CN112881459A - 薄膜材料热膨胀系数的测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜材料热膨胀系数的测试装置，包括热膨胀系数测试结构、加热结构和射频测试仪器。其中，热膨胀系数测试结构包括衬底、射频传输线和热膨胀系数测试MEMS结构，射频传输线包括第一信号线段和第二信号线段；热膨胀系数测试MEMS结构包括待测薄膜组件、梁结构和位移测量结构，待测薄膜组件设置在所述衬底上且与第一信号线段相连，梁结构与待测薄膜组件相连；位移测量结构与第二信号线段相连，且间隔开地位于梁结构的下方；射频测试仪器用于测试热膨胀系数测试MEMS结构的射频隔离度，以最终获得待测薄膜热膨胀系数。本发明可以测得不同材料、连续温度点的、小面积的薄膜的热膨胀系数，通用性好。

Description

薄膜材料热膨胀系数的测试装置
技术领域
本发明涉及薄膜材料热膨胀系数测量技术领域，尤其是涉及一种薄膜材料热膨胀系数的测试装置。
背景技术
薄膜结构是MEMS器件中常见的组成部分。一方面，利用薄膜材料的热膨胀可以设计制作基于热驱动的致动器；另一方面，由薄膜材料热膨胀带来的热应力可能会导致器件工作点漂移、性能恶化，甚至可能导致器件失效等不可逆的破坏。现有的一些技术资料中给出的材料热膨胀系数多为基于块体材料测得的结果，薄膜材料由于生长过程中的多种影响因素，与块体材料性能相比会有些偏差。
前人已经对薄膜材料的热膨胀系数进行了一些研究，提出了一些测试方案，但大多数测试针对整个圆片大小的薄膜材料，且多采用光学方式进行测量，给出整个圆片内材料的均值，不能很好的表征小范围内材料的热膨胀性质；还有一些研究人员利用MEMS结构对特定的薄膜材料进行热膨胀系数表征，但不具有通用性。因此，提出一种通用的薄膜材料热膨胀系数测试装置有着非常现实的意义。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种薄膜材料热膨胀系数的测试装置，可以测得不同材料、连续温度点的、小面积的薄膜的热膨胀系数，通用性好。
根据本发明实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，包括：
热膨胀系数测试结构，所述热膨胀系数测试结构包括衬底、射频传输线和热膨胀系数测试MEMS结构，所述射频传输线设置在所述衬底的上表面上且包括第一信号线段和第二信号线段，所述第一信号线段和所述第二信号线段间隔开地布置；所述热膨胀系数测试MEMS结构包括待测薄膜组件、具有纵向位移放大功能的梁结构和用于射频测试的位移测量结构，其中，所述待测薄膜组件设置在所述衬底的上表面上且与所述第一信号线段相连，所述梁结构与所述待测薄膜组件相连；所述位移测量结构与所述第二信号线段相连，且间隔开地位于所述梁结构的下方；
加热结构，所述加热结构用于对所述热膨胀系数测试结构进行加热；
射频测试仪器，所述射频测试仪器用于与所述射频传输线相连，以测试所述热膨胀系数测试MEMS结构的射频隔离度，通过所述射频隔离度反推所述待测薄膜组件中的待测薄膜热膨胀系数。
根据本发明实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，其工作原理为：利用加热结构对热膨胀系数测试结构进行加热，热膨胀系数测试结构受热后温度上升，待测薄膜组件的温度上升变化后由于热膨胀系数失配，会产生中间厚边缘薄的形状变化，进而梁结构与位移测量结构之间在上下方向上的间距会发生明显变化，即待测薄膜组件的形状变化经过梁结构将纵向位移(即上下方向位移)放大，导致位移测量结构的寄生电容发生变化，该寄生电容变化最终经射频测试仪器反映到热膨胀系数测试MEMS结构的射频隔离度变化，通过对射频隔离度的测量，即可反推出待测薄膜组件中的待测薄膜的热膨胀系数。
根据本发明实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，具有如下的优点：第一、该测试装置不针对特定待测薄膜材料，可以对不同的待测薄膜材料例如金属薄膜、非金属薄膜进行表征，具有较好的通用性；第二、该测试装置可以测得整个温度变化范围内的热膨胀系数情况，而非单温度点值；第三、该测试装置可以对较小面积的待测薄膜进行测试，因此可以得到面内的分布情况，而非整面的均值；第四、该测试装置利用射频特性对纵向位移量进行表征，相比于低频的电容电阻测量更加精确。
根据本发明的一个实施例，所述待测薄膜为金属薄膜时，所述待测组件仅由所述待测薄膜构成，所述待测薄膜直接堆叠设置在所述衬底的上表面上，所述梁结构与所述待测薄膜相连；所述待测薄膜为非金属薄膜时，所述待测薄膜组件由所述待测薄膜和已知热膨胀系数的金属功能层构成，所述待测薄膜和所述金属功能层堆叠设置在所述衬底的上表面上且所述金属功能层位于所述待测薄膜的下方或上方，所述梁结构与所述金属功能层相连。
