CN1828308A - 微机电系统器件材料参数在线测试分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

微机电系统器件材料参数在线测试分析装置及方法是一种用于在线测量微机电系统器件材料参数的测试分析方法与装置，通过采用电激励与电参数测量并通过分析系统对材料参数进行在线提取，通过对MEMS器件材料参数测试结构施加直流、交流和瞬态电压或电流，迫使测试结构产生相应的动作，如水平方向或竖直方向的位移、振动、断裂、短路、发热、膨胀，同时发生电参量的变化，如电流、电阻、电压、电容改变，通过测试这些参量的变化，根据参数计算模型编制的计算软件将所需要掌握的材料参数：电阻、压阻、杨氏模量、残余应力、断裂强度、热膨胀率、热传导率，热扩散率等提取获得。可以直接在工艺环境下进行在线测试，不需要复杂的测试设备及苛刻的测试环境。

Description

微机电系统器件材料参数在线测试分析装置及方法

技术领域

本发明是一种用于在线测量微机电系统(MEMS)器件材料参数的测试分析方法与装置。属于微机电系统技术领域。

背景技术

随着MEMS加工工艺地不断成熟与发展，微机械加工技术已经越来越多地应用在传感器和执行器的制造过程中。MEMS器件的性能除了受设计与工艺加工影响外，还对材料参数非常敏感。MEMS器件与普通微电子器件的一个重要的差别在于：MEMS器件可能存在可运动部分，也就是说，有一些MEMS器件的工作是通过运动来完成的。例如，MEMS谐振器，它的核心是一个做振荡运动的部件，当外部激励频率达到谐振器的本振频率后，谐振器产生最大运动幅度的振荡。该振荡频率以及振荡幅度除了和尺寸参数有关外，还和制造器件的材料参数，如杨氏模量、应力等有关。又如，以悬臂梁结构为核心制做的MEMS开关，当结构被释放后，由于残余应力的作用，悬臂梁可能会发生上翘或下弯，即偏离了设计者希望保持的水平态，这将导致开关阈值发生变化。结构到底是上翘还是下弯完全由材料本身的残余应力大小及应力性质决定，而残余应力主要由工艺加工过程决定。由于MEMS运动性能对材料及参数特别敏感，因此设计者必须了解实际的材料参数。所谓实际的材料参数正是设计问题的难点，因为材料参数不但和材料的属性有关，还和材料在加工过程中所受到的处理有关，如果加工过程温度不同，温度变化的快慢不同，都会导致材料参数的差异。正是因为MEMS器件的性能对材料参数非常敏感，所以，对MEMS材料参数的测试十分重要，尤其是这些参数的在线测试。例如，我们经常需要知道实际的薄膜残余应力、杨氏模量、薄膜的热扩散率等表面微机械结构加工的薄膜材料参数。因为它们和加工工艺及工艺过程有关，所以，如何在工艺线环境下进行在线的跟踪测试就成为一个具有实际价值的技术。

在线测试系统要求测试结构必须具有简便性和准确性，占用芯片面积小，采用圆片级测试并且不需要复杂的设备。对于MEMS材料参数提取的测试结构在以往的文献中有很多的介绍，如对于薄膜热扩散率的提取，一些传统的测试结构有Arx，Paul和Baltes提出的CMOS工艺下实现的悬臂梁和桥式结构，利用傅立叶变换分析测得薄膜的热扩散系数，相位敏感技术、周期性加热法，等等，但这些测试结构和方法，需要把测试结构置放在真空环境下，而且测试过程比较复杂，需要借助特定的测试仪器和设备，如红外热象仪、激光器等，这使得它们很难应用于在线测试中。对于材料参数中薄膜的残余应力、杨氏模量的提取方法以往有自然谐振法，动态法，电容/电压测试法，通过施加已知力使梁发生弯曲并测量挠度的方法，圆片曲率测试法，静电执行法，等等。同样也因为测试结构复杂不能用于在线测试。本发明所介绍的在线测试系统是利用我们自己研发的在线测试结构、图形与设备，直接在工艺环境下进行在线测试。例如：对薄膜的残余应力、杨氏模量的在线提取测试方法是基于静电执行结构，结合能量法，推导出单层或多层两端固支梁在静电作用下发生吸合(pull-in)现象时吸合电压的解析表达式，由于吸合电压与梁的材料参数和几何尺寸有关，梁的几何尺寸不同，吸合电压值就不同。测量这些吸合电压，代回吸合电压的解析表达式进行计算，就能够得到所需要的材料参数(因为结构尺寸是已知值)。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种MEMS材料参数的在线测试装置及方法。应用该装置，采用本发明所提出的测试方法可以解决MEMS材料参数的在线测试问题。可以直接在工艺环境下进行在线测试，不需要复杂的测试设备、复杂的测试方法以及苛刻的测试环境。

