CN105547542B - 一种带有检测孔的mems微梁应力梯度的测试结构和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带有检测孔的MEMS微梁应力梯度的测试结构和测量方法，包括衬底、两个长锚区、六根带有检测孔的被测悬臂梁。所述两个长锚区固定在衬底的上表面上；所述被测悬臂梁的一端固定在长锚区的一个侧面，另一端刻蚀着一个方形通孔作为检测孔，检测孔的侧壁垂直于表面；所述六根带有检测孔的悬臂梁每三根一组，相互平行的固定在一个长锚区上；所述两组悬臂梁的悬置端两两相对，完全对称的相向放置。当悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，检测孔的侧壁会随之发生倾斜，根据观察到前侧壁或后侧壁在水平面上的投影面积，即可判断被测悬臂梁的弯曲情况。本测试方法降低了对观测设备的要求，直观、方便。

Description

一种带有检测孔的MEMS微梁应力梯度的测试结构和测量方法

技术领域

本发明涉及微机电系统(文中简称MEMS)中，通过MEMS微机械加工技术制造的MEMS悬臂结构中应力梯度测试的技术领域。具体来说，涉及一种带有检测孔的MEMS微梁应力梯度的测试结构和测量方法。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)结构中的应力主要来源于热应力、内应力和外应力。各薄膜层因热膨胀系数的差异导致应力的产生为热应力；晶格失配、杂质原子、晶界弛豫……等微观结构的变化所产生的应力为内应力(也称本征应力)；当材料表面不是很致密，环境中一些极性分子会吸附在空隙上，吸附的极性分子之间的互作用产生的应力为外应力。因此，在MEMS工艺过程中，不可避免地会产生残余应力，当沿材料厚度方向应力分布非均匀即存在应力梯度时，悬臂梁结构或双端固定的固支梁结构，在结构被释放后(腐蚀掉梁下层的支撑牺牲层，使梁悬置)，会出现离面弯曲或屈曲，直接影响着器件的性能。因此，重视MEMS结构中应力梯度的测试和分析并反馈之设计中，以保证设计和制造的MEMS器件具备良好的性能指标，是非常必要的。关于应力梯度的测试，最常见的方法是借助于精密的光学设备，利用光学干涉技术而获知梁因应力梯度造成的弯曲变形。但是，通过测试结构的专门设计，往往可以降低对测试设备的要求，且便于直接从测量信号中读取材料特性的参数。

本发明提出一种带有检测孔的MEMS微悬臂梁应力梯度的测试结构和测量方法，通过在被测悬臂梁末端附近设计一检测孔，完成对悬臂梁弯曲情况的检测。本测试方法只需借助一般光学显微镜来观测，与常用光学干涉方法相比，降低了对观测设备的要求，且观测方法直观、方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有检测孔的MEMS微悬臂梁应力梯度的测试结构，通过显微镜放大并记录结构释放前后的图形变化，即可获取应力梯度的具体信息。同时本发明还提供了带有检测孔的MEMS微悬臂梁应力梯度的具体测试方法，操作方便可行。

本发明采用的技术方案为：一种带有检测孔的MEMS微悬臂梁应力梯度的测试结构，包括衬底、两个长锚区和六根被测悬臂梁；

所述两个长锚区为左侧长锚区和右侧长锚区，分别固定在衬底的上表面上；

所述六根被测悬臂梁每三根一组，分为两组，每组中的被测悬臂梁平行等距设置，两组被测悬臂梁分别通过各自的锚区平行并悬置在衬底的上方；

第一组被测悬臂梁的一端固定在左侧长锚区的右侧面，另一端刻蚀有检测孔；第二组被测悬臂梁的一端固定在右侧长锚区的左侧面，另一端刻蚀有检测孔；所述检测孔为方形通孔，检测孔的侧壁垂直于表面；

所述两组被测悬臂梁的悬置端相互对应，完全对称的相向放置。

测试中，当悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，检测孔的前后左右四面侧壁会随之发生倾斜，根据观察到前壁或后壁在水平面上的投影宽度，即可判断被测悬臂梁的弯曲情况；根据观察到的是前壁还是后壁，可以判断悬臂梁是向上还是向下弯曲。同时，左右对应的两根悬臂梁发生弯曲时，两顶端间的距离会变大，测量距离的变化也可判断两根悬臂梁的弯曲程度，获取应力梯度信息，与检测孔测量数据相互印证，使测量结果更加准确可靠。本测试方法与常用光学干涉方法相比，降低了对观测设备的要求，直观、方便。

上述带有检测孔的MEMS微悬臂梁应力梯度的测试结构，其测试应力梯度的具体原理和步骤如下：

1)将释放工序前后的测试结构分别置于光学显微镜下进行观察，放大倍数根据被测结构的尺寸而定，调节显微镜的焦距直至测试结构的图像清晰可见，分别记录测试结构释放工序前后的俯视图像；

2)对比释放工序前后的两张俯视图像，若释放后俯视图像中的检测孔在水平面上的投影图形无变化，表明被测悬臂梁不存在应力，否则有应力存在；

3)对于释放后检测孔在水平面上的投影图形发生变化的情况，仔细观察检测孔的投影图形；若检测孔的前壁在水平面上的投影为一条直线，而后壁在水平面上的投影为矩形，表明被测悬臂梁因存在应力梯度而产生向上弯曲的现象；反之，若检测孔的前壁在水平面上的投影为矩形，而后壁在水平面上的投影为一条直线，那么被测悬臂梁因存在应力梯度而产生向下弯曲的现象；

