一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，包括襯底、兩塊下極板和上極板、左橫梁、右橫梁和兩個(gè)錨區(qū)；下極板沉積于襯底上表面；兩個(gè)錨區(qū)置于襯底上；上極板懸置在下極板上方；左橫梁和右橫梁完全相同，分別位于上極板的橫向中軸線L兩側(cè)，且相距中軸線L的距離相等；左橫梁的右側(cè)連接上極板左側(cè)，左橫梁的左側(cè)固定在一個(gè)錨區(qū)側(cè)面；右橫梁的左側(cè)連接上極板右側(cè)，右橫梁的右側(cè)固定在另一個(gè)錨區(qū)側(cè)面；上極板與左橫梁和右橫梁位于同一平面。該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工且測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單、精度高，通過(guò)增加測(cè)試結(jié)構(gòu)中電容上、下極板的面積可以提高測(cè)量精度，且發(fā)明中采用的上極板旋轉(zhuǎn)方法比平移方法易于獲得更大的電容變化。
【專利說(shuō)明】一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試領(lǐng)域，尤其是一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS 是微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems)的縮寫。MEMS 把電子技術(shù)與機(jī)械特性有機(jī)地結(jié)合了起來(lái)，通過(guò)懸浮結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)物理、化學(xué)、生物等方面的功能。MEMS的加工方法有很多種，表面微機(jī)械加工工藝是常用方法之一，通過(guò)在硅片上連續(xù)生長(zhǎng)功能層、結(jié)構(gòu)層、犧牲層的工藝來(lái)制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用選擇性腐蝕去除結(jié)構(gòu)層下面的犧牲層，得到懸浮于襯底表面附近的微結(jié)構(gòu)。
[0003]但是，在表面微機(jī)械加工過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，過(guò)大的殘余應(yīng)力會(huì)造成薄膜結(jié)構(gòu)破裂或變形。因此，必須重視殘余應(yīng)力的測(cè)試和分析，并反饋之設(shè)計(jì)中，以保證設(shè)計(jì)和制造的MEMS器件具備良好的性能指標(biāo)。如何在不增加多少成本的情況下，完成殘余應(yīng)力的測(cè)試工作，成為了研究工作需要解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了客服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作的一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，以及時(shí)檢測(cè)表面微機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
[0005]技術(shù)方案:一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括襯底、兩塊下極板和上極板、左橫梁、右橫梁和兩個(gè)錨區(qū)；
[0006]下極板沉積于襯底上表面；兩個(gè)錨區(qū)置于襯底上；
[0007]上極板懸置在下極板上方；所述左橫梁和右橫梁完全相同，分別位于上極板的橫向中軸線L兩側(cè)，且相距中軸線L的距離相等；左橫梁的右側(cè)連接上極板左側(cè)，左橫梁的左側(cè)固定在一個(gè)錨區(qū)側(cè)面；右橫梁的左側(cè)連接上極板右側(cè)，右橫梁的右側(cè)固定在另一個(gè)錨區(qū)側(cè)面；上極板與左橫梁和右橫梁位于同一平面，該平面與襯底所在平面平行；
[0008]兩塊下極板分別位于上極板前后兩端的下方；兩塊下極板的同一側(cè)與上極板對(duì)齊，另一側(cè)超出上極板的覆蓋范圍；兩塊下極板被上極板遮蔽的面積相同；下極板與上極板之間分別形成平板電容Cl和C2。
[0009]下極板涂覆有相同的介質(zhì)層，該介質(zhì)薄層材料為氮化硅。下極板材料為摻雜多晶硅。兩塊下極板為兩個(gè)完全相同的矩形。