技术方案：本发明的微机电系统器件材料参数在线测试装置包括硅结构组芯片、测试探针组、接线台、测试输入输出信号放大、衰减电路、数据采集卡；硅结构组芯片的输入/输出端通过测试探针组与接线台相连接，接线台的输出端接测试输入输出信号放大、衰减电路，测试输入输出信号放大、衰减电路的输出端接数据采集卡，由计算机通过专门设计的处理程序输出测试结果。硅结构组芯片包括断裂强度测试结构、吸合电压测试结构、待测试双端固支梁结构以及用于热参数测试的结构。

测试输入输出信号放大、衰减电路包括电源、多路电压放大器、多路电流放大器、测试输入处理电路模块、数据采集卡通讯的信号线、信号通讯的信号线，其中数据采集卡输出端通过数据采集卡通讯的信号线分别接多路电压放大器、多路电流放大器、多路电压放大器、多路电流放大器的输出端通过信号通讯的信号线接测试探针组，测试探针组的输出端通过信号通讯的信号线接测试输入处理电路模块，测试输入处理电路模块的输出端通过数据采集卡通讯的信号线接数据采集卡。

测试方法：

微机电系统器件材料参数在线测试装置的测试方法采用电激励与电参数测量并通过分析系统对材料参数进行在线提取，其方法是通过对MEMS器件材料参数测试结构施加电压或电流，迫使测试结构产生相应的位移、振动、断裂、短路、发热、膨胀动作，同时发生电流、电阻、电压、电容电参量的变化，通过测试这些参量的变化，代入所设定的模型，经专门设计的处理程序将所需要掌握的电阻、压阻、杨氏模量、残余应力、断裂强度、热膨胀率、热传导率，热扩散率的材料参数提取获得。

根据不同的测试内容，所述的处理程序为：

开路临界测试：

所谓开路临界是指在施加输入电压或电流激励的同时，不断检测测试结构是否因电压或电流的作用发生开路，一旦发生开路则将临界开路时的激励电压或电流值记录下来，作为代入模型计算的参数。以测试断裂强度为例，具体方法如下：

1.对测试结构(测试结构见图3)的待测材料加以恒定电流；

2.在测试结构的上下电极间施加递增的直流扫描电压，使结构向下弯曲；

3.每增加一次扫描电压幅值，检测一次待测材料上通过的电流是否发生变化；

4.当发生电流突然变为零时，记录下当时的扫描电压幅值；

5.以此幅值为参数，代入测试结构模型，计算得到材料的断裂强度。短路临界测试：

短路临界测试是指在施加输入电压或电流激励的同时，不断检测测试结构是否因电压或电流的作用发生短路，一旦发生短路则将临界短路时的激励电压或电流值记录下来，作为代入模型计算的参数。以杨氏模量测试为例，具体方法如下：

1.在测试结构(测试结构见图4)的上下电极间施加递增的直流扫描电压，使梁结构向下弯曲。

2.每增加一次扫描电压幅值，检测一次待测结构上下电极间是否有电流出现。

3.当发生电流突然出现时，记录下当时的扫描电压幅值。

4.重复步骤1-3，对另一根梁进行测试，以两次测试得到的电压幅值为参数，代入测试结构模型，计算得到材料的杨氏模量。

残余应力的测试过程与杨氏模量的测试相同。热膨胀率的测试方法采用步骤1-3。

激励-响应弛豫测试：

激励-响应弛豫测试基本过程是：首先给测试结构施加一突变的电压或电流激励，施加的电功率使结构发热，但发热过程并不是突变的，逐渐发热的过程导致结构的电阻值发生渐变。通过测量这个渐变过程的电阻值变化，代入模型进行计算分析就可得到材料的热参数。以热扩散率为例，具体方法如下：

