CN106370330A - 一种基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值方法。该试验机实现了即时的微结构冲击强度测试，利用热驱执行器实现自加载和卸载，排除人为偶然因素，极大地提高了测试准确度，同时利用热驱执行器和V型放大杠杆可以获得大冲击和大冲击脉宽。同时基于该新型试验机提出的测试方法通过同次光刻同次刻蚀释放保证片上试验机的被测样品和实际工作的功能器件具有一致的冲击强度，排除了工艺误差带来的干扰。该方法针对不同尺寸的测试样品，通过调整试验机中冲击质量块以及柔性长梁尺寸保证试验机能够产生高强度的冲击载荷。该方法在获取冲击断裂加速度时，通过记录实际断裂加载挠度，利用商业ansys软件建立力学模型，随后将容易记录的加载位移代入力学模型来获取难以测量的冲击加速度和产生的应力峰值。

Description

一种基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰 撞应力波脉宽和峰值方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺领域，通过测量微结构冲击碰撞时产生的电流峰值和脉宽检测碰撞时产生应力波的峰值和脉冲大小，进而反映微结构动态冲击强度大小。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)是微电子技术发展和应用的一个重要方向。如今，微电子机械系统的各类传感器已经广泛应用在民用军用的方方面面，诸如压力计，加速度计和陀螺等都在消费电子和高精端应用中成为了不可缺少的部件。由于传感器应用环境的特点，MEMS传感器在实际应用中经常会遇到冲击碰撞，故其结构的动态冲击强度则成为一个十分重要的可靠性参数。然后由于MEMS传感器的尺寸往往在微米至毫米量级，其冲击破坏过程完成的时间则在纳秒左右量级，这使得像宏观大器件一样观察和检测冲击所产生应力波在MEMS传感器中传播和衰减变得十分困难。无法确定应力波的传播情况，不能定量确定冲击应力波峰值和作用时间，那么就不能准确获得器件的动态冲击强度。这使得MEMS传感器无法定量确定自身可靠性，从而极大地阻碍了MEMS传感器在民用、军用等各个领域的应用和推广。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值的方法，进而用以反映微结构动态冲击强度。通过电路开路和闭路来反映微结构冲击碰撞过程中的物理接触和分离，同时通过在检测样品上设计压阻区域实现压电信号的转换。

本发明设计的利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值的方法，包括下述步骤：

1)选择标准SOG(silicon on glass)体硅工艺和标准压阻工艺流程制作片上试验机、测试样品、测试样品压阻区域和功能器件，注意片上试验机、测试样品应和功能器件在同一微单元内；

2)将电源和电流测试仪器与片上冲击试验机的可动部件和被测试样品串联形成测试电路，此时测试电路处于开路状态，电流大小为零；

3)利用片上冲击试验机进行冲击试验，加载强度从小到大，直至测试样品被冲击破坏，记录每次冲击试验中产生的电流脉冲图形；

4)测量测试样品冲击破坏前一加载情况下电流脉冲图形的峰值和脉冲宽度，其脉冲宽度则为应力波作用脉宽，同时利用压阻公式，通过电流脉冲峰值计算应力波峰值大小。

上述步骤1)中的标准SOG体硅工艺包括三次光刻，两次等离子刻蚀，两次金属溅射和一次硅玻璃键合，其中功能器件、片上试验机和被测样品结构图形在同一次光刻形成，其结构在同一次刻蚀中释放。

上述步骤1)中的压阻工艺包括一次光刻，一次离子注入，一次热退火。

上述步骤1)中的压阻工艺在标准体硅工艺完成硅玻璃键合后，先于结构层图形定义进行样品压阻区域制作。

上述步骤1)中，制作的片上冲击试验机为能实现片上冲击碰撞试验装置，其一般组成部分为冲击块，储能弹簧及锁扣。

上述步骤2)中，冲击试验机可动部分和被测试样品与电源及电流测试仪器的链接可以通过压焊连接实现。

本发明提出了一种通过测量电流用以反映微结构冲击碰撞下所产生应力波脉宽和峰值的方法，采用MEMS体硅和压阻工艺制作片上冲击试验机和压阻区域，利用电流检测仪器实现电信号读取。该方法利用压阻工艺和体硅工艺混合实现在微结构上直接制作压阻敏感区域，从而实现应力电信号的转换。同时利用片上试验机的制作实现片上冲击加载，获取在线和即时的应力波产生。