根据本发明的一个实施例，所述梁结构为单端固支梁，其中，所述梁结构为单端固支梁时，所述梁结构的一端与所述待测薄膜组件相连，所述梁结构的另一端间隔开地位于所述位移测量结构的上方。
根据本发明的一个实施例，所述位移测量结构为金属-空气-金属电容结构。
根据本发明进一步的实施例，所述位移测量结构为串联电容结构、并联电容结构或由多个电容组成的电容网络结构。
根据本发明的一个实施例，所述热膨胀系数测试结构采用探针台方式或测试板方式进行射频性能测试。
根据本发明的一个实施例，所述梁结构采用导电金属制成。
根据本发明的一些实施例，所述射频传输线为共面波导传输线或微带线。
根据本发明的一些实施例，所述加热结构具有温控及测温功能。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明一个实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置的结构示意图。
图2为本发明一个实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置的一个局部放大示意图。
图3为本发明一个实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置中待测薄膜组件及梁结构在加热前的一个状态示意图。
图4为本发明一个实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置中待测薄膜组件及梁结构在加热后的一个状态示意图。
图5为本发明另一个实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置中待测薄膜组件及梁结构的结构示意图。
附图标记：
测试装置1000
热膨胀系数测试结构1
衬底101
射频传输线102第一信号线段1021第二信号线段1022
热膨胀系数测试MEMS结构103
待测薄膜组件1031待测薄膜10311梁结构1032孔洞10321
位移测量结构1033
加热结构2
射频测试仪器3
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1至图5来描述本发明实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置1000。
如图1至图5所示，根据本发明实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置1000，包括热膨胀系数测试结构1、加热结构2和射频测试仪器3。其中，热膨胀系数测试结构1包括衬底101、射频传输线102和热膨胀系数测试MEMS结构103，射频传输线102设置在衬底101的上表面上且包括第一信号线段1021和第二信号线段1022，第一信号线段1021和第二信号线段1022间隔开地布置；热膨胀系数测试MEMS结构103包括待测薄膜组件1031、具有纵向位移放大功能的梁结构1032和用于射频测试的位移测量结构1033构成，其中，待测薄膜组件1031设置在衬底101的上表面上且与第一信号线段1021相连，梁结构1032与待测薄膜组件1031相连；位移测量结构1033与第二信号线段1022相连，且间隔开地位于梁结构1032的下方；加热结构2用于对热膨胀系数测试结构1进行加热；射频测试仪器3用于与射频传输线102相连，以测试热膨胀系数测试MEMS结构103的射频隔离度，通过射频隔离度反推待测薄膜组件1031中的待测薄膜10311热膨胀系数。
根据本发明实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置1000，其工作原理为：利用加热结构2对热膨胀系数测试结构1进行加热，热膨胀系数测试结构1受热后温度上升，待测薄膜组件1031的温度上升变化后由于热膨胀系数失配，会产生中间厚边缘薄的形状变化，进而梁结构1032与位移测量结构1033之间在上下方向上的间距会发生明显变化(参见图3和图4)，即待测薄膜组件1031的形状变化经过梁结构1032将纵向位移(即上下方向位移)放大，导致位移测量结构1033的寄生电容发生变化，该寄生电容变化最终经射频测试仪器3反映到热膨胀系数测试MEMS结构103的射频隔离度变化，通过对射频隔离度的测量，即可反推出待测薄膜组件1031中的待测薄膜10311的热膨胀系数。
