CN104568586A - 薄膜材料断裂强度的测试结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种薄膜材料断裂强度的测试结构，可以用于导电薄膜材料和绝缘薄膜材料的断裂强度测试。本发明将力的加载驱动部分和由待测薄膜材料制作的断裂强度测试结构分层，并通过结合区进行叠层连接。通过游标结构测量拉伸的长度。为防止测试结构被拉断时无法测量实际的拉伸长度，采用了平行缓冲梁和阻尼弹簧防止出现过冲。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单，可以用于导体/绝缘体等多种薄膜材料的断裂强度的测试。

Description

薄膜材料断裂强度的测试结构

技术领域

本发明提供了一种薄膜材料断裂强度的测试结构。属于微机电系统(MEMS)材料参数测试技术领域。

背景技术

微机电系统的性能与材料参数有密切的关系。由于加工过程的影响，一些材料参数将产生变化，这些由加工工艺所导致的不确定因素，将使得器件设计与性能预测出现不确定和不稳定的情况。材料参数测试目的就在于能够实时地测量由具体工艺制造的微机电器件材料参数，对工艺的稳定性进行监控，并将参数反馈给设计者，以便对设计进行修正。因此，不离开加工环境并采用通用设备进行的测试成为工艺监控的必要手段。材料力学性能的物理参数主要包括残余应力、杨氏模量、泊松比、断裂强度等。

在微机电器件结构中广泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微机械结构中，薄膜材料是结构材料的主要材料。目前大多数的材料参数在线测试结构都是针对导电材料，例如掺杂单晶硅、掺杂多晶硅以及金属等。对于绝缘材料，例如氮化硅、二氧化硅以及被二氧化硅所包裹的单晶硅或多晶硅，由于这些材料具有绝缘特性，不易实现测试信号的直接加载和电检测。

本发明提出了一种薄膜材料断裂强度的测试结构，可以用于导电薄膜材料和绝缘薄膜材料的断裂强度测试。本发明将力的加载驱动部分和由待测薄膜材料制作的断裂强度测试结构分层，并通过结合区进行叠层连接。通过游标结构测量拉伸的长度。为防止测试结构被拉断瞬间的过冲导致无法测量实际的拉伸长度的问题，采用了缓冲结构抑制过冲。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单，可以用于导体/绝缘体等多种薄膜材料的断裂强度的测试。

发明内容

技术问题：测量材料的断裂强度通常需要知道结构断裂时受力大小或者结构被拉伸发生断裂时所产生的应变。在测量中的一个关键问题是如何能够准确地测量断裂时的实际拉伸长度。本发明提出了一种薄膜材料断裂强度的测试结构，用于测量薄膜材料的断裂强度。通过测试结构拉伸发生断裂时的实际拉伸量测量，并根据测试结构的几何尺寸和其他参数计算得到该薄膜材料的断裂强度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明所采用的拉伸方案是利用热膨胀驱动拉伸一个细梁直到断裂的方法。本发明克服了传统方法所存在的问题：当热膨胀驱动拉伸的细梁断裂时，由于细梁对热驱动结构的反力突然消失，热膨胀驱动系统会突然伸长，以致无法准确地获得细梁断裂时实际的拉伸量。基于这样的问题，本发明采用缓冲结构阻止这样的过冲对测量的影响。这种缓冲结构是具有一定拉伸承受程度的梁和弹簧两者的结合。

根据上述技术方案，本发明提供了一种测量薄膜材料断裂强度的测试结构。测试结构由三部分组成：热膨胀驱动单元；带阻尼结构的测微游标；由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元。

