CN104567994A - Mems材料的接触电阻和接触力同步测量结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，包括绝缘衬底，悬浮于绝缘衬底上端面用同一种导电材料表面微加工制成的V型热执行器、回字弹簧、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初始状态的测试间距；通过施加电流受热膨胀使V型热执行器、回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的相面对的侧面接触并产生接触力，用于进行导电材料的接触电阻和接触力同步测量。采用电热驱动方式，简单易行、操作方便、测量速度较快，还便于在线测试和高精度测试；基于MEMS加工技术，可降低生产成本，结构简单、体积小巧、通用性强。

Description

MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构及方法

技术领域

本发明涉及一种测量结构及方法，特别是涉及一种通过MEMS表面微加工技术制造的MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构及其测量方法，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，接触特性的研究已经受到越来越多的关注，它直接关系到带有接触结构的MEMS器件的性能和可靠性。

以MEMS开关为例，在静电激励下或热激励下接触电极相互接触，形成导通电路，而接触电阻在该电路中具有主要电阻的作用。接触电阻的大小随接触力的改变而改变，而接触力的大小与器件结构以及加载激励的大小有关。一个可靠工作的MEMS器件需要获知其接触电阻的大小。对于给定加载激励的MEMS开关，一般只能计算出其接触力的大小，若要计算接触电阻的大小，需要确定接触力和接触电阻的关系。所以，接触力和接触电阻的关系是MEMS器件中一个重要的参数。

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，对所用不同材料制造的MEMS器件进行测试，存在通用性较差的缺陷。

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MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构及其测量方法，结构简单、体积小巧、操作方便、通用性强、成本较低，能实现快速测量，特别适用于对表面微加工制造的MEMS材料进行接触电阻和接触力的同步测量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，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V型热执行器、回字弹簧、可动接触电极和固定接触电极；还包括设置在回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V型热执行器、回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V型热执行器、回字弹簧、可动接触电极和固定接触电极均采用同一种导电材料由表面微加工工艺制成。

而且，所述V型热执行器通过施加电流受热膨胀，驱使V型热执行器、回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的相面对的侧面接触并产生接触力，用于进行导电材料的接触电阻和接触力同步测量。

本发明进一步设置为：所述V型热执行器包括一根水平设置的执行梁，水平设置并与执行梁相交连接且成对设置至少一对的热臂；所述热臂包括热臂一和热臂二。

其中，所述热臂一和热臂二与执行梁轴线的相交夹角呈锐角、并以执行梁轴线为中心呈对称分布、形成V型，所述V型相交底端朝向回字弹簧；所述热臂一和热臂二的末端分别连接固设在绝缘衬底水平上端面的锚区一和锚区二，从而获得支撑保持悬浮状态；所述锚区一和锚区二的上端面分别设置有接地焊盘和接电焊盘。

本发明更进一步设置为：所述回字弹簧包括相互平行的横梁一和横梁二，所述横梁一和横梁二的两端头均通过竖梁相连、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横梁一和横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热臂相交处后与回字弹簧的横梁一的中心垂直相连、另一端为自由端；所述可动接触电极与回字弹簧的横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：所述热臂一和热臂二、锚区一和锚区二、接地焊盘和接电焊盘的数量均成四对，均在执行梁两侧等间隔分布。

本发明更进一步设置为：所述导电材料为多晶硅或砷化镓。

本发明更进一步设置为：所述接地焊盘、接电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MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：加电热胀后形成接触；

将锚区一的接地焊盘接地、锚区二的接电焊盘接上电流，施加电流载荷后，接地焊盘和接电焊盘之间的热臂一和热臂二通电受热；受热膨胀后，热臂一和热臂二产生推动力，驱使V型热执行器的执行梁、回字弹簧和可动接触电极一起向固定接触电极靠近，并使可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触；

步骤2：增大电流载荷，产生接触力；

当可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触时，继续增大电流载荷，可动接触电极与固定接触电极的侧面接触将产生接触力，回字弹簧将发生形变；随着电流载荷的增大，接触力也会增大，回字弹簧的形变量也会增大；

