專利名稱：微懸臂梁粘附特性的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用多普勒儀測(cè)振系統(tǒng)，基于微梁結(jié)構(gòu)固有頻率變化的測(cè)試方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)可靠性測(cè)試的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可靠性研究是工業(yè)化過(guò)程中的一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)，可靠性的很多方面也已經(jīng)得到了很好的研究。然而由于MEMS器件在加工和使用過(guò)程中常常發(fā)生粘附失效，近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。關(guān)于MEMS器件中微梁結(jié)構(gòu)粘附可靠性的分析及測(cè)試方法，通常是由掃描電鏡(SEM)，以一定傾角來(lái)觀測(cè)梁的彎曲，以此判斷微梁是否與襯底接觸。這樣的測(cè)試存在一定的局限性，其一，由于視覺(jué)原因，無(wú)法準(zhǔn)確判斷梁結(jié)構(gòu)是否確切地粘在襯底上。其二，SEM只能做靜態(tài)分析而無(wú)法實(shí)現(xiàn)粘附的動(dòng)態(tài)測(cè)試。本發(fā)明提供的多普勒(Doppler)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試MEMS器件懸臂梁及雙端固支梁的粘附特性的方法避免了以上問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種微懸臂梁粘附特性的檢測(cè)方法，即使用多普勒測(cè)振儀測(cè)試梁結(jié)構(gòu)發(fā)生粘附前后的固有頻率的變化。該方法具有精度高、可靠度高、并且可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。
技術(shù)方案本發(fā)明的微懸臂梁和雙端固支梁粘附特性的檢測(cè)方法使用多普勒測(cè)振儀檢測(cè)微懸臂梁和雙端固支梁的粘附特性，具體測(cè)試流程為1).根據(jù)被測(cè)梁的材料參數(shù)，包括材料密度、楊氏模量；以及被測(cè)梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括長(zhǎng)、寬、高，計(jì)算出被測(cè)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率理論值；2).使用多普勒測(cè)振儀，將其激光束聚焦在被測(cè)梁結(jié)構(gòu)的固支端附近，加載掃頻激勵(lì)信號(hào)，具體方法可以使用函數(shù)發(fā)生器激勵(lì)或者壓電陶瓷片激勵(lì)，測(cè)試出被測(cè)樣品振動(dòng)的固有頻率值；3).對(duì)比固有頻率的實(shí)際測(cè)量值與固有頻率理論計(jì)算值，如果實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值相同，則說(shuō)明被測(cè)微梁結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生粘附；如果實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值相差較大，則可以判斷被測(cè)微梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了粘附。
當(dāng)梁結(jié)構(gòu)發(fā)生完全粘附，梁不會(huì)振動(dòng)。當(dāng)梁發(fā)生部分粘附，梁的有效長(zhǎng)度就會(huì)改變，固有頻率就會(huì)變化。對(duì)于懸臂梁，若發(fā)生粘附，自由端就會(huì)與襯底粘在一起，結(jié)構(gòu)類型由懸臂梁變?yōu)殡p端固支梁，根據(jù)振動(dòng)力學(xué)原理，梁的固有頻率就會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于雙端固支梁，若發(fā)生粘附，結(jié)構(gòu)就會(huì)由一個(gè)雙端固支梁變成兩個(gè)或者多個(gè)雙端固支梁。有效長(zhǎng)度明顯改變，梁的固有頻率就會(huì)發(fā)生改變。
