CN104483196B - 一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构 - Google Patents

一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构，包括衬底、门字型热执行结构、横向梳齿电容检测结构和被测微粱结构，整个测试结构关于纵向中轴线完全对称。所述门字型热执行结构的两根纵梁分别垂直连接于横宽梁的两末端，纵梁的另一端固定在下锚区侧面；所述被测微梁与门字型热执行结构的两纵梁平行，位于它们正中间，一端垂直连接在横宽梁内侧的中部，另一端连接在上锚区的一个侧面；所述横向梳齿电容检测结构由位于门子型结构内的三组完全相同的梳齿结构依次排列在被测微梁下锚区的后方，本发明还公开利用横向梳齿差分电容检测拉伸长度，进而确定拉伸力的具体工作方式，灵敏度高、方便可行。

Description

一种基于横向梳齿式电容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，尤其是一种横向梳齿式电容检测微梁断裂强度的测试结构。
背景技术
MEMS利用微电子技术、微加工技术相结合的制造工艺制造微传感器、微执行器、微驱动器以及微系统。由不同的加工技术，如硅体微加工、硅表面微加工、LIGA技术、键合技术等加工而成的MEMS微结构其力学性能会有很大差别，即使是相同技术，但不同生产线加工的产品也会存在差异。因此，对于MEMES设计、加工和应用的可靠性而言，设计测试结构，提取相关力学参数是非常重要的。拉伸断裂强度是重要力学性能之一，常用的测量方法是通过电、热或磁驱动的方式对测试样品进行加载而拉伸被测样品，通过直接测量样品被拉断时的力以确定样品的断裂强度。捕获被测梁断裂瞬间时刻对应的驱动力和提高测量灵敏度是测试结构设计必须考虑的问题。为此，设计了一种基于横向式梳齿电容检测的微梁断裂强度的测试结构，很好地解决了测试难题，且测试方便、简单易行。
发明内容
技术问题：利用电容法捕获被测微梁断裂瞬间所对应的驱动力，直观、易于实现。但检测中的电容变化量决定了该方法的有效性和灵敏度。本发明利用横向梳齿式的差分电容来反映被测梁的拉伸量，有利于提高电容变化的检测量，因此相对于一般电容法检测灵敏度更高。
技术方案：本发明的一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构包括衬底、门字型热执行结构、被测微梁和横向梳齿电容检测结构，整个结构关于纵向中轴L完全对称；
所述门字型热执行结构的两根纵梁分别垂直连接于横宽梁的两末端，纵梁的另一端固定在下锚区侧面；
所述被测微梁与门字型热执行结构的两纵梁平行，位于它们正中间，一端垂直连接在横宽梁内侧的中部，另一端连接在下锚区的一个侧面；
所述横向梳齿电容检测结构由位于门子型结构内的三组完全相同的梳齿结构依次排列在被测微梁上锚区的后方，所有梳齿平行于横宽梁；每组梳齿结构左、右对称，均为左定齿和右定齿夹着一动齿，动齿与两侧的左定齿和右定齿的间距完全相同；其中，动齿的一端垂直连接在门字型热执行结构的纵梁内侧，另一端悬空，而左定齿或右定齿的一端连接在位于横宽梁的纵向中轴上的第一锚区或第二锚区的侧面，另一端悬空；
所述下锚区、上锚区、第一锚区和第二锚区置于衬底上；
所述门字型热执行结构、被测微粱和横向梳齿电容检测结构均位于同一平面，平行悬置在衬底上方。
所述横宽梁、纵梁、被测微梁、左定齿、右定齿、动齿均为掺杂单晶硅。
当热执行结构的纵梁通电发生热膨胀时，与纵梁相连的横宽梁以及动齿同步发生平移。横宽梁的移动可拉伸被测微梁直至断裂；动齿的横向平移使与两定齿的间距发生变化，导致动齿与两定齿构成的差分电容发生变化，且当拉伸作用使被测微梁发生断裂的瞬间，电容会陡然增大。因此，通过测量差分电容的变化，由电容变化转折点可确定被测微梁断裂时所对应的热执行器纵梁的拉伸长度，进而确定被测微梁的断裂强度。
有益效果：本发明利用简单的热膨胀拉伸结构和梳齿结构相结合，通过MEMS差分电容的测试，实现被测微梁断裂强度的测试。测试结构简单、灵敏度高且易于操作。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为衬底顶面的示意图。
其中有：衬底1，横宽梁201、纵梁202、下锚区203，被测微梁301、上锚区302，左定齿401、第一锚区402、右定齿403、第二锚区404、动齿405。
具体实施方式
本发明的一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构，由门字型热执行结构、横向梳齿电容检测结构和被测微粱三部分组成，整个结构关于纵向中轴L完全对称。所述门字型热执行结构的两根纵梁与横宽梁垂直，一端连接在横宽梁的末端处，另一端连接在下锚区的侧面；所述被测微梁平行于门字型热执行结构的两根纵梁，处于纵向中轴L上，一端连接在门字型热执行结构横宽梁内侧的中部，另一端连接在一个上锚区的侧面；所述三组完全相同的梳齿结构位于门子型结构内，依次排列在被测微梁的后方，每组梳齿电容由左、右对称的两个梳齿单元组成，每个梳齿单元都为两定齿夹着一动齿，动齿与两定齿之间的间距相同。其中，动齿的一端垂直连接在热执行器的纵梁内侧，另一端悬空，而定齿的一端连接在位于横宽梁的纵向中轴L上第一锚区、第二锚区的侧面，另一端悬空；门字型热执行结构、横向梳齿电容检测结构和被测微粱均位于同一平面，并平行于衬底且通过各自锚区的支撑悬置在衬底上方。
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
图1和图2所示，一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构，包括衬底1、门字型热执行结构、被测微粱和横向梳齿式电容检测结构，整个测试结构关于纵向中轴L完全对称；
门字型热执行结构由两根纵梁202和一根横宽梁201构成，两根纵梁202分别垂直连接于横宽梁201的两末端，纵梁202的另一端固定在下锚区203的一个侧面；
被测微梁301与热执行结构的两纵梁202平行，并位于它们之间，一端垂直连接在横宽梁201内侧的中部，另一端连接在上锚区302的一个侧面；
横向梳齿式电容检测结构由三组完全相同的梳齿结构构成，所有梳齿结构平行于横宽梁201，依次排列在被测微梁上锚区302的后方。每组梳齿结构左、右对称，均为两左定齿401和右定齿403夹着一动齿405，动齿405与两定齿之间的间距相同。其中，动齿405的一端垂直连接在热执行器的纵梁202的内侧，另一端悬空，而左定齿401或右定齿403的一端连接在位于横宽梁的纵向中轴L上的第一锚区402或第二锚区404的一个侧面，另一端悬空；
所述门字型热执行结构、被测微粱和横向梳齿式电容检测结构均位于同一平面，通过各锚区平行悬置在衬底1上方。
测试结构通电后，热执行结构拉伸被测样品，横向梳齿差分电容检测拉伸长度，进而确定拉伸力。当被测微梁被拉伸发生断裂的瞬间，电容测量值会陡然增大。
该测量结构的制备可采用基于SOI(Silion-on-Insulator的简称)的体加工技术。如可选用上层掺杂单晶硅层厚约为100μm，下层单晶硅衬底厚度约400μm，中间绝缘氧化会产层为4μm的SOI片。加工中，借助于光刻胶和掩模板暴露出部分上层单晶硅，然后用深层等离子体反应方法(DRIE)腐蚀掉暴露的单晶硅直至氧化层。再利用氟化氢溶液腐蚀掉结构图形下的氧化层，形成可活动部件，而那些被单晶硅覆盖面积大的氧化层不能被完全腐蚀掉，这些单晶硅依旧被固定在衬底上，形成锚区。需要指出的是，以上工艺的选择不仅限于提到的优选工艺，也可选择表面微加工工艺，衬底为单晶硅，结构层为掺杂多晶硅或金属。
被测微梁断裂强度的测试方法如下：
1)在两下锚区203之间施加直流电压，电流流经热执行结构的纵梁202和横宽梁201。
2)电流流经纵梁202使其发生热膨胀，带动着与之相连的横宽梁201以及动齿405同步向前方横向平移。横宽梁201的移动将拉伸被测微梁301；而动齿405的横向移动使与左定齿401的距离变近，而与右定齿403的距离变远。
3)逐渐加大施加的直流电压，施加在下锚区203之间的直流电压越大，纵梁202因热膨胀而伸展越多，动齿405随之就越靠近左定齿401，越远离右定齿403。因此，动齿405与两定齿之间形成的电容之差就越大，这里整个电容变化量由三组并联的梳齿差分电容构成。
4)继续加大施加的直流电压，从几伏加至几十伏直至被测微梁301发生断裂。此时，热执行结构的负载突然消失，纵梁202伸展更明显，相应地横向梳齿差分电容的变化量即刻增加。
5)当观察到测量电容突然变化时，两下锚区203之间施加电压终止。
测量并记录梳齿差分电容与热执行结构通电电压的变化关系。考虑到动齿405与两定齿形成的差分电容的变化与纵梁202或被测微梁301的伸长量成正比，因此通过测量差分电容的变化量，并由电容变化突变点可确定被测微梁301断裂时所对应的拉伸长度，进而能确定被测微梁的断裂强度。
上述测试结构中假设横向梳齿式电容结构由三组完全相同的梳齿结构构成，而在实际应用中可根据测试精度和灵敏度的设计要求，适当调整梳齿结构的组数，测量得到的电容变化量是与梳齿组数成正比的。
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)