所述热膨胀驱动单元为一个多晶硅制作的门型结构，包括两个锚区、两根水平长梁、一根竖直宽梁。两根水平长梁的右端通过竖直宽梁连接，每个水平长梁的左端和一个锚区连接。

所述带阻尼结构的测微游标采用和热膨胀驱动单元相同的多晶硅制作，由水平运动的动齿、第一定齿、第二定齿、阻尼弹簧和锚区组成。其中，水平运动的动齿为一上下两边均匀分布若干齿的结构，所有齿的宽度和齿的间距均相等。定齿则为固定不动的单边齿结构，所有齿的间距比齿的宽度大1△，△是游标尺的分辨率。第一定齿位于水平运动的动齿之下，齿边向上，第二定齿位于位于水平运动的动齿之上，齿边向下。阻尼弹簧为一折叠梁结构。测微游标中的动齿左边第一齿相对其下部第一定齿的左边第一齿偏左1△，由于定齿的所有齿间距比齿的宽度大1△，因此，自左向右，动齿左边第二齿相对其下部的第一定齿的左边第二齿偏左2△，以此类推，动齿左边第n个齿相对其下部的第一定齿的左边第n个齿偏左n△。动齿的齿相对其上部第二定齿的关系延续了下部关系，即当动齿和第一定齿的最大偏差为m△时，动齿的左边第一齿相对其上部第二定齿的左边第一齿偏左(m+1)△。阻尼弹簧的左端与水平运动的动齿相连，右端和锚区相连。

所述由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元由三根长度相同的细梁、连接梁、锚区组成。三根细梁的左端连接在锚区上，右端连接在连接梁上。三根细梁从上到下平行排列，自上而下依次为第一水平细梁、第二水平细梁和第三水平细梁。其中，第一水平细梁和第三水平细梁的宽度相等，第二水平细梁宽度小于第一、三水平细梁。第二水平细梁是用于断裂强度测试用的梁，第一、三水平细梁是用于抗过冲的缓冲梁。

所述热膨胀驱动单元、带阻尼结构的测微游标、由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元之间的连接关系如下：带阻尼结构的测微游标的动齿左端与热膨胀驱动单元的竖直宽梁垂直连接，由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元的连接梁与热膨胀驱动单元的竖直宽梁叠合连接。热膨胀驱动单元、带阻尼结构的测微游标的动齿、由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元的轴线重合。

工作原理：当通过锚区对热膨胀驱动单元施加逐渐增加的电流时，热膨胀驱动单元的两根水平长梁因电热效应而发生热膨胀，并带动测微游标的动齿向右运动，同时，通过叠合连接在热膨胀驱动单元竖直宽梁上的拉伸梁单元的连接梁对第一、二、三水平细梁进行拉伸。由于第二水平细梁最细，因此，当到达某一拉伸量时，其首先断裂，因为第一、三水平细梁的宽度较宽，仍然保持与热驱动部分的连接，和测微游标的阻尼弹簧一起，共同防止了热驱动部分的过冲。读取第二水平细梁断裂时的测微游标值，并根据第二水平细梁的截面尺寸、长度尺寸和杨氏模量可以计算得到待测薄膜材料的应变值和断裂强度。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的最大优点在于薄膜材料的断裂强度测试方法简单，测试设备要求低，测试过程及测试参数值稳定。特别是采用缓冲梁和阻尼弹簧避免了驱动结构过冲所产生的拉伸量测不准的问题。加工过程与微机电器件同步，没有特殊加工要求。完全符合在线测试的要求。计算方法仅限于简单数学公式。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的计算方法极其简单，适应性广，可以用于测试导电和绝缘薄膜材料的断裂强度。

附图说明

图1是本发明的测试结构。

图中有：热膨胀驱动单元101、第一锚区101-1、第二锚区101-2，第一水平长梁101-3、第二水平长梁101-4，竖直宽梁101-5。测微游标103、水平运动动齿103-1，第一定齿103-2，第二定齿103-3，阻尼弹簧103-4，第四锚区103-5。拉伸梁单元102、第二锚区102-1，第一水平细梁102-2，第二水平细梁102-3，第三水平细梁102-4，连接梁102-5。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明做更进一步的说明。

本发明提供了一种测量薄膜材料断裂强度的测试结构。测试结构由三部分组成：热膨胀驱动单元101；带阻尼结构的测微游标103；由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元102。其中，热膨胀驱动单元101和带阻尼结构的测微游标103的主体材料为多晶硅。