1.对测试结构(两根直梁)之一施加一阶越电流(恒流)，直梁因电流作用而发热并发生电阻变化。

3.以百微秒为测试间隔，测量直梁电阻的变化，记录过程直到电阻不再发生变化，即记录发热的弛豫过程。

3.重复步骤1、2过程对另一根直梁进行测试并记录下发热弛豫的过程。

4.将两根梁的弛豫过程转换为弛豫时间常数，代入模型计算得到材料的热扩散率。

直接电压测试：

顾名思义，直接电压测试就是直接测量结构的输入与输出电压及电压变化，电压可以是直流、交流和瞬态信号。以谐振频率测试为例，具体过程如下：

1.给测试结构(谐振梁)上下极板间施加一交流小信号电压使梁振动。

2.测试因梁振动而产生的幅度电压。

3.改变信号频率，重复步骤1、2过程，检测幅度电压的最大值。

4.幅度电压最大值所对应的频率即为梁的谐振频率。

直接电流测试：

即直接测量结构的输入与输出电流及电流变化，同样可以是直流、交流和瞬态信号。其具体过程与“直接电压测试”相同，只是将电压改为电流。

有益效果：MEMS器件的性能除了受设计与工艺加工影响外，还对材料参数非常敏感，因此设计者必须了解实际的材料参数。因为不同的生产线对工艺加工过程控制有所不同，而过程不同又会导致材料参数的差异，理想值和实际值存在着偏差以及这些参数的重复性问题使设计者很难确保设计。所以，对MEMS材料参数的测试十分重要，尤其是这些参数的实时在线测试。如何在工艺线环境下进行在线的跟踪测试就成为一个具有实际价值的技术。

在线测试系统要求测试结构必须具有简便性和准确性，占用芯片面积小，采用圆片级测试并且不需要复杂的设备。对于MEMS材料参数提取的测试结构在以往的文献中有很多的介绍，但其中大部分都需要复杂的测试设备、严格的测试环境、昂贵的测试费用，并且实时性差。而实际的设计问题并不一定都需要十分精确的材料参数，关键是材料参数的一致性和重复性，因此要求能够实时对工艺确定的参数进行跟踪。

本发明所介绍的微机电系统(MEMS)器件材料参数在线测试分析系统通过采用电激励与电参数测量并通过分析系统对材料参数进行在线提取。具体方法是通过对MEMS器件材料参数测试结构施加一定性质与幅度的电压或电流，迫使测试结构产生相应的动作，如位移、振动、断裂、短路、发热、膨胀等，同时发生电参量的变化，如电流、电阻、电压、电容等，而测试结构又将这些变化以简单的电参量形式给予表现。通过测试这些电参量的变化，代入数学模型或其他类型的模型，通过开发的专门软件将所需要掌握的材料参数提取获得，如MEMS材料的电阻、压阻、杨氏模量、残余应力、断裂强度、热膨胀率、热传导率，热扩散率，等等。

该系统不需要复杂的测试设备、复杂的测试方法以及苛刻的测试环境，实时性好，跟踪简便。该系统的建立为实施对于MEMS加工工艺监控建立了基本方法和手段。

附图说明

图1是MEMS器件材料参数在线测试分析系统组成示意图。

图2是信号放大、衰减电路的结构框图。

图3是断裂强度测试结构与测试方法构示意图。

图4是吸合电压测试结构与测试方法示意图。

图5是待测试双端固支梁结构图。

图6是电压放大电路与测试原理示意图。

图7是测试方法的测试流程，

图8是测试过程和数据采集卡的通讯关系图。

以上的图中有：芯片1、测试探针组2、接线台3、测试输入输出信号放大、衰减电路4、数据采集卡5；电源201、多路电压放大器202、多路电流放大器203、测试输入处理电路模块204、数据采集卡通讯的信号线205、信号通讯的信号线206；待测材料薄板301、棒状材料302、下电极板303；固支梁401、下极板402。

具体实施方案

根据上述的基本测量方法，结合具体的测试方案，需要进行测试激励信号的设计以及测试输出检测方案的设计。测试输出的基本检测方法可大致分为：开路临界测试；短路临界测试；激励-响应弛豫测试；直接电压测试；直接电流测试。

(1)开路临界测试

所谓开路临界是指在施加输入电压或电流激励的同时，不断检测测试结构是否因电压或电流的作用发生开路，一旦发生开路则将临界开路时的激励电压或电流值记录下来，作为代入模型计算的参数。

这里以测量材料的断裂强度为例来说明测量方案。有两种基本测量方案：一是利用静电激励原理，二是采用热执行原理。下面以利用静电激励原理的测试结构为例，测量结构与原理如图3所示，结构是由两块尺寸较大的待测材料薄板301通过一根截面积非常小相同的棒状材料302连接构成，薄板的长边被固定连接，薄板下是空气层和下电极板303，下极板直接制作在衬底上以保持静止。在薄板与下极板之间施加电压，由于静电力的作用，上部薄板向下运动，由于长边被固定，所以薄板只能向中下方向运动，这导致连接的细棒受到拉伸，当达到一定的强度后细棒断裂。测量系统在增大激励强度的同时，不断检测结构中细棒302通过的电流，当达到结构的断裂阈值时，电流变为零。电流为零的激励电压就是开路临界电压。

