一種電-熱驅(qū)動式微機電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)梁疲勞強度的測試結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種電-熱驅(qū)動式微機電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)梁疲勞強度的測試結(jié)構(gòu)，包括襯底、沉積于襯底上表面的下極板、連接在襯底上表面上的錨區(qū)、通過錨區(qū)的支撐而懸置在襯底上方的門字型結(jié)構(gòu)和被測微梁，整個測試結(jié)構(gòu)關(guān)于縱向中軸線L完全對稱。所述門字型結(jié)構(gòu)由上極板和與之相垂直的兩根縱梁組成，縱梁的一端與上極板連接，另一端固定在一個錨區(qū)的側(cè)面；所述下極板位于上極板正下方，由尺寸形狀完全相同且左右并行排列的兩塊下電極構(gòu)成；所述被測微梁平行于兩根縱梁并介于它們之間，一端與上極板內(nèi)側(cè)的中部連接，另一端固定在一個錨區(qū)側(cè)面。該發(fā)明結(jié)構(gòu)中的上極板與兩塊并行排列的下級板既可用作為被測梁扭轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動，也可用于拉伸斷裂強度的測量，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，便于測量。
【專利說明】-種電-熱驅(qū)動式微機電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)梁疲勞強度的測試結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微機電系統(tǒng)（MEMS)微梁斷裂強度的測試領(lǐng)域，尤其是一種扭轉(zhuǎn) 梁疲勞強度的測試結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 微納材料的力學(xué)性能直接影響MEMS器件的性能和可靠性。因此，準確測量材料的 力學(xué)性能是高性能MEMS器件的保障。扭轉(zhuǎn)梁是MEMS器件中常見的一種可動結(jié)構(gòu)，在MEMS 光開關(guān)、微掃描鏡、MEMS慣性等器件中經(jīng)常出現(xiàn)。然而，當(dāng)梁因應(yīng)用需要而反復(fù)扭轉(zhuǎn)后，必 然會發(fā)生疲勞，拉伸強度下降，影響器件的性能甚至完全失效。疲勞強度是重要力學(xué)性能之 一，它與薄膜材料的淀積工藝、刻蝕工藝、微結(jié)構(gòu)和幾何形狀有關(guān)，因此通過理論計算或軟 件模擬無法準確獲知。實際中，更多地是采用測試方法獲取疲勞信息。MEMS結(jié)構(gòu)的疲勞特 性，一般通過加載循環(huán)載荷，實測應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線來反映，也可以通過測量循環(huán)載荷下 機械結(jié)構(gòu)諧振頻率或者吸合電壓的變化來反映結(jié)構(gòu)的損傷及裂紋傳播。前者主要反映結(jié)構(gòu) 的疲勞壽命，而后者能夠反映因疲勞引起微結(jié)構(gòu)性能衰變的過程。由于微結(jié)構(gòu)尺寸小，諧 振頻率高，因此諧振頻率的測試需要借助于復(fù)雜的電路系統(tǒng)或成本較高的多普勒測振設(shè)備 等。此外，電壓到達吸合電壓附近時，梁突然吸合，因此精確捕獲吸合電壓值很困難。本發(fā) 明利用簡單的分立的平板電容結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)MEMS粱的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動和拉伸強度測試，方便易行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單易于操作的電-熱驅(qū)動式扭轉(zhuǎn)梁疲 勞特性的測試結(jié)構(gòu)和方法，利用平板電容結(jié)構(gòu)方便的實現(xiàn)周期性扭轉(zhuǎn)載荷的加載和拉伸強 度的測試。
