CN105628277A - 一种基于角度变化的mems微梁应力梯度的测试结构和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于角度变化的MEMS微梁应力梯度的测试结构和测量方法，包括衬底、两个锚区、两根被测悬臂梁、四根小悬挂梁和六根细短梁，整个测试结构分为关于纵向中轴线L完全对称的左边结构和右边结构；所述测试结构中的四根悬挂梁、两根被测悬臂梁的末端，以及相连的六根细短梁，围成一矩形环状。当悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，将会带动矩形环变形，成为类似菱形环的形状，通过测量类菱形环的夹角，即可判断出结构层应力梯度的大小。本发明方法与常用光学方法比较，降低了对观测设备的要求，直观、方便。

Description

一种基于角度变化的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，涉及一种基于角度变化的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角度变化的MEMS微梁应力梯度的测试结构和测量方法，利用测试结构的设计，将悬臂梁因应力梯度而产生的弯曲转变为与之相连的矩形环图形结构的形状变化，便于光学仪器的直接观察，降低了对测试设备的要求，测试简单、方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于角度变化的MEMS微梁应力梯度的测试结构，通过显微镜放大和记录测试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基于角度变化的MEMS微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：一种基于角度变化的MEMS微梁应力梯度的测试结构，包括衬底、两个锚区、两根被测悬臂梁、四根小悬挂梁和六根细短梁，整个测试结构分为关于纵向中轴线L完全对称的左边结构和右边结构；

对于纵向中轴线L的左边结构：一根所述被测悬臂梁的一端固定在一个锚区的右侧面，通过锚区的支撑悬置于衬底的上表面上；两根所述小悬挂梁通过两根细短梁垂直并对称的连接在被测悬臂梁末端的两侧，与被测悬臂梁构成一向右侧卧倒的T字形(T字顺时旋转90°)；

纵向中轴线的右边结构与左边结构完全对称，构成一向左侧卧倒的T字形(T字逆时旋转90°)；

所述左边结构和右边结构分别通过两根细短梁将顶部和底部连接在一起；

所述测试结构中的四根悬挂梁、两根被测悬臂梁的末端，以及相连的六根细短梁，围成一矩形环状。

所述细短梁起铰链作用，用于增加矩形环状结构各连接点的柔韧性。所述小悬挂梁具有一定宽度，用于保障矩形环状结构在无应力作用时形状不扭曲、不变形。

测试中，当被测悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，由于六根细短梁具有很好的柔韧性，当矩形环受到来自两侧被测悬臂梁的拉力时，矩形环将变形为类似菱形环的形状，通过测量类菱形环的角度，即可判断出结构层应力梯度的大小。

上述基于角度变化的MEMS微梁应力梯度的测试结构的测试方法，具体步骤如下：

1)分别将释放工序前后的测试结构置于光学显微镜下观察，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图像清晰可见，分别记录结构释放工序前后的测试结构图像；

2)对比释放工序前后的两张图像，分析结构释放后，其中的矩形环是否发生变形:

如果被测悬臂梁结构不存在应力梯度，那么结构层释放后(腐蚀掉支撑结构的牺牲层，使结构图形悬空)，被测悬臂梁保持原状，矩形图形不会发生变化；

如果被测悬臂梁结构存在应力梯度，那么在加工中，当被测梁释放后，两被测悬臂梁会向上翘起或向下弯曲，那么，矩形环结构中与悬臂梁相连的两侧边将受到来自两悬臂梁的拉力；由于六根细短梁的柔韧性良好，因此矩形环结构受到两侧被测悬臂梁因弯曲引起的拉力作用后，四根悬挂梁会发生倾斜，原矩形环的四个直角将变得大于90°，矩形环变为类菱形环状；

3)对于类菱形环图像，测量夹角大小并与矩形环做比较，可以获知被测悬臂梁因弯曲而在水平方向上投影长度的缩短量，进而推算并获取被测梁的弯曲情况，判断出结构层应力梯度的大小。

有益效果：本发明利用六根细短梁将四个小悬挂梁和两根被测悬臂梁的末端相连，形成一个矩形环。当被测悬臂梁在结构释放后因应力梯度而发生弯曲时，将会带动矩形环变形为类似于菱形环的形状，借助于显微镜放大图形并记录变化前后的图形，测量菱形环的各夹角即可监测悬臂梁的弯曲情况，方法可靠易行，为应力梯度的测试提供了一种简单、方便、准确的新方法。

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，一种基于角度变化的MEMS微梁应力梯度的测试结构，包括衬底1、两个锚区21和22、两根被测悬臂梁31和32、四根小悬挂梁411，412，413，414以及六根细短梁421，422，423，424，425，426，整个测试结构分为关于纵向中轴线L完全对称的左边结构和右边结构。