(2)短路临界测试

短路临界测试是指在施加输入电压或电流激励的同时，不断检测测试结构是否因电压或电流的作用发生短路，一旦发生短路则将临界短路时的激励电压或电流值记录下来，作为代入模型计算的参数。当然，如果短路是以电流测量为基本方法，则还需要设计保护与限流。

例如，测试吸合电压，测试结构与原理如图4所示，结构以固支梁401和下极板402构成，下极板是直接制作在衬底上以保持静止。当在固支梁与下极板之间加以电压时，固支梁向下弯曲，当发生吸合(Pull-in)现象时，固支梁被吸向下极板，原本表现为电容形式的结构出现短接。测试系统通过静电力使结构运动，系统在增大激励强度的同时，不断检测结构通过的电流，当达到结构的吸合阈值时，电流从原先的零变为大于零。对应出现电流的激励电压就是短路临界电压。

(3)激励-响应弛豫测试

激励-响应弛豫测试基本过程是：首先给测试结构施加一突变的电压或电流激励，施加的电功率使结构发热，但发热过程并不是突变的，逐渐发热的过程导致结构的电阻值发生渐变。通过测量这个渐变过程的电阻值变化，代入模型进行计算分析就可得到材料的热参数。

(4)直接电压测试

顾名思义，直接测量结构的输入与输出电压及电压变化，电压可以是直流、交流和瞬态信号，谐振频率测试的具体过程如下：

a.给测试结构即谐振梁上下极板间施加一交流小信号电压使梁振动，

b.测试因梁振动而产生的幅度电压，

c.改变信号频率，重复步骤1、2过程，检测幅度电压的最大值，

d.幅度电压最大值所对应的频率即为梁的谐振频率；

(5)直接电流测试

即直接测量结构的输入与输出电流及电流变化，同样可以是直流、交流和瞬态信号。

根据上面所描述的测试分析方法，归类整理得到下表所给出的主要的测试问题、测试方法与测试条件。

                      表1 参数类型、测试方法与测试条件

材料参数	测试原理与测试内容	测试要求	检测方法	处理电路及软件
					杨氏模量和残余应力	梁结构的吸合电压与材料的杨氏模量及残余应力有关。测试不同长度、宽度固支梁的吸合电压。	激励信号：0~100V，测试精度：±0.5V	短路临界测试	线性可调升压电路，检测输出衰减电路。软件扫描电压突变。
断裂强度	依靠静电力将结构拉断，测量临界电压。	激励信号：0~100V，测试精度：±0.5V	开路临界测试	线性可调升压电路，软件零电流扫描。
					残余应变	利用存在残余应变时结构间距变化导致碰接驱动电压变化原理。测量碰接时的驱动电压。	激励信号：0~20V，测试精度：±0.1V	直接电压、电流测试	普通电压源、保护电路，软件扫描碰接发生。
热膨胀系数	分别测量两组“弯梁对”的电流与位移的关系，求出热膨胀系数。测量碰接时的驱动电压。	激励信号：0~20V，测试精度：±0.1V	直接电压、电流测试	电流源、保护电路，软件扫描碰接发生。
					热扩散率	利用发热过程滞后于信号激励过程的原理。测量电阻随时间的变化过程	激励信号：0~20V，测试精度：±0.1V	激励-响应弛豫测试	电流源，软件扫描电阻变化过程。

热导率

利用多个结构类似、参数不同的结构进行的热功率测试，计算热导率，施加电压测量电流。

激励信号：0~20V，测试精度：±0.1V

直接电压、电流测试

电压源，电流读取电路，软件扫描电压、电流。

测试装置构造：

为实现测试，装置必须具备的结构是信号的输出与测试响应信号的读取功能，因此装置采用的基本结构是利用商业化的数据采集卡生成测试信号或测试信号序列，完成测试响应信号的读取，为获得有效的测试激励和保证采集卡的安全，在测试硬件电路中还设计了多通道的电压驱动、电流驱动、保护电路等。按照前面所描述的的测试方法，确定的测试流程如下：

由测试信号的控制软件产生信号序列并通过采集卡输出，通过外部硬件将信号送到探针台并进而施加在MEMS测试结构上，再通过外部硬件回收测试响应信号到数据采集卡，由测试信号控制软件对其进行变换处理(具体的采集卡控制流程下面详述)，通过计算分析软件计算得到材料参数。