[0004] 技術(shù)方案：本發(fā)明的一種電-熱驅(qū)動式微機電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)梁疲勞強度的測試結(jié)構(gòu)， 該測試結(jié)構(gòu)包括襯底、下電極板、被測微梁、門字型結(jié)構(gòu)和錨區(qū)，整個測試結(jié)構(gòu)關(guān)于縱向中 軸線L完全對稱；
[0005] 所述下極板由尺寸和形狀完全相同且左右并行排列的第一下電極和第二下電極 構(gòu)成沉積于襯底的上表面，位于上極板的正下方；
[0006] 所述錨區(qū)包括第一錨區(qū)所述門字型結(jié)構(gòu)由上極板和與之相垂直的第一縱梁和第 二縱梁組成，第一縱梁和第二縱梁的一端分別連接在上極板的兩端，兩縱梁的另一端分別 固定在第一錨區(qū)和第二錨區(qū)的側(cè)面；
[0007] 所述被測微梁介于第一縱梁和第二縱梁之間，并與它們平行，一端連接在上極板 內(nèi)側(cè)的中部，另一端固定在第三錨區(qū)的側(cè)面；
[0008] 所述第一縱梁、第二縱梁、上極板、以及被測懸臂梁位于同一平面，該平面通過錨 區(qū)的支撐懸置在襯底上方，與襯底所在平面平行。
[0009] 所述下電極板上涂覆有介質(zhì)薄層，第一下電極和第二下電極與上極板之間分別形 成兩個平板電容Cl和C2。
[0010] 測試結(jié)構(gòu)中一塊上極板與兩塊下極板之間形成兩個平板電容，若在上極板與兩塊 下極板之間交替施加電壓，上極板關(guān)于中線L的左右兩側(cè)在靜電力的作用下也隨之上下?lián)u 擺，進而帶動被測梁左右扭轉(zhuǎn)，實現(xiàn)周期性扭轉(zhuǎn)載荷的加載；若對門字型結(jié)構(gòu)通電加熱，縱 梁受熱膨脹使上極板向前移動，可拉伸被測微梁，且上下極板間的相對面積隨之減小，電容 逐漸下降。上下極板間的電容發(fā)生變化，當(dāng)拉伸作用使被測微梁發(fā)生斷裂的瞬間，電容明顯 變小，通過電容的變化可確定被測樣品扭轉(zhuǎn)疲勞的信息。
[0011] 有益效果：該發(fā)明結(jié)構(gòu)中的上極板與兩塊并行排列的下級板構(gòu)成的兩平板電容， 既可用作為被測梁扭轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動，也可用于拉伸斷裂強度的測量，設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、 易于加工、便于測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0013] 圖2為襯底頂面的示意圖。

【具體實施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0015] 結(jié)合圖1和圖2所示，一種電-熱驅(qū)動式MEMS扭轉(zhuǎn)梁疲勞強度的測試結(jié)構(gòu)：包括 襯底1、下極板、被測懸臂梁3、門字型結(jié)構(gòu)4和錨區(qū)，整個測試結(jié)構(gòu)關(guān)于縱向中軸線L完全 對稱；
[0016] 下極板沉積于襯底1的上表面，由尺寸和形狀完全相同且左右并行排列的兩塊下 極板即第一下極板201和第二下極板202構(gòu)成；
[0017] 錨區(qū)連接在襯底1上，包括第一錨區(qū)501、第二錨區(qū)502和第三錨區(qū)503 ;
[0018] 門字型結(jié)構(gòu)4由上極板403和與之相垂直的第一縱梁401和第二縱梁402組成， 第一縱梁401和第二縱梁402的一端分別連接在上極板403的兩末端，另一端固定在各自 的第一錨區(qū)501和第二錨區(qū)502的側(cè)面；
[0019] 被測微梁3介于兩根縱梁即第一縱梁401和第二縱梁402之間，并與它們平行，一 端連接在上極板403內(nèi)側(cè)的中部，另一端固定在第三錨區(qū)503的側(cè)面；
[0020] 第一縱梁401、第二縱梁402、上極板403、以及被測微梁3位于同一平面，該平面 通過錨區(qū)的支撐懸置在襯底1上方，與沉積于襯底1上表面的第一下極板201和第二下極 板202所在平面平行，上極板403與第一下極板201和第二下極板202之間分別形成兩個 平板電容Cl和C2。