根据本发明实施例的薄膜材料热膨胀系数的测试装置1000，具有如下的优点：第一、该测试装置1000不针对特定待测薄膜10311材料，可以对不同的待测薄膜10311材料例如金属薄膜、非金属薄膜进行表征，具有较好的通用性；第二、该测试装置1000可以测得整个温度变化范围内的热膨胀系数情况，而非单温度点值；第三、该测试装置1000可以对较小面积的待测薄膜10311进行测试，因此可以得到面内的分布情况，而非整面的均值；第四、该测试装置1000利用射频特性对纵向位移量进行表征，相比于低频的电容电阻测量更加精确。
根据本发明的一个实施例，待测薄膜10311为金属薄膜时，待测组件仅由待测薄膜10311构成，待测薄膜10311直接堆叠设置在衬底101的上表面上(如图3和图4所示)，形成双层堆叠薄膜结构，梁结构1032与待测薄膜10311相连，结构简单，可以将待测薄膜组件1031受热发生的形状变化进行纵向放大，进而导致位移测量结构1033的寄生电容发生变化；待测薄膜10311为非金属薄膜时，待测薄膜组件1031由待测薄膜10311和已知热膨胀系数的金属功能层10312构成，待测薄膜10311和金属功能层10312堆叠设置在衬底101的上表面上且金属功能层10312位于待测薄膜10311的上方(如图5所示)或下方，形成三层堆叠薄膜结构，梁结构1032与金属功能层10312相连，结构简单，可以将待测薄膜组件1031受热发生的形状变化进行纵向放大，进而导致位移测量结构1033的寄生电容发生变化。
需要说明的是，衬底101可以采用硅、玻璃或石英材料制成，已知热膨胀系数的金属功能层10312应由导电性能良好的材料制成。
根据本发明的一个实施例，梁结构1032为单端固支梁(如图1、图3和图4所示)，其中，梁结构1032为单端固支梁时，梁结构1032的一端与待测薄膜组件1031相连，梁结构1032的另一端间隔开地位于位移测量结构1033的上方。由此，可以有效地将待测薄膜组件1031的形状变化经过梁结构1032将纵向位移(即上下方向位移)放大，从而导致位移测量结构1033的寄生电容发生变化，有利于射频测试仪器3可以准确地测量出热膨胀系数测试MEMS结构103的射频隔离度变化，从而可以准确地反推出待测层的薄膜材料的热膨胀系数。
需要说明的是，在其它的一些实施例中，梁结构1032也可以是双端固支梁或多端固支梁，可以根据实际需要进行选择。
根据本发明的一个实施例，位移测量结构1033为金属-空气-金属电容结构。可以理解的是，金属-空气-金属电容结构为可动结构，电容值易于变化，易于检测。
根据本发明进一步的实施例，位移测量结构1033为串联电容结构、并联电容结构或由多个电容组成的电容网络结构。可以理解的是，通过串联电容结构、并联电容结构或由多个电容组成的电容网络结构可以将寄生电容的变化效果放大，更利于测试。
根据本发明的一个实施例，热膨胀系数测试结构1采用探针台方式或测试板方式进行射频性能测试。换句话说，热膨胀系数测试结构1可以采用探针台进行测试，也可以将热膨胀测试结构1固定、电连接于测试板上，利用测试板进行测试，热膨胀系数测试结构1不限于某种特定的测试设备，比较灵活
根据本发明的一个实施例，梁结构1032采用的导电金属制成，也就是说，梁结构1032采用导电性能好的金属制成，保证测量结果的准确性。
根据本发明的一个实施例，梁结构1032上带有孔洞10321，可以方便MEMS工艺加工。
根据本发明的一些实施例，射频传输线102可以根据实际情况选择共面波导传输线或微带线等。
根据本发明的一些实施例，加热结构2具有温控及测温功能，可以满足薄膜材料热膨胀系数的测试需求。该加热结构2可以选择热传导加热结构2、热对流加热结构2或热辐射加热结构2。
如图1至图4所示，下面以一个具体的例子来说明本发明的薄膜材料热膨胀系数的测试装置1000。
在该具体的例子中，测试装置1000包括热膨胀系数测试结构1、加热结构2、射频测试仪器3。
具体地，热膨胀系数测试结构1包括衬底101、射频传输线102和热膨胀系数测试MEMS结构103。其中，衬底101为玻璃衬底；射频传输线102采用共面波导传输线，射频传输线102设置在衬底101的上表面上且包括第一信号线段1021和第二信号线段1022，第一信号线段1021和第二信号线段1022间隔开地布置；热膨胀系数测试MEMS结构103包括待测薄膜组件1031、具有纵向位移放大功能的梁结构1032和用于射频测试的位移测量结构1033，其中，待测薄膜组件1031设置在衬底101的上表面上，待测薄膜组件1031仅由待测薄膜10311构成，待测薄膜10311为金属薄膜，待测薄膜10311直接堆叠设置在衬底101的上表面上且与第一信号线段1021相连；梁结构1032采用导电金属制成且带有孔洞10321，梁结构1032的一端与待测薄膜10311相连；位移测量结构1033为金属-空气-金属电容结构，该电容结构为串联电容结构，同时，可以采用探针台方式或测试板方式进行射频性能测试，位移测量结构1033与第二信号线段1022相连，且位移测量结构1033的另一端间隔开地位于梁结构1032的下方。