所述热膨胀驱动单元101为一个门型结构，包括两个锚区即第一锚区101-1、第二锚区101-2、两根水平长梁即第一水平长梁101-3、第二水平长梁101-4、一根竖直宽梁101-5。两根水平长梁的右端分别垂直连接到竖直宽梁101-5上下两端，水平长梁的左端和第一锚区101-1、第二锚区101-2连接。

所述带阻尼结构的测微游标103由水平运动的动齿103-1、第一定齿103-2、第二定齿103-3、阻尼弹簧103-4和第四锚区103-5组成。其中，水平运动的动齿103-1上下两边均匀分布若干齿，所有齿的宽度和齿的间距均相等。第一定齿103-2，第二定齿103-3为固定不动的单边齿结构，第一定齿103-2，第二定齿103-3的齿宽与动齿103-1的齿宽相同，齿的间距比齿的宽度大1△，△是游标尺的分辨率。第一定齿103-2位于水平运动的动齿103-1之下，齿边向上，第二定齿103-3位于位于水平运动的动齿103-1之上，齿边向下；阻尼弹簧103-4为一折叠梁结构。测微游标103中的动齿103-1左边第一齿相对其下部的第一定齿103-2左边第一齿偏左1△，由于定齿的所有齿间距比齿的宽度大1△，因此，自左向右，动齿103-1左边第二齿相对其下部的第一定齿103-2左边第二齿偏左2△，以此类推，动齿103-1左边第n个齿相对其下部的第一定齿103-2的左边第n个齿偏左n△。动齿103-1的齿相对其上部第二定齿103-3的关系延续了下部关系，即当动齿103-1和第一定齿103-2的最大偏差为m△时，动齿103-1左边第一齿相对其上部第二定齿103-3左边第一齿偏左(m+1)△。本实施例动齿103-1每边齿数和第一定齿103-2，第二定齿103-3的齿数为10，因此，拉伸量的最大量程为20△。阻尼弹簧103-4的左端与水平运动的动齿103-1相连，右端和锚区103-5相连。

所述由待测薄膜材料制作的拉伸梁102单元由三根长度相同的细梁即第一水平细梁102-2，第二水平细梁102-3，第三水平细梁102-4、连接梁102-5、第三锚区102-1组成。三根细梁的左端连接在第二锚区102-1上，右端连接在连接梁102-5上。三根细梁从上到下平行排列，自上而下依次为第一水平细梁102-2、第二水平细梁102-3和第三水平细梁102-4。其中，第一水平细梁102-2和第三水平细梁102-4的宽度相等，第二水平细梁102-3宽度小于第一、二水平细梁。第二水平细梁102-3是用于断裂强度测试用的梁，第一、三水平细梁是用于抗过冲的缓冲梁。第二水平细梁102-3位于轴线上，第一、三水平细梁以轴线为中心，上下对称放置。

所述热膨胀驱动单元101、带阻尼结构的测微游标103、由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元102之间的连接关系如下：带阻尼结构的测微游标103的动齿103-1左端与热膨胀驱动单元101的竖直宽梁101-5垂直连接，由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元102的连接梁102-5与热膨胀驱动单元101的竖直宽梁101-5叠合连接。热膨胀驱动单元101、带阻尼结构的测微游标103、由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元102的轴线重合。

工作原理：当通过第一锚区101-1、第二锚区101-2对热膨胀驱动单元101施加逐渐增加的电流时，热膨胀驱动单元101的两根水平长梁即第一水平长梁101-3、第二水平长梁101-4因电热效应而发生热膨胀，并带动测微游标103的动齿103-1向右运动，同时，通过叠合连接在热膨胀驱动单元101竖直宽梁101-5上的拉伸梁单元102的连接梁102-5对第一、二、三水平细梁进行拉伸。由于第二水平细梁102-3最细，因此，当到达某一拉伸量时，其首先断裂。因为第一、三水平细梁的宽度较宽，仍然保持与热驱动部分的连接，和测微游标103的阻尼弹簧103-4一起，共同防止了热驱动部分的过冲。读取第二水平细梁102-3断裂时的测微游标值，并根据第二水平细梁102-3的截面尺寸、长度尺寸和杨氏模量可以计算得到待测薄膜材料的应变值和断裂强度。