在线测试分析装置所要完成的工作可以分为几个主要部分：产生满足测试要求的电压或电流；对测试响应进行检测并加以处理使之适合分析的需要；根据测试项目将测试激励、响应信号代入相应的模型并进行分析计算。

显然，前两项工作是电子系统的软硬件协同工作，第三项是纯软件的工作。

(1)测试激励生成、处理以及测试响应检测与处理

从测试信号分类来说，测试输入的电压或电流大致可以分为直流、脉冲、交流，测试分为静态测试、准静态测试、扫描测试、动态测试等，从激励信号的幅度又可以分为低压、高压。因为MEMS测试结构所需要的功率比较小，因此对电流没有特殊要求。

检测信号则以检测电压、电流为主，将MEMS器件所产生的响应，如电流、电阻、电压、电容的变化等，通过测试结构的设计将其转变为电压、电流，然后进行测试。

本发明采用两部分子系统来完成测试激励生成、处理以及测试响应检测与处理：通过计算机控制软件与数据采集卡完成激励信号的产生，并且通过该子系统采集已处理过的测试响应信号；生成的测试激励信号的放大与处理、测试响应信号预处理子系统。

采用这样的硬件框架的目的是为了方便地进行信号生成与采集，同时，因为计算机和数据采集卡系统的驱动能力、输出信号幅度以及采集信号的电压、电流范围有限，不能完全满足测试的要求，因此需要外部的硬件完成信号的放大、驱动、衰减、过载保护等工作。

数据采集卡的应用使我们非常方便地通过控制软件产生所需要的信号形式和大小幅值，通过采集卡硬件将控制产生的信号送出到外部处理硬件端口去进行放大等处理。通过采集控制软件，我们同样可以方便地、按照测试要求地读取测试响应信号。

下面给出测试过程和数据采集卡的通讯关系

首先对数据采集卡进行初试化，选择相应的数据通道，包括进出两个方向，然后根据测试类型控制输出是电流或是电压，是直流或扫描或交流或瞬态电压，接着，数据采集卡扫描输入通道，回收测试响应信号，并对此信号进行判断，检查是否满足测试要求，如前所述的发生吸合的情况，如果满足要求则测试结束，否则继续输出测试信号，直至满足要求。

为保证采集卡得到满足采集要求的信号并保护采集卡不被过载损坏，测试响应信号需要经外部的处理硬件的预处理，主要是信号的衰减和过载保护。

由于计算机、控制软件和数据采集卡完成了信号生成和采集，外部硬件就变得简单了，它主要包括：电源部分、电压放大器、电流放大器、电压衰减器、电流衰减器、短路保护电路等几个部分。

为了进行多项目测试，数据采集卡是多通道结构，与之匹配，外部硬件也是多通道的结构。

为向测试结构施加激励并采集测试响应，系统还必须配备相应的探针以及接线装置。

从图1能够看到，设计完成的测试激励生成、处理以及测试响应检测与处理硬件包括：测试探针组(2)，接线台(3)，测试输入输出信号放大、衰减电路(4)，计算机及内置数据采集卡(5)，还有我们不能看到的控制软件，它通过计算机的运行来执行控制。

图2给出了测试输入输出信号放大、衰减电路的结构框图。图中有电源系统201，主要是一个多路直流稳压电源，为测试系统中的各个电路模块提供电源，最大输出直流电压为100V；多路电压放大器202，它完成将数据采集卡所产生的电压信号进行线性放大，实现电压的驱动，同时对测试结构样品与数据采集卡的隔离，防止因测试样品的问题导致采集卡的损坏，电路还带有过载保护；多路电流放大器203，它的功能与电源系统201类似，只不过将电压变为电流；由电压衰减器、电流衰减器和短路保护电路组成的测试输入处理电路模块204，它的功能实现对测得的信号进行衰减处理，防止采集卡因输入信号过大而损伤。同时，该部分电路还设计有自身保护电路防止被烧毁；与数据采集卡通讯的信号线205；与外部探针台进行信号通讯的信号线206。图中由虚线框框住的部分是外部设备，这里是为了说明信号通路。

(2)模型运算和参数提取软件

这部分的设计与开发是紧密结合测试结构、数学模型和计算方法而展开。MEMS器件材料参数中比较重要的大致为力学参数、电学参数、热学参数。其中力学参数主要是杨氏模量、应力(应变)、泊松比等；电学参数主要是材料电导率、压阻系数、温度系数等；热学参数则主要是热导率、热扩散率、热膨胀率等。因为这中间的许多参数并不能简单的测量获得，必须通过专门设计测试结构，建立相关的数学模型，通过数值求解来提取。另一方面，作为通过电激励与电测量方法的基本条件是这些测试结构要能够对电信号有一定的响应。

