CN104458072B - 一种梳齿电容式mems微梁应力梯度的测试结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的测试结构，主测结构包括衬底、锚区和四个应力梯度测试单元。所述锚区置于衬底上表面的中心处；所述应力梯度测试单元由一根悬臂梁和两对梳齿结构组成；所述悬臂梁连接在中心锚区的一个侧面，两对梳齿结构分别位于悬臂梁末端的两侧；所述梳齿结构的若干根动齿和定齿相互平行、交错排列，动齿和定齿构成电容的两极；该测试结构还设置有辅助结构，所述辅测结构为固定在衬底上表面四角处的四对参考梳齿结构，其中两对平行放置，另两对垂直放置。该发明结构简单，易于加工且测试方便，实现了梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的测量。

Description

一种梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的测试结构
技术领域
本发明涉及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，文中简称MEMS)中，通过MEMS微机械加工技术制造的MEMS悬臂结构中应力梯度测试的技术领域。具体来说，涉及一种梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的测试结构和测量方法。
背景技术
MEMS薄膜生长过程中，因材料的晶格失配和温度影响，不可避免地会产生残余应力，当沿厚度方向应力分布非均匀即存在应力梯度时，悬臂梁结构释放后，会出现离面变形。对于不同材料构成的多层梁，更易产生应力梯度，并直接影响着器件的性能。因此，重视MEMS结构中应力梯度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，是非常必要的。关于应力梯度的测试，最常见的方法是光学方法，借助于精密的光学设备而获知梁因应力梯度造成的弯曲变形。但是，通过测试结构的专门设计，往往可以降低对测试设备的要求，且便于直接从测量信号中提取材料参数。
本发明提出一种梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的测试结构和测量方法，利用梳齿电容的变化来应力梯度的大小，测试简单、方便，避免了精密光学设备的使用。
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梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的测试结构，通过MEMS电容的常规测试，即可获取应力梯度的具体信息。同时本发明还提供了梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的具体测试方法，操作方便可行。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
主测试结构包括衬底、锚区和四个应力梯度测试单元；辅测结构为四对固定不动的梳齿结构；
所述锚区置于衬底上表面的中心处；
所述四个应力梯度测试单元分别对称于锚区且位于锚区的上、下、左、右四个方向，其中每一个应力梯度测试单元由一根悬臂梁和两对梳齿结构即第一动齿、第二动齿、第一定齿、第二定齿组成；所述悬臂梁的内端连接在锚区的一个侧面，两对梳齿结构分别位于悬臂梁末端的两侧；
其中第一动齿、第二动齿分别连接在悬臂梁末端的两侧，第一定齿、第二定齿支撑在衬底上，第一动齿与第一定齿交错排列，第二动齿与第二定齿交错排列构成电容的两极；
所述悬臂梁、第一动齿、第二动齿、第一定齿、第二定齿处于同一平面，并平行悬置在衬底上方；
所述四个应力梯度测试单元的结构完全相同，但相互间方位相差90℃；
所述辅测结构为固定在衬底上表面四角处的四对参考梳齿结构组成，上部的两个参考梳齿结构相同，分别由交错排列的第一梳齿结构和第二梳齿结构组成；下部的两个参考梳齿结构相同，分别由交错排列的第三梳齿结构和第四梳齿结构组成；上部的两个参考梳齿结构与下部的两个参考梳齿结构相互垂直放置。
初始状态下，辅测结构的参考梳齿电容与主测结构中对应的梳齿电容完全相同。
测试中，当悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，梳齿电容中的动齿随之上移或下移，与定齿相对应的面积减少也即电容变小。通过检测该电容并与参考梳齿结构的电容值相比较，即可获知悬臂梁因应力释放而发生弯曲的信息，进而判断出结构层应力梯度的大小。
有益效果：本发明提出一种梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的测试结构和测试技术。设计中，通过将梳齿对中的动齿与悬臂梁相连，建立了梳齿电容与悬臂梁弯曲程度的对应关系，从而可利用梳齿电容的变化来监测悬臂梁的弯曲情况，为应力梯度的测试提供了一种简单、方便、准确的方法。这种电学测量的方法利于在线检测和批量检测。此外，本发明设置了四个应力梯度测试单元，对于各相同性材料可一次获取四组数据，提高测试准确性和测试效率，对于各向异性材料还可同时检测出相互垂直的两个方向的应力梯度。
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。
图中有：衬底1、锚区2、悬臂梁301、第一动齿302-1、第二动齿303-1、第一定齿302-2、第二定齿303-2、第一梳齿结构401-1、第二梳齿结构401-2、第三梳齿结构402-1、第四梳齿结构402-2。
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。
本发明的梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的测试结构中：主测结构包括衬底1、锚区2和四个应力梯度测试单元；辅测结构为四对固定不动的第一梳齿结构401-1、第二梳齿结构401-2、第三梳齿结构402-1、第四梳齿结构402-2。
主测结构中的锚区2置于衬底1上表面的中心处；每一个应力梯度测试单元由一根悬臂梁301和两对梳齿结构即第一动齿302-1、第二动齿303-1、第一定齿302-2、第二定齿303-2组成，其中悬臂梁301连接在中心锚区2的一个侧面，两对梳齿结构分别位于悬臂梁301末端的两侧；两对梳齿结构分别由第一动齿302-1、第一定齿302-2和第二动齿303-1、第二定齿303-2交错排列而成，其中第一动齿302-1和第二动齿303-1分别连接在悬臂梁301末端的两侧，第一定齿302-2和第二定齿303-2支撑在衬底1上，第一动齿302-1和第一定齿302-2或第二动齿303-1和第二定齿303-2构成测试电容CM的两极；悬臂梁301、第一动齿302-1、第二动齿303-1和第一定齿302-2、第二定齿303-2处于同一平面，并平行悬置在衬底1上方。四个应力梯度测试单元的结构完全相同，但相互间方位相差90℃。
所述辅测结构为固定在衬底上表面四角处的四对参考梳齿结构即第一梳齿结构401-1、第二梳齿结构401-2、第三梳齿结构402-1、第四梳齿结构402-2，上部的两个梳齿结构与下部的两个梳齿结构相互垂直放置，参考梳齿结构的电容大小CR与主测结构中的梳齿结构不存在应力梯度时的电容值CM0相同。
测试中，当悬臂梁301因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，梳齿电容变小。通过检测梳齿电容并与参考梳齿结构的电容值相比较，即可获知悬臂梁301因应力释放而发生弯曲的信息，进而判断出结构层应力梯度的大小。
上述梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的测试结构，其测试应力梯度的具体原理和步骤如下：
1)分别测量和记录四个应力梯度测试单元中各梳齿结构的电容值CM302和CM303。
当悬臂梁结构301释放后，因应力梯度的存在出现离面变形发生弯曲时，连接在悬臂梁301末端两侧的动齿即第一动齿302-1、第二动齿303-1将随之向上或向下偏移，第一动齿302-1与第一定齿302-2以及第二动齿303-1与第二定齿303-2之间的相对面积减少，相应的电容值变小。
2)分别测量和记录四个参考梳齿结构4的电容值CR，作为测量电容基准值，CR等于被测悬臂梁无应力梯度时的电容参考值。
分布于悬臂梁301两侧的梳齿结构与参考梳齿结构的材料和尺寸相同。当悬臂梁301不存在应力梯度时，梳齿结构的电容值CM0与参考梳齿结构的电容值CR相同。
3)比较主测结构中的梳齿电容值CM与辅测结构中的参考梳齿电容值CR。
若两者相同，表明悬臂梁301不存在应力梯度；若CM小于CR，预示着悬臂梁因应力梯度的存在发生了弯曲。
4)根据测量到的CM和CR的电容差值，推算并获取梁弯曲的曲率，结束应力梯度的测试。
进一步说明，对于各向同性材料，四个应力梯度测试单元以及四个参考梳齿电容的电容值不会因放置方向的不同而不同；对于各向异性材料，应力梯度测试单元以及参考梳齿电容的电容值与放置方向有关，垂直放置和水平放置存在差异。因此，选取电容参考值时，应注意应力梯度测试单元中的电容对的放置方向与参考梳齿电容的放置方向要一致。
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)

