CN105606283A - 一种基于多梁比对结构的mems微梁应力梯度的测试结构和测量方法 - Google Patents

一种基于多梁比对结构的mems微梁应力梯度的测试结构和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于多梁比对结构的MEMS微梁应力梯度的测试结构和测量方法，包括衬底、三条矩形锚区、八根被测悬臂梁和四根固定在衬底上的参考梁。所述三条矩形锚区从左至右相互平行的依次排列，并固定在衬底的上表面上；所述长度相同的八根被测悬臂梁和四根参考梁被分为完全相同的四组，每组由相互平行的两根被测悬臂梁和一根参考梁组成，整个结构关于中心纵横轴完全对称。当悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，通过显微观测和比对各被测梁两两间的间距变化，即可确定被测悬臂梁的弯曲程度，获取应力梯度信息。多组梁的多种比对，使测量结果更加准确可靠。本测试方法降低了对观测设备的要求，直观、方便。

Description

一种基于多梁比对结构的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，涉及一种基于多梁比对结构的MEMS微梁应力梯度的测试结构和测量方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)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。
本发明提出一种基于多梁比对结构的MEMS微梁应力梯度的测试结构和测量方法，通过显微观测和比对各被测梁两两间的间距变化，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基于多梁比对结构的MEMS微梁应力梯度的测试结构，通过显微观测和多方比对释放前后各被测梁两两间的间距变化，获取应力梯度的具体信息。同时本发明还提供了基于多梁比对结构的MEMS微梁应力梯度的具体测试方法，操作方便，结果可靠。
本发明采用的技术方案为：一种基于多梁比对结构的MEMS微梁应力梯度的测试结构,包括衬底、三条矩形锚区、八根被测悬臂梁和四根参考梁；
所述三条矩形锚区从左至右相互平行的依次排列，形成最左边矩形锚区、最右边矩形锚区、中间矩形锚区，并固定在衬底的上表面上；
所述八根被测悬臂梁和四根参考梁的长度和形状相同，被分为完全相同的四组梁，每组梁由平行放置的两根被测悬臂梁和一根参考梁组成，参考梁位于两根被测悬臂梁的正中间，并且参考梁固定连接在衬底表面上；
所述四组梁的第一组梁固定在最左边矩形锚区的右侧面上，第二组梁和第三组梁分别固定在中间矩形锚区的左、右两侧面上，第四组梁固定在最右边矩形锚区的左侧面上；
所述整个测试结构关于中心纵横轴完全对称。
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，通过显微观测各被测梁两两间的间距变化和比对参考梁，即可确定被测悬臂梁的弯曲程度，获取应力梯度信息。多组梁的多种比对，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。
上述基于多梁比对结构的MEMS微梁应力梯度的测试结构，其测量应力梯度的具体步骤如下：
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，放大倍数根据被测结构的尺寸而定，调节显微镜的焦距直至被测结构的图像清晰可见，分别记录被测结构释放工序前后的俯视图像；
2)观测和分析显微图像，将各被测梁与相邻的参考梁进行比对，测量释放前后两者的长度是否相同；相同表明无应力梯度存在，反之存在应力梯度，测量并记录两者的差；
3)观测和分析显微图像，比对两组梁中对应梁之间的间距变化，分别测量四对梁末端之间的间距，与相邻的参考梁末端之间的间距比对，无差异表明不存在应力梯度，反之有应力梯度存在，测量并记录差异；
4)综合2)和3)的测试结果，相互印证，合理取值，获取更加可靠的测试结果。
有益效果：本发明通过显微观测各被测梁释放前后两两间的间距变化来确定应力梯度，与常用光学干涉方法相比，降低了对观测设备的要求；设计了多组被测梁和参考梁，通过比对组内和组间各梁之间的间距变化，获取各方信息，相互印证使测试结果更加可靠和精确。
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，一种基于多梁比对结构的MEMS微梁应力梯度的测试结构，衬底1、三条矩形锚区201，202，203、八根被测悬臂梁401-1，401-2；402-1，402-2；403-1，403-2；404-1，404-2和四根固定在衬底上的参考梁301；302-1，302-2；303。
所述三条矩形锚区201，202，203从左至右相互平行的依次排列，并固定在衬底1的上表面上；所述长度相同的八根被测悬臂梁和四根参考梁被分为完全相同的四组(401-1，301，401-2)、(402-1，302-1，402-2)、(402-3，302-2，402-4)、(403-1，303，403-2)，每组由相互平行的两根被测悬臂梁和一根参考梁组成，参考梁位于两被测悬臂梁的正中间；所述四组梁分别固定在矩形锚区的一个侧面上，其中第一组梁(401-1，301，401-2)固定在最左边矩形锚区201的右侧面上，第二组梁(402-1，302-1，402-2)和第三组梁(402-3，302-2，402-4)分别固定在中间矩形锚区202的左右两个侧面上，第四组梁(403-1，303，403-2)固定在最右边矩形锚区203的左侧面上；所述整个结构关于中心纵横轴完全对称。
当悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，通过显微观测和比对各被测梁两两间的间距变化，即可确定被测悬臂梁的弯曲程度，获取应力梯度信息。多组梁的多种比对，使测量结果更加准确可靠。
上述基于多梁比对结构的MEMS微梁应力梯度的测试结构，其测量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被测结构的图像清晰可见，分别记录被测结构释放工序前后的俯视图像。
2)观测和分析显微图像，将各被测梁4与相邻的参考梁3进行比对，测量释放前后两者的长度是否相同。相同表明无应力梯度存在，反之存在应力梯度，测量并记录两者的差。
3)观测和分析显微图像，比对两组梁中对应梁之间的间距变化，如401-1和402-1，401-2和402-2，403-1和402-3，403-2和402-4四对梁，分别测量四对梁末端之间的间距，与相邻的参考梁对(301和302-1)、(303和302-2)末端之间的间距比对，无差异表明不存在应力梯度，反之有应力梯度存在，测量并记录差异。
4)综合2)和3)的测试结果，相互印证，合理取值，获取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)