有益效果本發(fā)明方法，簡(jiǎn)單直觀，可靠性好，精度高。傳統(tǒng)觀測(cè)梁結(jié)構(gòu)粘附的方法是使用掃描電子顯微鏡(SEM)，使用這種方法要求較高，首先，要求待測(cè)樣品制作尺寸較小，因?yàn)闃悠芳虞d在SEM的載物臺(tái)上，在進(jìn)行粘附現(xiàn)象的觀察時(shí)，要使載物臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以便觀察側(cè)面情況，如果樣品尺寸過(guò)大容易損壞SEM的激光頭。其次，根據(jù)SEM觀測(cè)原理，進(jìn)行SEM觀察時(shí)要求待測(cè)樣品具有導(dǎo)電性，若待測(cè)樣品不具有導(dǎo)電性，則需要在樣品表面噴金，使樣品具有導(dǎo)電性，這樣就使觀察有了局限性，并且破壞了樣品表面的原始狀態(tài)。此外，僅憑視覺(jué)觀察來(lái)判斷粘附，存在一定誤差。
針對(duì)此種方法的種種局限性，本發(fā)明提出了使用多普勒儀(Doppler)測(cè)試方案。該方案克服了傳統(tǒng)SEM方法的種種弊端，在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明還有其傳統(tǒng)方法不具有的特性1.該方法還可以更精確地測(cè)試粘附現(xiàn)象。在傳統(tǒng)方法下，雖然能夠觀測(cè)到梁結(jié)構(gòu)的塌陷，但是在顯示器上觀測(cè)時(shí)，由于視覺(jué)原因，不能準(zhǔn)確地確定梁結(jié)構(gòu)是否粘在襯底上，就是說(shuō)梁雖然塌陷但是還與襯底有微小的距離，并沒(méi)有粘在一起。在新方案下，通過(guò)測(cè)量幅頻特性，根據(jù)諧振頻率的位置及振幅，便可精確地確定是否有粘附現(xiàn)象。
2.該方法可以用于動(dòng)態(tài)測(cè)試。因?yàn)檎掣浆F(xiàn)象可能發(fā)生在工作過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)使用多普勒儀(Doppler)測(cè)振儀實(shí)時(shí)測(cè)量梁的幅頻特性，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)控測(cè)是否發(fā)生粘附。


圖1是本發(fā)明測(cè)試方法流程圖；圖2是本發(fā)明懸臂梁粘附示意圖。
圖3是本發(fā)明雙端固支梁粘附示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用如附圖所示的方案實(shí)現(xiàn)。該測(cè)試系統(tǒng)包括多普勒測(cè)振儀(Doppler)、待測(cè)樣品。待測(cè)樣品包括懸臂梁及雙端固支梁結(jié)構(gòu)。
該方法的具體實(shí)施步驟如下將待測(cè)樣品通過(guò)多普勒儀(Doppler)的函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)加載為帶寬一定的掃頻信號(hào)，通電后待測(cè)樣品就會(huì)振動(dòng)。多普勒儀(Doppler)的激光發(fā)射器通過(guò)發(fā)射激光，將激光束投射在待測(cè)的梁結(jié)構(gòu)上，并且回收梁結(jié)構(gòu)反射回來(lái)的激光信號(hào)，經(jīng)過(guò)多普勒儀(Doppler)的信號(hào)硬件及軟件部分處理，就可以在顯示器上觀測(cè)到梁的振動(dòng)情況。具體測(cè)試流程為例如測(cè)量一個(gè)多晶硅材料微懸臂梁粘附特性1).根據(jù)該被測(cè)梁的材料參數(shù)，即材料密度ρ為2.331g/cm3、楊氏模量E為160Gpa；以及被測(cè)梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即長(zhǎng)l＝100μm、寬＝4μm、高＝2μm，由振動(dòng)理論可得到懸臂梁的一階固有頻率為λ1=(1.875l)2hE12ρ,]]>計(jì)算出結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率理論值＝1.712×106Hz；2).使用多普勒測(cè)振儀，將其激光束聚焦在被測(cè)梁結(jié)構(gòu)的固支端附近，加載掃頻激勵(lì)信號(hào)，頻率從1Hz～2MHz、幅度為3v，具體方法可以使用函數(shù)發(fā)生器激勵(lì)或者壓電陶瓷片激勵(lì)，測(cè)試出被測(cè)樣品振動(dòng)的固有頻率值＝1.976×106Hz；3).對(duì)比固有頻率的實(shí)際測(cè)量值與固有頻率理論計(jì)算值，如果實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值相同，則說(shuō)明被測(cè)微梁結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生粘附；如果實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值相差較大，則可以判斷被測(cè)微梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了粘附。從上面的結(jié)果可以看出，固有頻率實(shí)際測(cè)量值比理論值大，可以判斷被測(cè)微梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了粘附。