1.一种梳齿电容式MEMS微梁应力梯度的测试结构，其特征在于，主测试结构包括衬底(1)、锚区(2)和四个应力梯度测试单元；辅测结构为四对固定不动的梳齿结构；
所述锚区(2)置于衬底(1)上表面的中心处；
所述四个应力梯度测试单元分别对称于锚区(2)且位于锚区(2)的上、下、左、右四个方向，其中每一个应力梯度测试单元由一根悬臂梁(301)和两对梳齿结构即第一动齿(302-1)、第二动齿(303-1)、第一定齿(302-2)、第二定齿(303-2)组成；所述悬臂梁(301)的内端连接在锚区(2)的一个侧面，两对梳齿结构分别位于悬臂梁(301)末端的两侧；
其中第一动齿(302-1)、第二动齿(303-1)分别连接在悬臂梁(301)末端的两侧，第一定齿(302-2)、第二定齿(303-2)支撑在衬底(1)上，第一动齿(302-1)与第一定齿(302-2)交错排列，第二动齿(303-1)与第二定齿(303-2)交错排列构成电容的两极；
所述悬臂梁(301)、第一动齿(302-1)、第二动齿(303-1)、第一定齿(302-1)、第二定齿(303-2)处于同一平面，并平行悬置在衬底(1)上方；
所述四个应力梯度测试单元的结构完全相同，但相互间方位相差90℃；
所述辅测结构为固定在衬底上表面四角处的四对参考梳齿结构组成，上部的两对参考梳齿结构相同，分别由交错排列的第一梳齿结构(401-1)和第二梳齿结构(401-2)组成；下部的两对参考梳齿结构相同，分别由交错排列的第三梳齿结构(402-1)和第四梳齿结构(402-2)组成；上部的两对参考梳齿结构与下部的两对参考梳齿结构相互垂直放置。
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