[0010]下極板和上極板的材料相同。
[0011]有益效果:
[0012](I)測(cè)試結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工；
[0013](2)測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需使用大型設(shè)備；
[0014](3)精度高，通過(guò)增加測(cè)試結(jié)構(gòu)中電容上、下極板的面積可以提高測(cè)量精度，且發(fā)明中采用的上極板旋轉(zhuǎn)方法比平移方法易于獲得更大的電容變化。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
[0016]圖2為襯底頂面示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0018]結(jié)合圖1和圖2所示，一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括襯底1、兩塊下極板2和上極板3、左橫梁41、右橫梁42和兩個(gè)錨區(qū)5 ；
[0019]下極板2沉積于襯底I上表面；兩個(gè)錨區(qū)5置于襯底I上；
[0020]上極板3懸置在下極板2上方；所述左橫梁41和右橫梁42完全相同，分別位于上極板3的橫向中軸線L兩側(cè)，且相距中軸線L的距離相等；本實(shí)例中選擇的是左高右低，實(shí)際中只要兩個(gè)橫梁相距中軸線L的距離相等即可。左橫梁41的右側(cè)連接上極板3左側(cè)，左橫梁41的左側(cè)固定在一個(gè)錨區(qū)5側(cè)面；右橫梁42的左側(cè)連接上極板3右側(cè)，右橫梁42的右側(cè)固定在另一個(gè)錨區(qū)5側(cè)面；上極板3與左橫梁41和右橫梁42位于同一平面，該平面與襯底I所在平面平行；
[0021]兩塊下極板2分別位于上極板3前后兩端的下方；兩塊下極板2的同一側(cè)與上極板3對(duì)齊，另一側(cè)超出上極板3的覆蓋范圍；兩塊下極板2被上極板3遮蔽的面積相同；下極板A21與上極板3之間形成平板電容Cl，下極板B22與上極板3之間形成平板電容C2。
[0022]下極板2涂覆有相同的介質(zhì)層，該介質(zhì)薄層材料為氮化硅。下極板2材料為摻雜多晶硅。兩塊下極板2為兩個(gè)完全相同的矩形。
[0023]下極板2和上極板3的材料相同。該測(cè)量結(jié)構(gòu)的制備采用常規(guī)的MEMS表面加工工藝。例如，襯底I的材料可用單晶硅、犧牲層可用磷硅玻璃(PSG)或二氧化硅等常用材料；結(jié)構(gòu)層(即上極板3和直角梁4)可用摻雜的多晶硅，常采用濕法腐蝕的方法去除犧牲層而釋放出結(jié)構(gòu)層。下極板為摻雜多晶硅，且表面沉積一層薄介質(zhì)層，可以是Si02也可以是SiN等常用材料。為了測(cè)試時(shí)能夠方便的分辨出電容Cl和C2，加工中可以在襯底處添加標(biāo)記。需要指出的是，以上材料的選擇不僅限于提到的優(yōu)選材料，也可選擇金屬工藝。此處下極板也可以選擇金屬材料，優(yōu)選金或鋁，因?yàn)樯舷聵O板材料相同，上極板若選擇摻雜的多晶娃，則下極板也選擇摻雜的多晶娃；若上極板選擇金屬材料，則下極板也選擇金屬材料。
[0024]表面微機(jī)械加工必須在襯底上生長(zhǎng)犧牲層、結(jié)構(gòu)層等，其中淀積、退火等工藝過(guò)程中的溫度變化不可避免地使結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。若殘余應(yīng)力為張應(yīng)力，結(jié)構(gòu)層釋放后會(huì)產(chǎn)生收縮；而殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)層釋放后會(huì)產(chǎn)生伸展。利用這種結(jié)構(gòu)變化造成的電容變化，可對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法如下:
[0025](為了方便辨別，分別標(biāo)示圖1中相對(duì)位于上方的下極板A為21，位于方的下極板B 為 22)
[0026]I)存在張應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)層釋放后，連接于上極板3兩側(cè)的橫梁41和42發(fā)生收縮，長(zhǎng)度變短，所形成的力矩帶動(dòng)上極板3按逆時(shí)針?lè)较蛩叫D(zhuǎn)。這時(shí)，上極板3與下極板A21之間對(duì)應(yīng)的面積基本不變，但上極板3與下極板B22之間對(duì)應(yīng)的面積隨著上極板3旋轉(zhuǎn)角度的增大而減小。因此，張應(yīng)力使電容Cl大于電容C2，且C2與Cl的差越大,張應(yīng)力越大。
