CN114062432B - 一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构，包括上下方向设置的单晶硅上极板和单晶硅下极板，单晶硅上极板和单晶硅下极板形状和大小相同，单晶硅上极板水平连有单晶硅驱动梁的一端，单晶硅驱动梁的另一端水平且垂直连有扭转梁的中心位置，扭转梁左右两端分别设置有第一锚区和第二锚区，第二锚区上表面设有第一金属电极，单晶硅下极板连有下极板引线，下极板引线末端设有第二金属电极。本发明还公开一种单晶硅结构层剪切模量在线测试方法。本发明提供的一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构及其测试方法，使用电学测试手段对剪切模量进行测量，能够克服光学干涉测量方法的缺陷，具备结构简单、测量速度快、成本低的优点。

Description

一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构及其测试方法，基于SOI工艺，属于微电子机械系统及其材料参数测试技术领域。
背景技术
微电子机械系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。其基本特点是微型化、高集成度和高精度的批量制造。MEMS产品种类繁多，常见的有MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS压力传感器、MEMS麦克风、微镜、微马达等，这些产品广泛地应用于消费电子、可穿戴设备、智能家居、环境监测等领域。SOI加工技术是MEMS产品的主流加工工艺之一，获取SOI单晶硅结构层的材料参数，可以用于设计、预测和优化MEMS产品的性能。
剪切模量是衡量微镜等MEMS器件的运动特性的重要参数，现有的剪切模量测量技术往往需要使用专用的光学设备，对样品施加力，通过光学干涉的方法进行测量，这种方法测量速度慢，成本较高，不满足在线测试的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构及其测试方法，使用电学测试手段对剪切模量进行测量，能够克服光学干涉测量方法的缺陷，具备结构简单、测量速度快、成本低的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构，包括上下方向设置的单晶硅上极板和单晶硅下极板，所述单晶硅上极板和单晶硅下极板形状和大小相同，所述单晶硅上极板水平连有单晶硅驱动梁的一端，所述单晶硅驱动梁的另一端水平且垂直连有扭转梁的中心位置，所述扭转梁左右两端分别设置有第一锚区和第二锚区，所述第二锚区上表面设有第一金属电极，所述单晶硅下极板连有下极板引线，所述下极板引线末端设有第二金属电极。
所述单晶硅扭转梁厚度是其宽度的10倍以上。
所述单晶硅结构层剪切模量在线测试结构的测试方法，包括以下步骤:
通过第一金属电极和第二金属电极在单晶硅上极板和单晶硅下极板之间施加扫描驱动电压，扫描驱动电压设定从0伏开始，增长步长为0.1伏/秒；
单晶硅驱动梁在静电力的作用下发生偏转，带动单晶硅扭转梁发生扭转；
当单晶硅上极板向下产生的位移是单晶硅上极板与单晶硅下极板初始间距的三分之一时，单晶硅上极板会被静电力突然拉下与单晶硅下极板发生接触，记录此时的驱动电压值；
根据晶硅扭转梁、单晶硅驱动梁、单晶硅上极板、单晶硅下极板的尺寸以及上下极板接触时的驱动电压值计算得到单晶硅结构层的剪切模量。
本发明的有益效果：本发明提供的一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构及其测试方法，包括单晶硅扭转梁、第一锚区、第二锚区、第一金属电极、单晶硅驱动梁、单晶硅上极板、单晶硅下极板、下极板引线和第二金属电极，通过对单晶硅上极板和单晶硅下极板之间施加驱动电压，使单晶硅上极板与单晶硅下极板发生接触，根据晶硅扭转梁、单晶硅驱动梁、单晶硅上极板、单晶硅下极板的尺寸以及驱动电压值计算得到单晶硅结构层的剪切模量，相比于现有技术的光学干涉测量方法，具有结构简单、测量速度快、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构的俯视结构示意图；
图2为图1中A-A剖面结构示意图；
图3为图1中B-B剖面结构示意图。
图中附图标记如下：1-硅衬底；2-绝缘层；3-扭转梁；4-第一锚区；5-第二锚区；6-第一金属电极；7-单晶硅驱动梁；8-单晶硅上极板；9-单晶硅下极板；10-极板引线；11-第二金属电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1到图3所示，本发明提供一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构，基于SOI工艺，其主要结构包括单晶硅扭转梁3、第一锚区4、第二锚区5、第一金属电极6、单晶硅驱动梁7、单晶硅上极板8、单晶硅下极板9、下极板引线10和第二金属电极11。其中第一锚区4、第二锚区5、单晶硅下极板9和下极板引线10位于绝缘层2上，绝缘层2位于硅衬底1上。
