CN104535720A - 基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，包括绝缘衬底，悬浮于绝缘衬底上端面的静电执行器、王字弹簧、可动接触电极和固定接触电极，以及用于读取测试刻度的刻度结构；可动接触电极和固定接触电极之间相隔测试间距，两者相面对的侧面设置有待测试的表面材料；通过施加电压产生静电驱动使静电执行器、王字弹簧和可动接触电极一起向固定接触电极靠近，使表面材料接触并产生接触力，实现接触特性测试。采用静电驱动方式，简单易行、操作方便、测量速度较快，静电激励功耗低、可降低成本，基于MEMS加工技术，结构简单、体积小巧，可对不同材料进行测量，通用性强，特别适用于RF MEMS器件表面材料接触特性的测试。

Description

基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种RF MEMS表面材料接触特性测试，特别是涉及一种基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构及其测试方法，属于微电子机械系统制造及其性能可靠性测试技术领域。

背景技术

目前，RF MEMS器件表面材料接触特性的研究一直受到广泛关注，它直接关系到电阻式RF MEMS器件的性能和可靠性，接触电阻的大小和变化直接影响电阻式RF MEMS器件的电学性能。

以电阻式RF MEMS开关为例，在静电激励下接触电极相互接触，形成导通的射频电路，接触电阻的大小和接触力的大小相关，也和接触面的表面情况有关。一个可靠工作的RF MEMS器件需要知道接触电阻的大小，以及接触电阻随接触次数的变化。

对于给定加载激励的RF MEMS器件，一般只能计算出接触力的大小，另外需要根据接触电阻和接触力之间的关系才能确定接触电阻的大小。因此，接触电阻和接触力的关系是RF MEMS器件中一个重要的参数，同时接触电阻和接触次数的关系是另一个重要的参数。

现有技术中，接触电阻测量所采用的专门测试设备，设备昂贵、体积庞大、测量成本高，而且，对RF MEMS器件所用的不同材料测试适应性较差。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构及其测试方法，结构简单、体积小巧、操作方便、成本较低，能够实现快速测量，可对不同材料进行测量，通用性强，特别适用于通过MEMS加工技术制造的RF MEMS器件表面材料接触特性的测试。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，包括绝缘衬底，位于绝缘衬底水平上端面处于同一水平中心轴线依次分布的静电执行器、王字弹簧、可动接触电极和固定接触电极；还包括设置在王字弹簧中用于读取测试刻度的刻度结构；所述可动接触电极和固定接触电极之间相隔初始状态的测试间距。

其中，所述静电执行器、王字弹簧和可动接触电极依次相连成一体、并通过支撑保持悬浮状态；所述固定接触电极通过支撑也保持悬浮状态；所述可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面均设置有待测试的表面材料。

同时，所述静电执行器通过施加电压产生静电驱动作用，驱使静电执行器、王字弹簧和可动接触电极一起向固定接触电极靠近，使可动接触电极和固定接触电极相面对侧面的待测试的表面材料接触并产生接触力，用于进行表面材料接触特性的测试。

本发明进一步设置为：所述静电执行器包括一根水平设置的执行梁，水平设置并与执行梁垂直连接的两段支撑梁，水平设置并与执行梁垂直连接且成对设置至少一对的动齿，以及与动齿等长对应且成对设置至少一对的静齿；所述两段支撑梁和动齿均以执行梁轴线为中心线呈对称分布；所述两段支撑梁的末端分别连接固设在绝缘衬底水平上端面的两个支撑梁锚区，从而获得支撑保持悬浮状态。

其中，所述静齿与动齿平行错开、等高排列、并相距初始状态的动静齿间距；所述静齿的一端靠近执行梁侧面并保持不接触、另一端连接固设在绝缘衬底水平上端面的静齿锚区，从而获得支撑保持悬浮状态；初始状态时，所述可动接触电极和固定接触电极之间的测试间距小于动静齿间距的三分之一；所述支撑梁锚区和静齿锚区的上端面分别设置有接地焊盘和接高电位焊盘。