步骤3：测量接触电阻的大小；

在可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触并产生接触力后，保持供应电流不变，通过测量接地焊盘和测量焊盘之间的电阻，获取接触电阻的大小；

步骤4：测量接触力的大小；

保持步骤3的供应电流不变，通过读取发生形变的回字弹簧中的刻度结构，得到回字弹簧的形变量，进而获取与回字弹簧形变量成正比的接触力大小；

步骤5：获取不同电流下接触电阻和接触力的关系曲线；

通过施加不同电流，测量出不同电流下呈对应关系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。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：采用电热驱动方式使可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触并产生接触力，再进行接触电阻和接触力的同步测量，简单易行、操作方便、测量速度较快且对测量仪器的要求低，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MEMS器件结构时可作为陪片一并加工出来，无须专门制作，可降低生产成本，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MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构的俯视结构示意图；

图2为图1中A-A剖示图；

图3为图1中B-B剖示图；

图4为图1中局部C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、图3及图4所示，一种MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，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V型热执行器2、回字弹簧3、可动接触电极4和固定接触电极5；还包括设置在回字弹簧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V型热执行器2、回字弹簧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V型热执行器2、回字弹簧3、可动接触电极4和固定接触电极5均采用同一种导电材料由表面微加工工艺制成；

所述V型热执行器2通过施加电流受热膨胀，驱使V型热执行器2、回字弹簧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的相面对的侧面接触并产生接触力，用于进行导电材料的接触电阻和接触力同步测量。

如图1、图2及图3所示，所述V型热执行器2包括一根水平设置的执行梁21，水平设置并与执行梁21相交连接且成对设置的四对热臂22，所述四对热臂22于执行梁21轴线方向等间隔分布；所述热臂22包括热臂一221和热臂二222；所述热臂一221和热臂二222与执行梁21轴线的相交夹角呈锐角α、并以执行梁21轴线为中心呈对称分布、形成V型，所述V型相交底端朝向回字弹簧3；所述热臂一221和热臂二222的末端分别连接固设在绝缘衬底1水平上端面的锚区一11和锚区二12，从而获得支撑保持悬浮状态；所述锚区一11和锚区二12的上端面分别设置有接地焊盘110和接电焊盘120。

如图1所示，所述回字弹簧3包括相互平行的横梁一31和横梁二32，所述横梁一31和横梁二32的两端头均通过竖梁33相连、形成闭合环20；所述刻度结构6设置在闭合环20中；所述刻度结构6包括分别与横梁一31和横梁二32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轴长一端超出热臂22相交处即V型相交底端后、与回字弹簧3的横梁一31的中心垂直相连、另一端为自由端；所述可动接触电极4与回字弹簧3的横梁二32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MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，除了锚区一11、锚区二12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、接电焊盘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上端面正上方；其中，接地焊盘110、接电焊盘120和测量焊盘130均可以采用铝或金等金属材料制成，而构成测量结构主体的执行梁21、热臂一221、热臂二222、回字弹簧3、可动接触电极4和固定接触电极5均采用多晶硅或砷化镓等导电材料由表面微加工工艺制成。

采用本发明的MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，进行同步测量的方法，包括以下步骤：

步骤1：加电热胀后形成接触；

将锚区一的接地焊盘接地、锚区二的接电焊盘接上电流，施加电流载荷后，接地焊盘和接电焊盘之间的热臂一和热臂二通电受热；受热膨胀后，热臂一和热臂二产生推动力，驱使V型热执行器的执行梁、回字弹簧和可动接触电极一起向固定接触电极靠近，并使可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触。

步骤2：增大电流载荷，产生接触力；

当可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触时，继续增大电流载荷，可动接触电极与固定接触电极之间将产生接触力，回字弹簧将发生形变；随着电流载荷的增大，接触力也会增大，回字弹簧的形变量也会增大。

步骤3：测量接触电阻的大小；

在可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触并产生接触力后，保持供应电流不变，通过测量接地焊盘和测量焊盘之间的电阻，获取接触电阻的大小；

与MEMS材料的接触电阻相比，测量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MEMS导电材料的接触电阻，接触电阻的测量精度由外接测量设备决定。