對(duì)于懸臂梁，若其發(fā)生完全粘附，則梁結(jié)構(gòu)不會(huì)振動(dòng)。若其不發(fā)生粘附，則測(cè)得的固有頻率與理論值應(yīng)該相同。若其發(fā)生部分粘附，自由端會(huì)與襯底粘在一起，梁的結(jié)構(gòu)類型變?yōu)殡p端固支梁，有效長(zhǎng)度會(huì)減小，固有頻率將作相應(yīng)變化，通過(guò)對(duì)比幅頻特性曲線，即可判斷出微梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生粘附。
對(duì)于雙端固支梁，若其發(fā)生完全粘附，則梁結(jié)構(gòu)不會(huì)振動(dòng)。若其不發(fā)生粘附，則測(cè)得的固有頻率與理論值應(yīng)該相同。若其發(fā)生部分粘附，其結(jié)構(gòu)會(huì)變成兩個(gè)或者多個(gè)雙端固支梁，有效長(zhǎng)度明顯減小，固有頻率會(huì)發(fā)生較大變化，通過(guò)對(duì)比幅頻特性曲線，即可判斷出微梁結(jié)構(gòu)是否粘附。
權(quán)利要求
1.一種微懸臂梁和雙端固支梁粘附特性的檢測(cè)方法，其特征在于該檢測(cè)方法使用多普勒測(cè)振儀檢測(cè)微懸臂梁和雙端固支梁的粘附特性，具體測(cè)試流程為1).根據(jù)被測(cè)梁的材料參數(shù)，包括材料密度、楊氏模量；以及被測(cè)梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括長(zhǎng)、寬、高，計(jì)算出被測(cè)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率理論值；2).使用多普勒測(cè)振儀，將其激光束聚焦在被測(cè)梁結(jié)構(gòu)的固支端附近，加載掃頻激勵(lì)信號(hào)，具體方法可以使用函數(shù)發(fā)生器激勵(lì)或者壓電陶瓷片激勵(lì)，測(cè)試出被測(cè)樣品振動(dòng)的固有頻率值；3).對(duì)比固有頻率的實(shí)際測(cè)量值與固有頻率理論計(jì)算值，如果實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值相同，則說(shuō)明被測(cè)微梁結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生粘附；如果實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值相差較大，則可以判斷被測(cè)微梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了粘附。
全文摘要
微梁結(jié)構(gòu)粘附特性的檢測(cè)方法是一種專門用于檢測(cè)微梁結(jié)構(gòu)粘附的方法，其特征在于當(dāng)微梁結(jié)構(gòu)(懸臂梁及雙端固支梁)完全或者部分發(fā)生粘附時(shí)，其結(jié)構(gòu)形狀和有效長(zhǎng)度將發(fā)生改變，根據(jù)振動(dòng)力學(xué)原理，從而導(dǎo)致微梁的振動(dòng)的固有頻率發(fā)生變化。該方法基于多普勒儀(Doppler)測(cè)振系統(tǒng)，多普勒儀(Doppler)的函數(shù)發(fā)生器驅(qū)待測(cè)樣品振動(dòng)，加載掃頻信號(hào)，將激光束聚焦在梁結(jié)構(gòu)上，就會(huì)得到梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的幅頻特性。通過(guò)對(duì)比測(cè)得的固有頻率值和理論值，即可判斷出梁結(jié)構(gòu)是否與襯底粘附在一起。該方法具有創(chuàng)新性，結(jié)構(gòu)上具有代表性，可以動(dòng)態(tài)測(cè)試，以及精度高、可靠度高、快捷等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M7/02GK101017109SQ200710020548
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月12日
發(fā)明者唐潔影, 呂勁楠, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)