热膨胀系数测试结构1设置在加热结构2上，加热结构2用于对热膨胀系数测试结构1进行加热。
射频测试仪器3用于与射频传输线102相连，以测试热膨胀系数测试MEMS结构103的射频隔离度，通过射频隔离度反推待测薄膜组件1031待测薄膜组件1031中的待测薄膜10311热膨胀系数。
该测试装置1000，具有如下的优点：第一、该测试装置1000不针对特定待测薄膜10311材料，可以对待测金属薄膜材料进行表征，具有较好的通用性；第二、该测试装置1000可以测得整个温度变化范围内的热膨胀系数情况，而非单温度点值；第三、该测试装置1000可以对较小面积的待测薄膜10311进行测试，因此可以得到面内的分布情况，而非整面的均值；第四、该测试装置1000利用射频特性对纵向位移量进行表征，相比于低频的电容电阻测量更加精确。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种薄膜材料热膨胀系数的测试装置，其特征在于，包括：
热膨胀系数测试结构，所述热膨胀系数测试结构包括衬底、射频传输线和热膨胀系数测试MEMS结构，所述射频传输线设置在所述衬底的上表面上且包括第一信号线段和第二信号线段，所述第一信号线段和所述第二信号线段间隔开地布置；所述热膨胀系数测试MEMS结构包括待测薄膜组件、具有纵向位移放大功能的梁结构和用于射频测试的位移测量结构，其中，所述待测薄膜组件设置在所述衬底的上表面上且与所述第一信号线段相连，所述梁结构与所述待测薄膜组件相连；所述位移测量结构与所述第二信号线段相连，且间隔开地位于所述梁结构的下方；
加热结构，所述加热结构用于对所述热膨胀系数测试结构进行加热；
射频测试仪器，所述射频测试仪器用于与所述射频传输线相连，以测试所述热膨胀系数测试MEMS结构的射频隔离度，通过所述射频隔离度反推所述待测薄膜组件中的待测薄膜热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，其特征在于，所述待测薄膜为金属薄膜时，所述待测组件仅由所述待测薄膜构成，所述待测薄膜直接堆叠设置在所述衬底的上表面上，所述梁结构与所述待测薄膜相连；所述待测薄膜为非金属薄膜时，所述待测薄膜组件由所述待测薄膜和已知热膨胀系数的金属功能层构成，所述待测薄膜和所述金属功能层堆叠设置在所述衬底的上表面上且所述金属功能层位于所述待测薄膜的下方或上方，所述梁结构与所述金属功能层相连。
3.根据权利要求1所述的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，其特征在于，所述梁结构为单端固支梁，其中，所述梁结构为单端固支梁时，所述梁结构的一端与所述待测薄膜组件相连，所述梁结构的另一端间隔开地位于所述位移测量结构的上方。
4.根据权利要要1所述的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，其特征在于，所述位移测量结构为金属-空气-金属电容结构。
5.根据权利要求4所述的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，其特征在于，所述位移测量结构为串联电容结构、并联电容结构或由多个电容组成的电容网络结构。
6.根据权利要求1所述的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，其特征在于，所述热膨胀系数测试结构采用探针台方式或测试板方式进行射频性能测试。
7.根据权利要要1所述的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，其特征在于，所述梁结构采用导电金属制成。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，其特征在于，所述射频传输线为共面波导传输线或微带线。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的薄膜材料热膨胀系数的测试装置，其特征在于，所述加热结构具有温控及测温功能。
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