步骤4：测量接触力的大小；

保持步骤3的供应电流不变，通过读取发生形变的回字弹簧中的刻度结构，得到回字弹簧的形变量，进而获取与回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回字弹簧的刚度及刻度结构的刻度精度决定，采用回字弹簧结构，可使微小的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5：获取不同电流下接触电阻和接触力的关系曲线；

通过施加不同电流，测量出不同电流下呈对应关系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。

本发明的创新点在于，采用电热驱动方式使可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触并产生接触力，再进行接触电阻和接触力的同步测量，简单易行、操作方便、测量速度较快且对测量仪器的要求低，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MEMS器件结构时可作为陪片一并加工出来，无须专门制作，可降低生产成本，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 (9)

1.一种MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，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V型热执行器、回字弹簧、可动接触电极和固定接触电极；还包括设置在回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V型热执行器、回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V型热执行器、回字弹簧、可动接触电极和固定接触电极均采用同一种导电材料由表面微加工工艺制成；

所述V型热执行器通过施加电流受热膨胀，驱使V型热执行器、回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的相面对的侧面接触并产生接触力，用于进行导电材料的接触电阻和接触力同步测量。

2.根据权利要求1所述的MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，其特征在于：所述V型热执行器包括一根水平设置的执行梁，水平设置并与执行梁相交连接且成对设置至少一对的热臂；所述热臂包括热臂一和热臂二；

所述热臂一和热臂二与执行梁轴线的相交夹角呈锐角、并以执行梁轴线为中心呈对称分布、形成V型，所述V型相交底端朝向回字弹簧；所述热臂一和热臂二的末端分别连接固设在绝缘衬底水平上端面的锚区一和锚区二，从而获得支撑保持悬浮状态；

所述锚区一和锚区二的上端面分别设置有接地焊盘和接电焊盘。

3.根据权利要求2所述的MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，其特征在于：所述回字弹簧包括相互平行的横梁一和横梁二，所述横梁一和横梁二的两端头均通过竖梁相连、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横梁一和横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热臂相交处后与回字弹簧的横梁一的中心垂直相连、另一端为自由端；所述可动接触电极与回字弹簧的横梁二的中心垂直相连。

4.根据权利要求2所述的MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，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MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，其特征在于：所述热臂一和热臂二、锚区一和锚区二、接地焊盘和接电焊盘的数量均成四对，均在执行梁两侧等间隔分布。

6.根据权利要求1所述的MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，其特征在于：所述导电材料为多晶硅或砷化镓。

7.根据权利要求4所述的MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，其特征在于：所述接地焊盘、接电焊盘和测量焊盘均采用金属材料制成。

8.根据权利要求7所述的MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构，其特征在于：所述金属材料为铝或金。

9.根据权利要求1所述的MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：加电热胀后形成接触；

将锚区一的接地焊盘接地、锚区二的接电焊盘接上电流，施加电流载荷后，接地焊盘和接电焊盘之间的热臂一和热臂二通电受热；受热膨胀后，热臂一和热臂二产生推动力，驱使V型热执行器的执行梁、回字弹簧和可动接触电极一起向固定接触电极靠近，并使可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触；

步骤2：增大电流载荷，产生接触力；

当可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触时，继续增大电流载荷，可动接触电极与固定接触电极的侧面接触将产生接触力，回字弹簧将发生形变；随着电流载荷的增大，接触力也会增大，回字弹簧的形变量也会增大；

步骤3：测量接触电阻的大小；

在可动接触电极和固定接触电极的相面对的侧面接触并产生接触力后，保持供应电流不变，通过测量接地焊盘和测量焊盘之间的电阻，获取接触电阻的大小；

步骤4：测量接触力的大小；

保持步骤3的供应电流不变，通过读取发生形变的回字弹簧中的刻度结构，得到回字弹簧的形变量，进而获取与回字弹簧形变量成正比的接触力大小；

步骤5：获取不同电流下接触电阻和接触力的关系曲线；

通过施加不同电流，测量出不同电流下呈对应关系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。