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)

1.一种薄膜材料断裂强度的测试结构，其特征在于该测试结构由三部分组成：热膨胀驱动单元(101)，由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元(102)，带阻尼结构的测微游标(103)；

所述热膨胀驱动单元(101)为一个多晶硅制作的门型结构，包括第一锚区(101-1)、第二锚区(101-2)、第一水平长梁(101-3)、第二水平长梁(101-4)和竖直宽梁(101-5)；第一水平长梁(101-3)的左端与锚区(101-1)连接，右端垂直连接到竖直宽梁(101-5)的上端；第二水平长梁(101-4)的左端与锚区(101-2)连接，右端垂直连接到竖直宽梁(101-5)的下端；

所述带阻尼结构的测微游标(103)采用和热膨胀驱动单元(101)相同的多晶硅制作，由水平运动的动齿(103-1)、第一定齿(103-2)、第二定齿(103-3)、阻尼弹簧(103-4)和第四锚区(103-5)组成；其中，水平运动的动齿(103-1)上下两边均匀分布若干齿，所有齿的宽度和齿的间距相等；第一定齿(103-2)和第二定齿(103-3)则为固定不动的单边齿结构，第一定齿(103-2)、第二定齿(103-3)的齿宽与动齿(103-1)的齿宽相同，第一定齿(103-2)、第二定齿(103-3)的齿间距比齿的宽度大1△，△是游标尺的分辨率；第一定齿(103-2)位于水平运动的动齿(103-1)之下，齿边向上，第二定齿(103-3)位于水平运动的动齿(103-1)之上，齿边向下；阻尼弹簧(103-4)为一折叠梁结构，测微游标(103)中的动齿(103-1)左边第一齿相对其下部的第一定齿(103-2)左边第一齿偏左1△，动齿(103-1)自左向右的第二齿相对其下部的第一定齿(103-2)自左向右的第二齿偏左2△，以此类推，动齿(103-1)自左向右的第n个齿相对其下部的第一定齿(103-2)自左向右的第n个齿偏左n△；动齿(103-1)的齿相对其上部第二定齿(103-3)的关系延续了下部关系，即当动齿(103-1)和第一定齿(103-2)的最右一个齿的偏差为m△时，动齿(103-1)左边第一齿相对其上部第二定齿(103-3)左边第一齿偏左(m+1)△；阻尼弹簧(103-4)的左端与水平运动的动齿(103-1)相连，右端和第四锚区(103-5)相连；

所述由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元(102)由三根长度相同的细梁即第一细梁(102-2)、第二细梁(102-3)、第三细梁(102-4)与连接梁(102-5)、第三锚区(102-1)组成；所述三根细梁从上到下平行排列，左端连接在第三锚区(102-1)上，右端连接在连接梁(102-5)上；其中，第一水平细梁(102-2)和第三水平细梁(102-4)的宽度相等，第二水平细梁(102-3)宽度小于第一水平细梁(102-2)和第三水平细梁(102-4)；第二水平细梁(102-3)是用于断裂强度测试用的梁，第一水平细梁(102-2)和第三水平细梁(102-4)是用于抗过冲的缓冲梁；第二水平细梁(102-3)中心线位于所述测试结构的中轴线上，第一水平细梁(102-2)和第三水平细梁(102-4)以轴线为中心，上下对称放置；

带阻尼结构的测微游标(103)的动齿(103-1)左端与热膨胀驱动单元(101)的竖直宽梁(101-5)垂直连接，由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元(102)的连接梁(102-5)与热膨胀驱动单元(101)的竖直宽梁(101-5)叠合连接；热膨胀驱动单元(101)、带阻尼结构的测微游标(103)的水平运动的动齿(103-1)、由待测薄膜材料制作的拉伸梁单元(102)的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的薄膜材料断裂强度的测试结构，其特征在于所述的第二水平细梁(102-3)断裂时，第一水平细梁(102-2)和第三水平细梁(102-4)和测微游标(103)的阻尼弹簧(103-4)一起，共同防止了热驱动部分的过冲所导致的拉伸量测不准的问题。