[0027]2)存在壓應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)層釋放后，連接于上極板3兩側(cè)的橫梁41和42發(fā)生伸展，長(zhǎng)度變長(zhǎng)，所形成的力矩帶動(dòng)上極板3按順時(shí)針?lè)较蛩叫D(zhuǎn)。這時(shí)，上極板3與下極板B22之間對(duì)應(yīng)的面積基本不變，但上極板3與下極板2之間對(duì)應(yīng)的面積隨著上極板3旋轉(zhuǎn)角度的增大而減小。因此，壓應(yīng)力使電容Cl小于電容C2，且C2與Cl的差越大，壓應(yīng)力越大。
[0028]3)表面微機(jī)械加工未產(chǎn)生殘余應(yīng)力時(shí)，釋放后結(jié)構(gòu)層長(zhǎng)度不變，上極板3不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，電容Cl等于電容C2。
[0029]因此，對(duì)于釋放后的測(cè)試結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量上極板3與下極板2之間的電容Cl、上極板3與下極板B22之間的電容C2，比較Cl與C2間的相對(duì)大小，即可方便地推測(cè)上極板3因應(yīng)力釋放而發(fā)生水平旋轉(zhuǎn)的方向和角度大小。根據(jù)上極板3轉(zhuǎn)動(dòng)的方向可以判斷出結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力是張應(yīng)力還是壓應(yīng)力；根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小可以推測(cè)應(yīng)力的大小。
[0030]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu),其特征在于:包括襯底(I)、兩塊下極板(2 )和上極板(3 )、左橫梁(41)、右橫梁(42 )和兩個(gè)錨區(qū)(5 ); 所述下極板(2)沉積于襯底(I)上表面； 所述兩個(gè)錨區(qū)(5 )置于襯底(I)上； 所述上極板(3)懸置在下極板(2)上方；所述左橫梁(41)和右橫梁(42)完全相同，分別位于上極板(3)的橫向中軸線L兩側(cè)，且相距中軸線L的距離相等；左橫梁(41)的右側(cè)連接上極板(3)左側(cè)，左橫梁(41)的左側(cè)固定在一個(gè)錨區(qū)(5)側(cè)面；右橫梁(42)的左側(cè)連接上極板(3 )右側(cè)，右橫梁(42 )的右側(cè)固定在另一個(gè)錨區(qū)(5 )側(cè)面；上極板(3 )與左橫梁(41)和右橫梁(42)位于同一平面，該平面與襯底(I)所在平面平行； 所述兩塊下極板(2)分別位于上極板(3)前后兩端的下方；兩塊下極板(2)的同一側(cè)與上極板(3)對(duì)齊，另一側(cè)超出上極板(3)的覆蓋范圍；兩塊下極板(2)被上極板(3)遮蔽的面積相同； 所述下極板(2)與上極板(3)之間分別形成平板電容Cl和C2。
2.如權(quán)利要求1所述的一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板(2)涂覆有相同的介質(zhì)層，該介質(zhì)薄層材料為氮化硅。
3.如權(quán)利要求1所述的一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板(2)材料為摻雜多晶硅。
4.如權(quán)利要求1所述的一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述兩塊下極板(2)為兩個(gè)完全相同的矩形。
5.如權(quán)利要求1所述的一種偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板(2)和上極板(3)的材料相同。
【文檔編號(hào)】G01L1/14GK103604533SQ201310611720
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】唐潔影, 王磊, 蔣明霞 申請(qǐng)人:東南大學(xué)