1.一种基于多梁比对结构的MEMS微梁应力梯度的测试结构,其特征在于：包括衬底、三条矩形锚区、八根被测悬臂梁和四根参考梁；
所述三条矩形锚区从左至右相互平行的依次排列，形成最左边矩形锚区、最右边矩形锚区、中间矩形锚区，并固定在衬底的上表面上；
所述八根被测悬臂梁和四根参考梁的长度和形状相同，被分为完全相同的四组梁，每组梁由平行放置的两根被测悬臂梁和一根参考梁组成，参考梁位于两根被测悬臂梁的正中间，并且参考梁固定连接在衬底表面上；
所述四组梁的第一组梁固定在最左边矩形锚区的右侧面上，第二组梁和第三组梁分别固定在中间矩形锚区的左、右两侧面上，第四组梁固定在最右边矩形锚区的左侧面上；
所述整个测试结构关于中心纵横轴完全对称。
2.根据权利要求1所述一种基于多梁比对结构的MEMS微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，放大倍数根据被测结构的尺寸而定，调节显微镜的焦距直至被测结构的图像清晰可见，分别记录被测结构释放工序前后的俯视图像；
2）观测和分析显微图像，将各被测梁与相邻的参考梁进行比对，测量释放前后两者的长度是否相同；相同表明无应力梯度存在，反之存在应力梯度，测量并记录两者的差；
3）观测和分析显微图像，比对两组梁中对应梁之间的间距变化，分别测量四对梁末端之间的间距，与相邻的参考梁末端之间的间距比对，无差异表明不存在应力梯度，反之有应力梯度存在，测量并记录差异；
4）综合2）和3）的测试结果，相互印证，合理取值，获取更加可靠的测试结果。
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