获取材料参数的基本方法是：首先根据需要测量的材料参数构建测试结构，建立相关的测试方法，然后建立数学模型，最后建立数学模型的求解方法。例如，在测试薄膜材料的杨氏模量和残余应力参数时，首先分析了哪些结构对这两个参数敏感。考虑到梁结构的吸合(Pull-in)电压除了和梁的几何尺寸有关外，还与这两个参数有密切关系，因此设计了相关的测试结构—双端固支梁。因为双端固支梁的吸合电压数值同时和这两个参数有关，一根梁不足以解出两个参数，所以，对于单层材料的双端固支梁的测试结构就是一对不同几何尺寸的梁，建立一个二元方程组，通过分别测量这两个梁的吸合电压代入方程组，考虑到方程形式是不能直接求解的，因此又建立了求解该方程组的数值迭代求解方法，最后通过软件求解得到该薄膜材料的杨氏模量和残余应力参数。有了这一系列的设计基础，从测试本身的角度看，仅仅是测量双端固支梁的吸合电压问题了。

现在，微机电系统(MEMS)器件材料参数在线测试分析系统的工作过程非常清楚了：①测试已建立了数学模型的测试结构。②获取结构对激励的响应。③将测试响应值代入数学模型。④求解模型得到材料参数。第③和第④步实际上是由软件完成。另外，各测量结构和模型的建立不在本发明权利要求之内。

对于某些参数的获取有时是必须有前提的，例如，与导电相关的测试结构就必须首先测量材料的电阻。因此，在测试工作时，软件就必须规定测量的先后。当然，这对软件本身是及其简单的问题。

这里以多晶硅薄膜残余应力与杨氏模量在线测试为例子，说明测试方法和整个装置的工作原理与过程。

1、测试结构与分析模型

该参数的基本测试结构是一双端固支梁，如图5所示。梁是导体，其长度是l，宽度是b，厚度是h，材料的杨氏模量是E，泊松比是v，沿梁长度方向的残余应力是σ，外加电压为零时，梁的下表面与下面固定电极间的距离是g₀，V是外加电压。

采用静电执行原理，结合能量法，可以推导出梁在静电作用下发生吸合(pull-in)现象时吸合电压的解析表达式。

$V_{\mathrm{PI}}=\frac{1}{1.1454\·[1-(1-0.8894\·e^{1.0874\×{10}^{-2}\·g_0/h})\·e^{-\frac{{2.1064\mathrm{\σ}}^{0.623}}{\stackrel{\‾}{E}\·h}\·1.9252\×{10}^3\·(1-100\×{10}^{-6}+0.06724)}]}\·$

$\sqrt{\frac{4({\mathrm{Ac}}_{\mathrm{PI}}+{\mathrm{Bc}}_{\mathrm{PI}}^3)\·\sqrt{g_0}\·{(g_0-c_{\mathrm{PI}})}^{\frac{3}{2}}}{{\mathrm{\ϵ}}_0(1+0.42\frac{g_0}{b})}}$

其中 $A=2[\frac{\tilde{E}}{3}\·{\left(\frac{\mathrm{\π}}{l}\right)}^4\frac{h^3}{4}+\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{4l}^2}\·\mathrm{\σ}\·h]$

$B=\frac{{\mathrm{\π}}^4}{{8l}^4}\tilde{E}\·h$

$c_{\mathrm{PI}}=\frac{g_0}{9}\·{(36\frac{A}{{\mathrm{Bg}}_0^2}+8+3\sqrt{375{\left(\frac{A}{{\mathrm{Bg}}_0^2}\right)}^3-156{\left(\frac{A}{{\mathrm{Bg}}_0^2}\right)}^2+144\frac{A}{{\mathrm{Bg}}_0^2}})}^{\frac{1}{3}}$

$\frac{(15\frac{A}{{\mathrm{Bg}}_0^2}-4)\·g_0}{9\·{(36\frac{A}{{\mathrm{Bg}}_0^2}+8+3\sqrt{375{\left(\frac{A}{{\mathrm{Bg}}_0^2}\right)}^3-156{\left(\frac{A}{{\mathrm{Bg}}_0^2}\right)}^2+144\frac{A}{{\mathrm{Bg}}_0^2}})}^{\frac{1}{3}}}+\frac{2}{9}\·g_0$