与现有技术相比，本发明提出的检测方法具有以下优势：

1.依托片上试验机，能够实现在线测量，无需在芯片进行封装之后进行测试，效率更快；

2.有效实现应力波在微结构上传播时的检测，传统测试应力波脉宽峰值需要应用应力应变膜，难以应用在小尺寸微结构上；

3.更加方便和准确，通过示波器等就可以直观地获取电信号，利用简单电路模型和压阻模型就可以简单和方便地计算出应力波脉宽和峰值。

附图说明

图1(a)～图1(f)为具体实施例中利用电流变化检测刻蚀槽深的方法工艺流程示意图，其中：

图1(a)为硅片键合锚点定义示意图；

图1(b)为玻璃片金属互联定义示意图；

图1(c)为对准键合示意图；

图1(d)为KOH腐蚀减薄示意图；

图1(e)为测试样品压阻区域制作示意图

图1(f)为最终可动结构释放示意图；

具体有1-硅片，2-玻璃片上金属，3-玻璃片，4-样品压阻区域，5-整体可动结构。

图2检测系统连接示意图。

具体有1-片上冲击强度测试试验机，2-测试样品，3-直流电源，4-电流表，5-保护电阻，。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做详细的说明。

实施例1：

以下将参考附图，根据具体实施方式来说明本发明，熟悉本领域的技术人员可由以下实施例中所揭示的内容轻易地了解本发明的构造、优点与功效。具体说明如下：

1、利用MEMS标准体硅和压阻混合工艺，制作片上冲击试验机，测试微结构样品，测试样品压阻区域及实际功能器件，如图1所示。

本实例中测试样品中冲击碰撞应力波的产生依托片上试验机的冲击试验，使用片上试验机具有在线测试，快速等优点。

2、搭建电流测试回路，将示波器，测试样品和片上试验机冲击质量块搭建成电路，如图2所示。

3、利用片上冲击试验机进行碰撞加载，在测试样品上实现冲击应力波传播，记录下测试样品发生冲击断裂时所测试到的电流波形。

4、利用电流回路和压阻模型，将电流脉宽和峰值转换为应力波脉宽和峰值。

Claims (6)

1.一种基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值的方法，包括下述步骤：

1)选择标准SOG(silicon on glass)体硅工艺和标准压阻工艺流程制作片上试验机、测试样品、测试样品压阻区域和功能器件，注意片上试验机、测试样品应和功能器件在同一微单元内；

2)将电源和电流测试仪器与片上冲击试验机的可动部件和被测试样品串联形成测试电路，此时测试电路处于开路状态，电流大小为零；

3)利用片上冲击试验机进行冲击试验，加载强度从小到大，直至测试样品被冲击破坏，记录每次冲击试验中产生的电流脉冲图形；

4)测量测试样品冲击破坏前一加载情况下电流脉冲图形的峰值和脉冲宽度，其脉冲宽度则为应力波作用脉宽，同时利用压阻公式，通过电流脉冲峰值计算应力波峰值大小。

2.如权利要求1所述的基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值的方法，其特征在于步骤1)中，标准SOG体硅工艺包括三次光刻，两次等离子刻蚀，两次金属溅射和一次硅玻璃键合，其中功能器件、片上试验机和被测样品结构图形在同一次光刻形成，其结构在同一次刻蚀中释放。

3.如权利要求1所述的基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值的方法，其特征在于，步骤1)中，压阻工艺包括一次光刻，一次离子注入，一次热退火。

4.如权利要求1所述的基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值的方法，其特征在于，步骤1)中，压阻工艺在标准体硅工艺完成硅玻璃键合后，先于结构层图形定义进行样品压阻区域制作。

5.如权利要求1所述的基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值的方法，其特征在于，步骤1)中，制作的片上冲击试验机为能实现片上冲击碰撞试验装置，其一般组成部分为冲击块，储能弹簧及锁扣。

6.如权利要求1所述的基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值的方法，其特征在于，步骤4)中，利用电流回路和压阻模型，将电流脉宽和峰值转换为应力波脉宽和峰值。