对于纵向中轴线L的左边结构，一根悬臂梁31固定在锚区21的右侧面，通过锚区21的支撑悬置于衬底1上表面上；两根小悬挂梁411和412分别通过两根细短梁421和422垂直并对称的连接在被测悬臂梁31末端的两侧，与被测悬臂梁31构成一右侧卧倒的T字形；

纵向中轴线L的右边结构与左边的完全对称，构成的是一左侧卧倒的T字形；

左、右两部分相对横卧的T字形结构通过连接在顶端和底端的两根细短梁425和426连接在一起，使四个悬挂梁411、412、413、414，两根被测悬臂梁31，32的末端，以及六根细短梁421、422、423、424、425、426，围成矩形环状。设计中，六根细短梁用于增加矩形环状结构各连接点的柔韧性；四根小悬挂梁具有一定宽度，用于保障矩形环状结构在无应力作用时，形状不扭曲、不变形。

测试中，当被测悬臂梁因应力梯度的存在而产生向上或向下的弯曲时，由于六根细短梁421、422、423、424、425、426的存在，使矩形环的柔韧性良好。当矩形环受到来自左右两侧悬臂梁31和32的拉力时，矩形环会变形为类似菱形环的形状，通过测量类菱形环的夹角，即可获知悬臂梁因应力释放而发生弯曲的信息，进而判断出结构层应力梯度的大小。

上述基于角度变化的MEMS微梁应力梯度的测试结构，其测试应力梯度的具体步骤如下：

1)分别将释放工序前后的测试结构置于光学显微镜下观察，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图像清晰可见，分别记录结构释放工序前后的测试结构图像。

2)对比释放工序前后的两张图像，分析结构释放后，其中的矩形环是否发生变形:

如果被测悬臂梁结构31和32不存在应力梯度，那么结构层释放后(腐蚀掉支撑结构的牺牲层，使结构图形悬空)，被测悬臂梁保持原状，矩形图形不会发生变化。

如果被测悬臂梁结构31和32存在应力梯度，那么在加工中，当被测梁释放后，两被测悬臂梁会向上翘起或向下弯曲，那么，矩形环结构中与悬臂梁相连的两侧边将受到来自两悬臂梁的拉力。由于六根细短梁421、422、423、424、425、426的柔韧性良好。因此，矩形环结构受到两侧被测悬臂梁因弯曲引起的拉力作用后，四根悬挂梁会发生倾斜，原矩形环的四个直角将变得大于90°，矩形环变为类菱形环状。

3)对于类菱形环图像，测量夹角大小并与矩形环做比较，可以获知被测悬臂梁因弯曲而在水平方向上投影长度的缩短量，进而推算并获取被测梁的弯曲情况，判断出结构层应力梯度的大小。

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)

1.一种基于角度变化的MEMS微梁应力梯度的测试结构，其特征在于：包括衬底、两个锚区、两根被测悬臂梁、四根小悬挂梁和六根细短梁，整个测试结构分为关于纵向中轴线L完全对称的左边结构和右边结构；

对于纵向中轴线L的左边结构：一根所述被测悬臂梁的一端固定在一个锚区的右侧面，通过锚区的支撑悬置于衬底的上表面上；两根所述小悬挂梁通过两根细短梁垂直并对称的连接在被测悬臂梁末端的两侧，与被测悬臂梁构成一向右侧卧倒的T字形；

纵向中轴线的右边结构与左边结构完全对称，构成一向左侧卧倒的T字形；

所述左边结构和右边结构分别通过两根细短梁将顶部和底部连接在一起；

所述测试结构中的四根悬挂梁、两根被测悬臂梁的末端，以及相连的六根细短梁，围成一矩形环状。

2.根据权利要求1所述基于角度变化的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）分别将释放工序前后的测试结构置于光学显微镜下观察，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图像清晰可见，分别记录结构释放工序前后的测试结构图像；

2）对比释放工序前后的两张图像，分析结构释放后，其中的矩形环是否发生变形:

如果被测悬臂梁结构不存在应力梯度，那么结构层释放后，被测悬臂梁保持原状，矩形图形不会发生变化；

如果被测悬臂梁结构存在应力梯度，那么在加工中，当被测梁释放后，两被测悬臂梁会向上翘起或向下弯曲，那么，矩形环结构中与悬臂梁相连的两侧边将受到来自两悬臂梁的拉力；由于六根细短梁的柔韧性良好，因此矩形环结构受到两侧被测悬臂梁因弯曲引起的拉力作用后，四根悬挂梁会发生倾斜，原矩形环的四个直角将变得大于90°，矩形环变为类菱形环状；

3）对于类菱形环图像，测量夹角大小并与矩形环做比较，可以获知被测悬臂梁因弯曲而在水平方向上投影长度的缩短量，进而推算并获取被测梁的弯曲情况，判断出结构层应力梯度的大小。