本发明更进一步设置为：所述王字弹簧包括平行于执行梁的两个蛇形弹簧，所述两个蛇形弹簧的两端头均通过连接梁一和连接梁二相连、形成闭合环；所述刻度结构设置在闭合环中；所述刻度结构包括分别与连接梁一和连接梁二相连的刻度尺一和刻度尺二，所述刻度尺一与刻度尺二平行错开、等高排列、末端零刻度初始对齐；所述执行梁轴长一端超出支撑梁轴线为自由端、另一端与王字弹簧的连接梁一的中心垂直相连；所述可动接触电极与王字弹簧的连接梁二的中心垂直相连。

本发明更进一步设置为：所述固定接触电极的一端连接固设在绝缘衬底水平上端面的固定电极锚区，从而获得支撑保持悬浮状态；所述固定电极锚区的上端面设置有测量焊盘。

本发明更进一步设置为：所述动齿、静齿、静齿锚区和接高电位焊盘的数量均为四对，均在执行梁两侧等间隔分布。

本发明更进一步设置为：所述静电执行器、王字弹簧、可动接触电极和固定接触电极均采用镍材料由镍金属微加工工艺制成。

本发明更进一步设置为：所述待测试的表面材料为金属，所述金属为金。

本发明更进一步设置为：所述接地焊盘、接高电位焊盘和测量焊盘均采用金属材料制成。

本发明更进一步设置为：所述金属材料为铝或金。

本发明还提供基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：静电驱动作用下表面材料接触；

将支撑梁锚区的接地焊盘接地、静齿锚区的接高电位焊盘接上电压，加压后静齿和动齿之间施加的驱动电压会产生静电驱动力，受静电驱动的作用，静电执行器、王字弹簧和可动接触电极一起向固定接触电极靠近，不断加压后使得可动接触电极和固定接触电极相面对侧面的待测试的表面材料接触；

步骤2：测量表面材料接触力的大小；

在可动接触电极和固定接触电极相面对侧面的待测试的表面材料接触后，继续增大驱动电压，使得可动接触电极和固定接触电极的表面材料之间产生接触力，导致王字弹簧发生形变，通过读取王字弹簧中的刻度结构得到王字弹簧形变量，进而获取与王字弹簧形变量成正比的接触力大小；

步骤3：测量表面材料接触电阻的大小；

保持步骤2测量表面材料接触力时的驱动电压不变，通过测量接地焊盘和测量焊盘之间的电阻，获取表面材料接触电阻的大小；

步骤4：获取不同驱动电压下表面材料接触电阻和接触力的关系曲线；

关闭步骤2所用驱动电压，静电驱动消失，静电执行器、王字弹簧和可动接触电极均复位，使得可动接触电极和固定接触电极恢复分离状态并回复初始状态的测试间距；

再次施加驱动电压，通过调节驱动电压，测量不同驱动电压下呈对应关系的表面材料的接触电阻和接触力，并获取接触电阻和接触力之间的关系曲线；

步骤5：获取同一驱动电压下表面材料接触电阻和接触次数的关系曲线；

反复施加和关闭相同的驱动电压，使可动接触电极和固定接触电极反复接触和分离，测量出每次接触后的接触电阻，获取同一驱动电压下表面材料接触电阻和接触次数的关系曲线。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：采用静电驱动方式形成表面材料接触，再进行接触特性的测试，简单易行、操作方便、测量速度较快且对测量仪器的要求低，静电激励功耗低、可降低成本，而且还便于在线测试和高精度测试；测试结构基于MEMS加工技术，在加工被测RF MEMS器件结构时可作为陪片一并加工出来，无须专门制作，进一步降低生产成本，具有结构简单、体积小巧、通用性强等优点。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构的结构示意图；

