CN104458417A - 一种基于平板式电容检测的微梁断裂强度的测试结构 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于平板式电容检测的微梁断裂强度的测试结构，包括衬底、置于衬底之上的测量结构和参考结构。测量结构由下极板、锚区、悬置在衬底上方的上极板和两根热臂梁、以及被测微梁构成；两根热臂梁垂直连接在上极板两侧，热臂梁的另一端固定在锚区侧面；被测微梁平行并介于两热臂梁之间，一端与上极板一侧面的中部相连，另一端固定在一个锚区侧面；下极板初始时紧临上极板下方区域，但不为上级板所遮蔽。参考结构除了不带有被测梁，其余部分与测量结构完全相同。测试中，在测量结构和参考结构上施加完全相同的电压，当两结构中的热臂梁通电发生热膨胀时，上极板向前方移动并部分遮挡住下极板，上、下极板之间的电容随上极板的移动而变化。

Description

一种基于平板式电容检测的微梁断裂强度的测试结构
技术领域
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)微梁断裂强度的测试领域，尤其是一种基于平板式电容检测的微梁断裂强度的测试结构。
背景技术
微纳材料的力学性能直接影响MEMS器件的性能和可靠性。因此，准确测量材料的力学性能是高性能MEMS器件的保障。断裂强度是重要力学性能之一，它与薄膜材料的淀积工艺、刻蚀工艺、微结构和几何形状有关，因此通过理论计算或软件模拟无法准确获知。实际中，更多地是采用测试方法获取断裂强度信息。常用的测量方法有被动式和主动式两种，前者预先在一批试样上制作不同尺寸的凹槽，释放时利用残余拉应力使梁断裂，通过测量凹槽临界长度获得材料的断裂强度。而断裂强度的主动测量是通过制备执行器对测试样品进行加载，可产生量程大、数值可变的力，通过直接测量样品被拉断时的力确定样品的断裂强度，主动测量方法无须大量制造和测试一批带有不同凹槽的样品，但是测试结构设计会更复杂，而且为了捕获被测梁断裂瞬间时刻对应的驱动力将会加剧测试结构的复杂性。设计一种简单易行的断裂强度测试结构，为测试提供更多地选择很有意义。
发明内容
技术问题：为了解决被测梁断裂瞬间所对应的驱动力不易确定的问题，本发明提供了一种结构简单，易于操作的基于平板式电容检测的微梁断裂强度的测试结构。
技术方案：本发明的一种基于平板式电容检测的微梁断裂强度的测试结构包括衬底、置于衬底之上的测量结构和参考结构；其中测量结构由下极板、上极板、两根热臂梁、被测微梁、第一锚区和第二锚区构成；参考结构除了不带有被测微梁，其余部分与测量结构完全相同；
所述下极板沉积于衬底的上表面，下极板上生长有介质薄层；
所述第一锚区、第二锚区置于衬底上；
所述两根热臂梁与上极板垂直相连，另一端固定在锚区侧面；
所述被测微梁平行并介于两热臂梁之间，一端与上极板一侧面的中部相连，另一端固定在锚区的一个侧面；
所述上极板、两根热臂梁以及被测悬臂梁位于同一平面并悬置在衬底上方，与衬底所在平面平行。
所述下极板初始时紧临上极板正下方区域，但不为上级板所遮挡；
热臂梁通电发生热膨胀推动上极板向前方移动，同时拉伸被测微梁，上极板移动后会部分遮挡住下极板，从而与下极板之间形成平板电容。
测试中，在测量结构和参考结构上施加完全相同的电压，当两结构中的热臂梁通电发生热膨胀时，上极板向前方移动并部分遮挡住下极板，上、下极板之间的电容随上极板的移动而变化。对测量结构而言，与上极板相连的被测微梁随上极板的移动而不断拉伸直至断裂，对应地电容陡然增大。通过观察和比较测试结构和参考结构这两部分的电容变化量，即可确定被测悬臂梁的拉伸长度，进而确定拉伸力。
有益效果：通过热膨胀拉伸与变电容相结合的简单设计，实现了MEMS材料断裂强度的测试，且成本低廉，易于操作。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
衬底1、测量结构2、参考结构3、下极板201、上极板202、热臂梁203、第一锚区204、被测微梁205、第二锚区206。
具体实施方式
本发明的一种基于平板式电容检测的微梁断裂强度的测试结构，由衬底、置于衬底之上的测量结构和参考结构构成。测量结构包括下极板、上极板、两根热臂梁、一根被测悬臂梁和三个锚区；所述下极板沉积于衬底的上表面，并生长有一介质薄层；所述两根热臂梁与上极板垂直相连，热臂梁的另一端固定在一个锚区侧面；所述被测悬臂梁平行于两热臂梁且置于它们之间，一端连接在上极板一侧面的中部，另一端固定在锚区侧面，上极板与两根平行的热臂梁以及被测悬臂梁位于同一平面，悬置在衬底上方，该平面与衬底所在平面平行；所述下极板沉积于衬底上表面，初始时紧临上极板下方区域，但不为上级板所遮蔽。衬底上的参考结构除了不带有被测梁，其余部分与测量结构完全相同。
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
结合图1所示，一种基于平板式电容检测的微梁断裂强度的测试结构，包括衬底1、下极板201和上极板202、热臂梁203、被测悬臂梁205、第一锚区204和第二锚区206；
上极板202悬置在下极板201上方，所述热臂梁203与上极板202垂直相连，热臂梁203的另一端固定在锚区204侧面；所述被测悬臂梁205平行于两热臂梁203且介于它们之间，一端连接在上极板202一侧面的中部，另一端固定在锚区206的一侧面；上极板202、热臂梁203以及被测悬臂梁205位于同一平面，该平面与衬底1所在平面平行；
下极板201沉积于衬底1的上表面，初始时紧临上极板202正下方区域，但不为上级板202所遮挡；
热臂梁203通电发生热膨胀时会推动上极板202向前方移动而拉伸被测悬臂粱205，同时上极板202部分遮挡住下极板201，从而与下极板201之间形成平板电容。当被测悬臂梁205被拉伸而发生断裂的瞬间，电容会陡然增大。通过测试因热膨胀拉伸引起的电容变化量，即可达到测量目的。
被测微梁断裂强度的测试方法如下：
1)在测量结构1和参考结构2上施加完全相同的电压。这里以测量结构为例加以具体说明，在两个锚区204间施加直流电压，且逐渐加大，一般从几伏加至几十伏。
2)通电加压后，热臂梁203发生热膨胀推动上极板202向前方移动，使上极板202部分遮挡住下极板201，与下极板201之间形成平板电容，同时被测微梁205被拉伸。
3)随外加电压的增大，被测微梁205受到的拉伸作用也增大，上、下极板间的电容相应变大，电容的变化与拉伸长度成正比。测量并记录测试结构中上极板202与下极板201之间的电容。
4)当被测微梁205受到拉伸发生断裂时，热臂梁拉伸结构突然变为空载运行，拉伸长度的增幅很快增大，上极板202与下极板201之间的电容陡增。
5)当观察到测量电容突然变化时，施加电压终止。
参考结构按照以上1)～4)步骤同步对该参考结构施加，并与测试结构同步终止加载电压。
对比测试结构1和参考结构2的电容变化量，可推测被测微梁205上所受的拉伸力，尤其是测试结构中电容变化的突变可反映被测微梁断裂瞬间所对应的驱动力。
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 (2)