ε₀是真空介电常数；

是等效弹性模量，它与梁的宽度有关，对于窄梁b＜5h， $\widetilde{E=E;}$ 对于宽梁b≥5h， $\tilde{E}=E/(1-v^2)\·$

对单层材料，因为需要测试杨氏模量、残余应力两个参数，因此需要两个不同几何参数的双端固支梁，并分别测试这两个梁的吸合电压。这里，测试的关键是要准确地捕获结构发生吸合现象时的吸合电压。将获得的吸合电压以及测试结构的几何参数(长度，宽度，厚度)代入测试结构数学模型就可以解得薄膜的杨氏模量、残余应力参数。

当在固支梁与它下面的固定平面电极间加上直流电压时，由于静电引力的作用，梁会发生弯曲。随着外加电压的增加，固支梁进一步向下弯曲，当电压增加到一定值时，梁的弯曲过程就会失去平衡，梁将出现“塌陷”而接触到下面的固定面，即发生吸合现象。出现吸合现象时的外加电压称为吸合电压。

在设计测试系统时，为了保证梁的弯曲是准静态变化，加在梁上的直流电压从测试者设定(可以从0开始)的下限值开始逐渐增加，步进值可以由测试者设置。本设计的信号放大与处理电路能测试高达100V的吸合电压，并且可以方便地控制加在梁上的电压变化速度，其目的是在发生吸合现象是能即时捕获到准确的吸合电压值。

2、信号放大与处理电路

因为从数据采集卡输出的控制信号有一定的幅度限制，只能输出满度为10V的电压，而我们需要的测试满度是100V，因此，升压电路必须实现升压输出变化范围为0～100V，并且输出能可控的缓慢变化。

电路原理：升压电路要完成电压放大功能，并且放大倍数要大于等于10，才能输出100V的高压。这里的放大电路即简单又实用，只需很少的元件：五个功率管，几个电阻、电容，二极管。电路如图7所示，在晶体管Q4基极加上输入电压Vin，Q4导通，由于Vref是跟踪Q4输入同步变化的，因此Q5也导通，电路设计使得Vref≈Vin，因Q5的基极电流很小可忽略不计，所以输出电压为：

Vout＝(1+R2/R3)·Vref≈(1+R2/R3)·Vin＝Av·Vin。VEE是个负电压，保证在输入电压低于晶体管的阈值电压Vth时，Q4和Q5管仍能导通，VEE值可以选择-0.6V～-0.8V。升压电路可以线性升压到100V，输出直流电压Vout加在测试结构上。

回馈信号处理电路：回馈信号为Vsample电压，由采集卡采集，因采集卡输入电压范围是0～10V，所以Vsample电压不能超过10V。本文设计的回馈信号处理电路由测试结构、可调电阻R7和二极管D1～D3组成。在没有吸合时测试结构类似电容，可调电阻R7和二极管D1、D2、D3回路开路没有直流电流，Vsample电压为零，当测试结构发生吸合时，回路导通，Vsample为三个二极管的导通电压之和，由于梁的平整度，接触电阻等因素的影响，在发生吸合时，测试结构等效电阻很大，回路电流较小，一般在uA量级，所以，二极管应采用小电流导通的类型。受二极管的正向电压限制，Vsample不会超过三个二极管的正向导通电压之和约2.1V。

3、软件设计

软件完成与采集卡进行数据交换，将信号由采集卡输出以及将采集到的数据存储、显示或处理。软件流程如下：

具体工作过程：

(1)启动程序，设置步进值和最小测试电压。软件中步进值可以由测试者根据需要设置，可以设置每秒上升1V，或每秒上升2V等等。测试者可以设置最小测试电压，也就是加在测试结构上的起始电压。

(2)从数据采集卡输出控制信号作为升压电路的Vin信号。

(3)数据采集卡采集回馈信号。

(4)判断采集到的电压，如果电压突然升高，则停止程序并给出这时加在测试结构上的激励电压，这个电压就是吸合电压。

4、测试示例

选择两种多晶硅测试结构进行测试，结构的几何参数是：

多晶硅梁1：长度：300um，宽度：10um，厚度：2um，高度：2um。

多晶硅梁2：长度：420um，宽度：10um，厚度：2um，高度：2um。

将测试电路正确连接，启动程序，得到多晶硅梁1吸合电压89V，多晶硅梁2吸合电压60V。代入模拟计算系统计算得出多晶硅的杨氏模量和残余应力。

Claims (5)

1.一种微机电系统器件材料参数在线测试装置，其特征在于该装置包括硅结构组芯片(1)、测试探针组(2)、接线台(3)、测试输入输出信号放大、衰减电路(4)、数据采集卡(5)；硅结构组芯片(1)的输入/输出端通过测试探针组(2)与接线台(3)相连接，接线台(3)的输出端接测试输入输出信号放大、衰减电路(4)，测试输入输出信号放大、衰减电路(4)的输出端接数据采集卡(5)，由计算机通过专门设计的处理程序输出测试结果。

