块下极板纵向排列；其中一组为下极板A(11)和下极板B(12)；另一组为下极板C(13)和下极板D(14)；下极板A(11)与下极板C(13)完全相同，下极板B(12)与下极板D(14)完全相同；相同的下极板横向水平对齐；
所述两组测试机构为尺寸材料完全相同的两组机构，每一组测试机构均包括上极板(3)、两个直角梁(4)；直角梁(4)的两个直角边分别是横直角边(41)和纵直角边(42)；第一组测试机构的上极板(3)悬置在下极板A(11)和下极板B(12)上方；两个横直角边(41)连接上极板(3)平行的两侧，通过纵直角边(42)分别固定在锚区A(51)和锚区B(52)侧面；所述上极板(3)和两个直角梁(4)位于同一平面，该平面与衬底(8)所在平面平行；
另一组测试机构放置位置为第一组测试机构旋转180°，悬置在下极板C(13)和下极板D(14)上方，两个纵直角边(42)分别固定在锚区C(53)和锚区D(54)侧面；
下极板A(11)与下极板C(13)相连接，连接的导线上引出压焊块B(62)；这两块下极板分别被两块上极板(3)完全覆盖；
下极板B(12)与下极板D(14)相连接，连接的导线上引出压焊块A(61)；这两块下极板分别有一部分纵向延伸出两块上极板(3)的覆盖范围，初始状态下，这两块下极板被两块上极板(3)遮蔽的面积相同；
锚区B上通过导线引出压焊块C(62)；锚区D上通过导线引出压焊块D(64)
所述下极板与上极板分别形成四个电容，CA、CB、CC、CD。
2.如权利要求1所述的一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构，其特征在于：所述下极板上涂覆有介质薄层，该介质薄层材料为氮化硅。
3.如权利要求1所述的一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构，其特征在于：所述下极板材料为掺杂多晶硅。
4.如权利要求1所述的一种基于差分电容电桥的残余应力测试结构，其特征在于：所述下极板和上极板(3)的材料相同。
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