1.一种基于平板式电容检测的微梁断裂强度的测试结构，其特征在于该结构包括衬底(1)、置于衬底(1)之上的测量结构(2)和参考结构(3)；其中测量结构(2)由下极板(201)、上极板(202)、两根热臂梁(203)、被测微梁(205)、第一锚区(204)和第二锚区(206)构成；参考结构(3)除了不带有被测微梁，其余部分与测量结构(2)完全相同；
所述下极板(201)沉积于衬底(1)的上表面，下极板(201)上生长有介质薄层；
所述第一锚区(204)、第二锚区(206)置于衬底(1)上；
所述两根热臂梁(203)与上极板(202)垂直相连，另一端固定在锚区(204)侧面；
所述被测微梁(205)平行并介于两热臂梁(203)之间，一端与上极板(202)一侧面的中部相连，另一端固定在锚区(205)的一个侧面；
所述上极板(202)、两根热臂梁(203)以及被测悬臂梁(205)位于同一平面并悬置在衬底(1)上方，与衬底(1)所在平面平行。
所述下极板(201)初始时紧临上极板(202)正下方区域，但不为上级板(202)所遮挡；
2.一种基于平板式电容检测的微梁断裂强度的测试结构，其特征在于：热臂梁(203)通电发生热膨胀推动上极板(202)向前方移动，同时拉伸被测微梁，上极板(202)移动后会部分遮挡住下极板(201)，从而与下极板(2)之间形成平板电容。
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