图2为图1中局部A的放大示意图；

图3为图1中局部B的放大示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1、图2及图3所示，一种基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，包括绝缘衬底1，位于绝缘衬底1水平上端面处于同一水平中心轴线依次分布的静电执行器2、王字弹簧3、可动接触电极4和固定接触电极5；还包括设置在王字弹簧3中用于读取测试刻度的刻度结构6；所述可动接触电极4和固定接触电极5之间相隔初始状态的测试间距10。

所述静电执行器2、王字弹簧3和可动接触电极4依次相连成一体、并通过支撑保持悬浮状态；所述固定接触电极5通过支撑也保持悬浮状态；所述可动接触电极4和固定接触电极5的相面对的侧面均设置有待测试的表面材料20。

所述静电执行器2通过施加电压产生静电驱动作用，驱使静电执行器2、王字弹簧3和可动接触电极4一起向固定接触电极5靠近，使可动接触电极4和固定接触电极5相面对侧面的待测试的表面材料20接触并产生接触力，用于进行表面材料20接触特性的测试。

如图1所示，所述静电执行器2包括一根水平设置的执行梁21，水平设置并与执行梁21垂直连接的两段支撑梁22，水平设置并与执行梁21垂直连接且成对设置的四对动齿23，以及与动齿23等长对应且成对设置的四对静齿24；所述两段支撑梁22和动齿23均以执行梁21轴线为中心线呈对称分布；所述两段支撑梁22的末端分别连接固设在绝缘衬底1水平上端面的两个支撑梁锚区11，从而获得支撑保持悬浮状态。所述动齿23和静齿24于执行梁21轴线方向的侧面等间隔分布。

所述静齿24与动齿23平行错开、等高排列、并相距初始状态的动静齿间距30；所述静齿24的一端靠近执行梁21轴侧面并保持不接触、另一端连接固设在绝缘衬底1水平上端面的静齿锚区12，从而获得支撑保持悬浮状态；初始状态时，所述可动接触电极4和固定接触电极5之间的测试间距10小于动静齿间距30的三分之一；所述支撑梁锚区11和静齿锚区12的上端面分别设置有接地焊盘110和接高电位焊盘120。

如图1所示，所述王字弹簧3包括平行于执行梁21的两个蛇形弹簧33，所述两个蛇形弹簧33的两端头均通过连接梁一31和连接梁二32相连、形成闭合环40；所述刻度结构6设置在闭合环40中；所述刻度结构6包括分别与连接梁一31和连接梁二32相连的刻度尺一61和刻度尺二62，所述刻度尺一61与刻度尺二62平行错开、等高排列、末端零刻度初始对齐。

所述执行梁21轴长一端超出支撑梁22轴线为自由端、另一端与王字弹簧3的连接梁一31的中心垂直相连；所述可动接触电极4与王字弹簧3的连接梁二32的中心垂直相连。

所述固定接触电极5的一端连接固设在绝缘衬底1水平上端面的固定电极锚区13，从而获得支撑保持悬浮状态；所述固定电极锚区13的上端面设置有测量焊盘130。

本发明的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，除了支撑梁锚区11、静齿锚区12和固定电极锚区13固设在绝缘衬底水平上端面，以及接地焊盘110、接高电位焊盘120和测量焊盘130固设在锚区11、12和13的上端面，其他部件均悬浮于绝缘衬底1上端面正上方；其中，接地焊盘110、接高电位焊盘120和测量焊盘130均可以采用铝或金等金属材料制成，而构成测试结构主体的执行梁21、支撑梁22、动齿23、静齿24、王字弹簧3、可动接触电极4和固定接触电极5均采用镍材料，由镍金属微机械加工工艺制成，在可动接触电极4和固定接触电极5的相面对的侧面设置有金等金属材料作为待测试的表面材料。

采用本发明的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，进行表面材料接触特性的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：静电驱动作用下表面材料接触；

将支撑梁锚区的接地焊盘接地、静齿锚区的接高电位焊盘接上电压，加压后静齿和动齿之间施加的驱动电压会产生静电驱动力，受静电驱动的作用，静电执行器、王字弹簧和可动接触电极一起向固定接触电极靠近，不断加压后使得可动接触电极和固定接触电极相面对侧面的待测试的表面材料接触。