2.根据权利要求1所述的微机电系统器件材料参数在线测试装置，其特征在于硅结构组芯片(1)包括断裂强度测试结构、吸合电压测试结构、待测试双端固支梁结构以及用于热参数测试的结构。

3.根据权利要求1所述的微机电系统器件材料参数在线测试装置，其特征在于测试输入输出信号放大、衰减电路(4)包括电源(201)、多路电压放大器(202)、多路电流放大器(203)、测试输入处理电路模块(204)、数据采集卡通讯的信号线(205)、信号通讯的信号线(206)，其中数据采集卡(5)的输出端通过数据采集卡通讯的信号线(205)分别接多路电压放大器(202)、多路电流放大器(203)、多路电压放大器(202)、多路电流放大器(203)的输出端通过信号通讯的信号线(206)接测试探针组(2)，测试探针组(2)的输出端通过信号通讯的信号线(206)接测试输入处理电路模块(204)，测试输入处理电路模块(204)的输出端通过数据采集卡通讯的信号线(205)接数据采集卡(5)。

4.一种如权利要求1所述的微机电系统器件材料参数在线测试装置的测试方法，其特征在于采用电激励与电参数测量并通过分析系统对材料参数进行在线提取，其方法是通过对MEMS器件材料参数测试结构施加电压或电流，迫使测试结构产生相应的位移、振动、断裂、短路、发热、膨胀动作，同时发生电流、电阻、电压、电容电参量的变化，通过测试这些参量的变化，代入所设定的模型，经专门设计的处理程序将所需要掌握的电阻、压阻、杨氏模量、残余应力、断裂强度、热膨胀率、热传导率，热扩散率的材料参数提取获得。

5.根据权利要求4所述的微机电系统器件材料参数在线测试装置的测试方法，其特征在于根据不同的测试内容，所述的处理程序为：

1)开路临界测试：

a.对测试结构(测试结构见图3)的待测材料加以恒定电流，

b.在测试结构的上下电极间施加递增的直流扫描电压，使结构向下弯曲，

c.每增加一次扫描电压幅值，检测一次待测材料上通过的电流是否发生变化，

d.当发生电流突然变为零时，记录下当时的扫描电压幅值，

e.以此幅值为参数，代入测试结构模型，计算得到材料的断裂强度；

2)短路临界测试：

在测试结构的上下电极间施加递增的直流扫描电压，使梁结构向下弯曲，

a.每增加一次扫描电压幅值，检测一次待测结构上下电极间是否有电流出现，

b.当发生电流突然出现时，记录下当时的扫描电压幅值，

c.重复步骤1-3，对另一根梁进行测试，以两次测试得到的电压幅值为参数，代入测试结构模型，计算得到材料的杨氏模量，

残余应力的测试过程与杨氏模量的测试相同，热膨胀率的测试方法采用步骤1-3；

3)激励-响应弛豫测试：

激励-响应弛豫测试基本过程是：首先给测试结构施加一突变的电压或电流激励，施加的电功率使结构发热，但发热过程并不是突变的，逐渐发热的过程导致结构的电阻值发生渐变。通过测量这个渐变过程的电阻值变化，代入模型进行计算分析就可得到材料的热参数，以热扩散率为例，具体方法如下：

a.对测试结构的两根直梁之一施加一阶越恒流电流，直梁因电流作用而发热并发生电阻变化，

b.以百微秒为测试间隔，测量直梁电阻的变化，记录过程直到电阻不再发生变化，即记录发热的弛豫过程，

c.重复步骤1、2过程对另一根直梁进行测试并记录下发热弛豫的过程，

d.将两根梁的弛豫过程转换为弛豫时间常数，代入模型计算得到材料的热扩散率；

4)直接电压测试：

直接测量结构的输入与输出电压及电压变化，电压可以是直流、交流和瞬态信号，谐振频率测试的具体过程如下：

a.给测试结构即谐振梁上下极板间施加一交流小信号电压使梁振动，

b.测试因梁振动而产生的幅度电压，

c.改变信号频率，重复步骤1、2过程，检测幅度电压的最大值，

d.幅度电压最大值所对应的频率即为梁的谐振频率；

5)直接电流测试：

即直接测量结构的输入与输出电流及电流变化，同样可以是直流、交流和瞬态信号，其具体过程与“直接电压测试”相同，只是将电压改为电流。

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