单晶硅驱动梁7一端与单晶硅上极板8相连，另一端与单晶硅扭转梁3的中心位置相连，形成T型结构。单晶硅驱动梁7、单晶硅上极板8和单晶硅扭转梁3位于同一水平面上。单晶硅扭转梁两端分别为第一锚区4和第二锚区5，其中第二锚区5的上表面设有第一金属电极6；单晶硅下极板9通过下极板引线10引出，并在引线末端设有第二金属电极11。
本发明中，单晶硅扭转梁3长度为l1、宽度为w1、厚度为h，且h>10w1；单晶硅驱动梁7长度为l2、宽度为w2、厚度为h；单晶硅上极板8与单晶硅下极板9尺寸相同，长度均为l3，宽度均为w3，单晶硅上极板8与单晶硅下极板9之间的初始间距为g。
本发明还公开一种单晶硅结构层剪切模量在线测试方法，包括以下步骤：
测试时通过第一金属电极6和第二金属电极11在单晶硅上极板8与单晶硅下极板9之间施加扫描驱动电压，电压设定从0伏开始，电压增长的步长为0.1伏/秒，单晶硅驱动梁7在静电力的作用下发生偏转，单晶硅扭转梁3随之发生扭转。当单晶硅上极板8向下产生的位移是单晶硅上极板8与单晶硅下极板9初始间距g的三分之一时，单晶硅上极板8与单晶硅下极板9发生吸合(接触)，此时的驱动电压大小为VP，产生的静电力F大小为：
Figure BDA0003349648000000041
其中，ε为空气的介电常数。
单晶扭转梁3的转角可表示为：
Figure BDA0003349648000000042
其中，G为单晶硅结构层的剪切模量，β为扭转系数，当单晶硅扭转梁3的厚度为h与宽度w1之间满足h>10w1时，β≈1/3。
当单晶硅上极板8与单晶硅下极板9发生接触时，单晶扭转梁3的转角与测试结构的几何尺寸存在如下关系：
Figure BDA0003349648000000043
由此可以得到单晶硅结构层剪切模量的计算公式：
Figure BDA0003349648000000044
本发明提供的一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构及其测试方法，相比于现有技术的光学干涉测量方法，具有结构简单、测量速度快、成本低的优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构的测试方法，其特征在于：所述单晶硅结构层剪切模量在线测试结构包括上下方向设置的单晶硅上极板(8)和单晶硅下极板(9)，所述单晶硅上极板(8)和单晶硅下极板(9)形状和大小相同，所述单晶硅上极板(8)水平连有单晶硅驱动梁(7)的一端，所述单晶硅驱动梁(7)的另一端水平且垂直连有扭转梁(3)的中心位置，所述扭转梁(3)左右两端分别设置有第一锚区(4)和第二锚区(5)，所述第二锚区(5)上表面设有第一金属电极(6)，所述单晶硅下极板(9)连有下极板引线(10)，所述下极板引线(10)末端设有第二金属电极(11)；
包括以下步骤:
通过第一金属电极(6)和第二金属电极(11)在单晶硅上极板(8)和单晶硅下极板(9)之间施加扫描驱动电压；
单晶硅驱动梁(7)在静电力的作用下发生偏转，带动单晶硅扭转梁(3)发生扭转；
当单晶硅上极板(8)与单晶硅下极板(9)发生接触时，记录此时的驱动电压值；
根据单晶硅扭转梁(3)、单晶硅驱动梁(7)、单晶硅上极板(8)、单晶硅下极板(9)的尺寸以及上下极板接触时的驱动电压值计算得到单晶硅结构层的剪切模量，剪切模量G的计算公式：
Figure FDA0003797269000000011
其中，ε为空气的介电常数，l1为单晶硅扭转梁(3)长度，l2为单晶硅驱动梁(7)长度，l3为单晶硅上极板(8)与单晶硅下极板(9)长度，w3为单晶硅上极板(8)和单晶硅下极板(9)宽度，w1为单晶硅扭转梁(3)宽度，VP为单晶硅上极板(8)与单晶硅下极板(9)发生吸合时驱动电压大小，g为单晶硅上极板(8)与单晶硅下极板(9)初始间距，h为单晶硅扭转梁(3)的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构的测试方法，其特征在于：所述单晶硅扭转梁(3)厚度是其宽度的10倍以上。
3.根据权利要求1所述的一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构的测试方法，其特征在于：当单晶硅上极板(8)向下产生的位移是单晶硅上极板(8)与单晶硅下极板(9)初始间距的三分之一时，单晶硅上极板(8)会被静电力突然拉下与单晶硅下极板(9)发生接触。
4.根据权利要求1所述的一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构的测试方法，其特征在于：扫描驱动电压设定从0伏开始。
5.根据权利要求1所述的一种单晶硅结构层剪切模量在线测试结构的测试方法，其特征在于：扫描驱动电压电压增长的步长为0.1伏/秒。
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