步骤2：测量表面材料接触力的大小；

在可动接触电极和固定接触电极相面对侧面的待测试的表面材料接触后，继续增大驱动电压，使得可动接触电极和固定接触电极的表面材料之间产生接触力，导致王字弹簧发生形变，通过读取王字弹簧中的刻度结构得到王字弹簧形变量，进而获取与王字弹簧形变量成正比的接触力大小；其中刻度结构可使用显微镜读取；接触力的测量精度由王字弹簧的刚度及刻度结构的刻度精度决定，采用王字弹簧结构，可使微小的表面材料接触力转换为可视较大的刻度读数，进而实现较高的测量精度。

步骤3：测量表面材料接触电阻的大小；

保持步骤2测量表面材料接触力时的驱动电压不变，通过测量接地焊盘和测量焊盘之间的电阻，获取表面材料接触电阻的大小；

与表面材料的接触电阻相比，测试结构的材料电阻可以忽略，因此通过测量接地焊盘和测量焊盘之间的电阻可近似等效为表面材料的接触电阻，接触电阻的测量精度由外接测量设备决定。

步骤4：获取不同驱动电压下表面材料接触电阻和接触力的关系曲线；

关闭步骤2所用驱动电压，静电驱动消失，静电执行器、王字弹簧和可动接触电极均复位，使得可动接触电极和固定接触电极恢复分离状态并回复初始状态的测试间距；

再次施加驱动电压，通过调节驱动电压，测量不同驱动电压下呈对应关系的表面材料的接触电阻和接触力，并获取接触电阻和接触力之间的关系曲线。

步骤5：获取同一驱动电压下表面材料接触电阻和接触次数的关系曲线；

反复施加和关闭相同的驱动电压，使可动接触电极和固定接触电极反复接触和分离，并在接触时产生相同接触力后测量出接触电阻，获取同一驱动电压下表面材料接触电阻和接触次数的关系曲线。

本发明的创新点在于，采用静电驱动方式使表面材料接触并产生接触力，再进行接触特性的测试，简单易行、操作方便、测量速度较快且对测量仪器的要求低，静电激励功耗低、可降低成本，而且还便于在线测试和高精度测试；测试结构基于MEMS加工技术，在加工被测RF MEMS器件结构时可作为陪片一并加工出来，无须专门制作，进一步降低生产成本，具有结构简单、体积小巧、通用性强等优点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，其特征在于：

包括绝缘衬底，位于绝缘衬底水平上端面处于同一水平中心轴线依次分布的静电执行器、王字弹簧、可动接触电极和固定接触电极；还包括设置在王字弹簧中用于读取测试刻度的刻度结构；所述可动接触电极和固定接触电极之间相隔初始状态的测试间距；

所述静电执行器、王字弹簧和可动接触电极依次相连成一体、并通过支撑保持悬浮状态；所述固定接触电极通过支撑也保持悬浮状态；所述可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面均设置有待测试的表面材料；

所述静电执行器通过施加电压产生静电驱动作用，驱使静电执行器、王字弹簧和可动接触电极一起向固定接触电极靠近，使可动接触电极和固定接触电极相面对侧面的待测试的表面材料接触并产生接触力，用于进行表面材料接触特性的测试。

2.根据权利要求1所述的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，其特征在于：所述静电执行器包括一根水平设置的执行梁，水平设置并与执行梁垂直连接的两段支撑梁，水平设置并与执行梁垂直连接且成对设置至少一对的动齿，以及与动齿等长对应且成对设置至少一对的静齿；