1.一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构，其特征在于：包括衬底(1)、门字型热执行结构、被测微粱和横向梳齿电容检测结构，整个结构关于纵向中轴(L)完全对称；
所述门字型热执行结构的两根纵梁(202)分别垂直连接于横宽梁(201)的两末端，纵梁(202)的另一端固定在下锚区(203)侧面；
所述被测微梁(301)与门字型热执行结构的两纵梁(202)平行，位于它们正中间，一端垂直连接在横宽梁(201)内侧的中部，另一端连接在上锚区(302)的一个侧面；
所述横向梳齿电容检测结构由位于门子型结构内的三组完全相同的梳齿结构依次排列在被测微梁上锚区(302)的后方，所有梳齿平行于横宽梁(201)；每组梳齿结构左、右对称，均为左定齿(401)和右定齿(403)夹着一动齿(405)，动齿(405)与两侧的左定齿(401)和右定齿(403)的间距完全相同；其中，动齿(405)的一端垂直连接在门字型热执行结构的纵梁(202)内侧，另一端悬空，而左定齿(401)或右定齿(403)的一端连接在位于横宽梁的纵向中轴(L)上的第一锚区(402)或第二锚区(404)的侧面，另一端悬空；
所述下锚区(203)、上锚区(302)、第一锚区(402)和第二锚区(404)置于衬底(1)上；
所述门字型热执行结构、被测微梁(301)和横向梳齿电容检测结构均位于同一平面，平行悬置在衬底(1)上方。
2.如权利要求1所述的一种基于横向梳齿式电容的微梁断裂强度的测试结构，其特征在于：所述横宽梁(201)、纵梁(202)、被测微梁(301)、左定齿(401)、右定齿(403)、动齿(405)均为掺杂单晶硅。
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