4)测量检测孔前壁或后壁在水平面上的投影面积，通过投影面积的大小可获知检测孔的倾斜角度，进而推知被测悬臂梁的弯曲程度，获知应力梯度带来的影响；

5)观测释放前后被测悬臂梁两末端边缘之间的距离变化，通过测量距离变化量推知两被测悬臂梁的弯曲程度；

6)综合4)和5)的测试结果，相互印证，合理调节，给出更加可靠的测试结果。

有益效果：本发明通过在被测悬臂梁末端附近设计一检测孔，实现对悬臂梁弯曲情况的检测，进而获取被测悬臂梁应力梯度的信息。同时，设计中还可通过两根对应悬臂梁之间的间距变化来确定应力梯度的大小。各方信息相互印证使测试结果更加可靠和精确。本测试方法只需借助一般光学显微镜来观测，与常用光学干涉方法相比，降低了对观测设备的要求，且观测方法直观、方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种带有检测孔的MEMS微悬臂梁应力梯度的测试结构，包括衬底1、两个长锚区21和22以及六根带有检测孔的被测悬臂梁；

所述两个长锚区21和22分别固定在衬底1的上表面上；

所述被测悬臂梁的一端固定在长锚区的一个侧面，另一端靠近末端处刻蚀着一个方形通孔作为检测孔，检测孔41或42的侧壁垂直于表面；

所述六根带有检测孔的悬臂梁每三根一组，相互平行的固定在一个长锚区21或22的侧面；所述两组被测悬臂梁31和32的悬置端相互对应，完全对称的相向放置。

测试中，当悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，检测孔的前后左右四面侧壁会随之发生倾斜，根据观察前壁或后壁在水平面上的投影面积，即可判断被测悬臂梁的弯曲情况；根据观察到的是前壁还是后壁，可以判断悬臂梁是向上还是向下弯曲。同时，左右对应的两根悬臂梁发生弯曲时，两梁顶端间的距离会变大，测量距离的变化也可判断两根悬臂梁的弯曲程度，获取应力梯度信息，与检测孔测量数据相互印证，使测量结果更加准确可靠。

上述带有检测孔的MEMS微梁应力梯度的测试结构，其测试应力梯度的具体原理和步骤如下：

1)将释放工序前后的测试结构分别置于光学显微镜下进行观察，放大倍数根据被测结构的尺寸而定，调节显微镜的焦距直至测试结构的图像清晰可见，分别记录测试结构释放工序前后的俯视图像。

2)对比释放工序前后的两张俯视图像，若释放后俯视图像中的检测孔在水平面上的投影图形无变化，表明被测悬臂梁不存在应力，否则有应力存在。

3)对于释放后检测孔在水平面上的投影图形发生变化的情况，仔细观察检测孔的投影图形。若检测孔的前壁411和421在水平面上的投影为一条直线，而后壁412和422在水平面上的投影为矩形，表明被测悬臂梁因存在应力梯度而产生向上弯曲的现象；反之，若释放孔的前壁411和421在水平面上的投影矩形，而后壁412和422在水平面上的投影为一条直线，那么被测悬臂梁因存在应力梯度而产生向下弯曲的现象。

4)测量检测孔前壁或后壁在水平面上的投影面积，通过投影面积的大小可获知检测孔的倾斜角度，进而推知被测悬臂梁的弯曲程度，获知应力梯度带来的影响。

5)观测释放前后被测悬臂梁31和32两末端边缘之间的距离变化，通过测量距离变化量推知两被测悬臂梁31和32的弯曲程度。

6)综合4)和5)的测试结果，相互印证，合理调节，给出更加可靠的测试结果。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种带有检测孔的MEMS微悬臂梁应力梯度的测试结构，其特征在于：包括衬底、两个长锚区和六根被测悬臂梁；

所述两个长锚区为左侧长锚区和右侧长锚区，分别固定在衬底的上表面上；

所述六根被测悬臂梁每三根一组，分为两组，每组中的被测悬臂梁平行等距设置，两组被测悬臂梁分别通过各自的锚区平行并悬置在衬底的上方；

第一组被测悬臂梁的一端固定在左侧长锚区的右侧面，另一端刻蚀有检测孔；第二组被测悬臂梁的一端固定在右侧长锚区的左侧面，另一端刻蚀有检测孔；所述检测孔为方形通孔，检测孔的前后左右四面侧壁均垂直于表面；

所述两组被测悬臂梁的悬置端相互对应，完全对称的相向放置。

2.根据权利要求1所述一种带有检测孔的MEMS微悬臂梁应力梯度的测试结构的测试方法，其特征在于：具体步骤如下：

1)将释放工序前后的测试结构分别置于光学显微镜下进行观察，放大倍数根据测试结构的尺寸而定，调节显微镜的焦距直至测试结构的图像清晰可见，分别记录测试结构释放工序前后的俯视图像；

2)对比释放工序前后的两张俯视图像，若释放后俯视图像中的检测孔在水平面上的投影图形无变化，表明被测悬臂梁不存在应力，否则有应力存在；

3)对于释放后检测孔在水平面上的投影图形发生变化的情况，仔细观察检测孔的投影图形；若检测孔的前壁在水平面上的投影为一条直线，而后壁在水平面上的投影为矩形，表明被测悬臂梁因存在应力梯度而产生向上弯曲的现象；反之，若检测孔的前壁在水平面上的投影矩形，而后壁在水平面上的投影为一条直线，那么被测悬臂梁因存在应力梯度而产生向下弯曲的现象；

4)测量检测孔前壁或后壁在水平面上的投影面积，通过投影面积的大小可获知检测孔的倾斜角度，进而推知被测悬臂梁的弯曲程度，获知应力梯度带来的影响；

5)观测释放前后被测悬臂梁两末端边缘之间的距离变化，通过测量距离变化量推知两被测悬臂梁的弯曲程度；

6)综合4)和5)的测试结果，相互印证，合理调节，给出更加可靠的测试结果。