所述两段支撑梁和动齿均以执行梁轴线为中心线呈对称分布；所述两段支撑梁的末端分别连接固设在绝缘衬底水平上端面的两个支撑梁锚区，从而获得支撑保持悬浮状态；

所述静齿与动齿平行错开、等高排列、并相距初始状态的动静齿间距；所述静齿的一端靠近执行梁侧面并保持不接触、另一端连接固设在绝缘衬底水平上端面的静齿锚区，从而获得支撑保持悬浮状态；初始状态时，所述可动接触电极和固定接触电极之间的测试间距小于动静齿间距的三分之一；

所述支撑梁锚区和静齿锚区的上端面分别设置有接地焊盘和接高电位焊盘。

3.根据权利要求2所述的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，其特征在于：所述王字弹簧包括平行于执行梁的两个蛇形弹簧，所述两个蛇形弹簧的两端头均通过连接梁一和连接梁二相连、形成闭合环；所述刻度结构设置在闭合环中；

所述刻度结构包括分别与连接梁一和连接梁二相连的刻度尺一和刻度尺二，所述刻度尺一与刻度尺二平行错开、等高排列、末端零刻度初始对齐；

所述执行梁轴长一端超出支撑梁轴线为自由端、另一端与王字弹簧的连接梁一的中心垂直相连；所述可动接触电极与王字弹簧的连接梁二的中心垂直相连。

4.根据权利要求2所述的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，其特征在于：所述固定接触电极的一端连接固设在绝缘衬底水平上端面的固定电极锚区，从而获得支撑保持悬浮状态；所述固定电极锚区的上端面设置有测量焊盘。

5.根据权利要求2所述的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，其特征在于：所述动齿、静齿、静齿锚区和接高电位焊盘的数量均为四对，均在执行梁两侧等间隔分布。

6.根据权利要求1所述的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，其特征在于：所述静电执行器、王字弹簧、可动接触电极和固定接触电极均采用镍材料由镍金属微加工工艺制成。

7.根据权利要求1所述的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，其特征在于：所述待测试的表面材料为金属，所述金属为金。

8.根据权利要求4所述的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，其特征在于：所述接地焊盘、接高电位焊盘和测量焊盘均采用金属材料制成。

9.根据权利要求8所述的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构，其特征在于：所述金属材料为铝或金。

10.根据权利要求1所述的基于静电驱动的表面材料接触特性测试结构的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：静电驱动作用下表面材料接触；

将支撑梁锚区的接地焊盘接地、静齿锚区的接高电位焊盘接上电压，加压后静齿和动齿之间施加的驱动电压会产生静电驱动力，受静电驱动的作用，静电执行器、王字弹簧和可动接触电极一起向固定接触电极靠近，不断加压后使得可动接触电极和固定接触电极相面对侧面的待测试的表面材料接触；

步骤2：测量表面材料接触力的大小；

在可动接触电极和固定接触电极相面对侧面的待测试的表面材料接触后，继续增大驱动电压，使得可动接触电极和固定接触电极的表面材料之间产生接触力，导致王字弹簧发生形变，通过读取王字弹簧中的刻度结构得到王字弹簧形变量，进而获取与王字弹簧形变量成正比的接触力大小；

步骤3：测量表面材料接触电阻的大小；

保持步骤2测量表面材料接触力时的驱动电压不变，通过测量接地焊盘和测量焊盘之间的电阻，获取表面材料接触电阻的大小；

步骤4：获取不同驱动电压下表面材料接触电阻和接触力的关系曲线；

关闭步骤2所用驱动电压，静电驱动消失，静电执行器、王字弹簧和可动接触电极均复位，使得可动接触电极和固定接触电极恢复分离状态并回复初始状态的测试间距；

再次施加驱动电压，通过调节驱动电压，测量不同驱动电压下呈对应关系的表面材料的接触电阻和接触力，并获取接触电阻和接触力之间的关系曲线；

步骤5：获取同一驱动电压下表面材料接触电阻和接触次数的关系曲线；

反复施加和关闭相同的驱动电压，使可动接触电极和固定接触电极反复接触和分离，测量出每次接触后的接触电阻，获取同一驱动电压下表面材料接触电阻和接触次数的关系曲线。