[0021] 當(dāng)在上極板403與兩塊下極板之間交替施加電壓時，上極板403關(guān)于中線L的左 右兩側(cè)在靜電力的作用下會隨之上下?lián)u擺，進而帶動被測梁3左右扭轉(zhuǎn)，實現(xiàn)周期性扭轉(zhuǎn) 載荷的加載；若對門字型結(jié)構(gòu)4通電加熱，第一縱梁401和第二縱梁402受熱膨脹使上極板 403向前移動而拉伸被測微梁3,且上極板403與第一下極板201和第二下極板202之間的 相對面積減小，平板電容Cl和C2隨之下降。顯然，第一縱梁401和第二縱梁402伸展越多， 電容Cl和C2越小，當(dāng)拉伸作用使被測微梁3發(fā)生斷裂的瞬間，電容Cl和C2會明顯變小， 通過電容的變化可確定被測微梁經(jīng)周期性扭轉(zhuǎn)后的拉伸強度即扭轉(zhuǎn)疲勞強度。
[0022] 該測量結(jié)構(gòu)的制備可采用常規(guī)的MEMS表面加工工藝，也可采用體加工工藝。這里 以表面加工工藝為例，襯底1的材料可用單晶硅、犧牲層可用磷硅玻璃（PSG)、結(jié)構(gòu)層（上極 板、第一縱梁401、第二縱梁402、被測梁）可為摻雜的多晶硅P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201和202為摻雜多晶硅，且表面沉積一層薄介質(zhì)層，可以 是SiO 2等常用材料。
[0023] 被測懸臂梁扭轉(zhuǎn)疲勞后的拉伸強度的測試方法如下：
[0024] 1)在上極板403與兩塊下極板之間交替施加電壓，電壓大小一般為幾伏?幾十 伏，在靜電力的作用下，上極板403隨外加電壓的變化左右交替靠近下極板。
[0025] 2)持續(xù)步驟1)，由于上極板403關(guān)于中線L的左右兩側(cè)周期性的上下?lián)u擺，進而 帶動被測梁3左右扭轉(zhuǎn)。
[0026] 3)經(jīng)過一定循環(huán)周期，被測微梁3的強度可能因扭轉(zhuǎn)疲勞而發(fā)生了變化，這時轉(zhuǎn) 為拉伸強度的測試。
[0027] 4)停止上極板403與下極板之間的電壓加載，改為在第一錨區(qū)501和第二錨區(qū) 502之間施加電壓，這時流經(jīng)門子型結(jié)構(gòu)的電流使第一縱梁401、第二縱梁402受熱發(fā)生膨 脹。
[0028] 5)第一縱梁401、第二縱梁402發(fā)生熱膨脹后推動上極板403向前方移動而拉伸 被測梁3,同時上極板403與第一下極板201和第二下極板202之間的相對面積減小，電容 Cl和C2相應(yīng)地下降。顯然，縱梁伸展越多，電容Cl和C2越小。
[0029] 6)逐漸加大施加在第一錨區(qū)501和第二錨區(qū)502之間的電壓，直至被測微梁發(fā)生 斷裂，門子型結(jié)構(gòu)的負載突然消失，這時的電容Cl和C2明顯變小。記錄電容Cl和C2的變 化
[0030] 測試中取另一完全相同的測試結(jié)構(gòu)作為參考結(jié)構(gòu)，上述1)?3)步驟舍去，也就是 說被測梁自始至終不受扭轉(zhuǎn)作用。只進行4)?6)步驟。
[0031] 通過記錄和分析扭轉(zhuǎn)梁疲勞強度的測試結(jié)構(gòu)中電容Cl和C2的變化，并與參考測 試結(jié)構(gòu)的電容情況加以比較，即可確定被測樣品扭轉(zhuǎn)疲勞的信息。
[0032] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種電-熱驅(qū)動式微機電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)梁疲勞強度的測試結(jié)構(gòu)，其特征在于：該測試結(jié) 構(gòu)包括襯底（1)、下電極板、被測微梁（3)、門字型結(jié)構(gòu)和錨區(qū)，整個測試結(jié)構(gòu)關(guān)于縱向中軸 線L完全對稱； 所述下極板由尺寸和形狀完全相同且左右并行排列的第一下電極（201)和第二下電極 (202)構(gòu)成沉積于襯底（1)的上表面，位于上極板（403)的正下方； 所述錨區(qū)包括第一錨區(qū)（501)、第二錨區(qū)（502)和第三錨區(qū)（503)，連接在襯底（1)上； 所述門字型結(jié)構(gòu)（4)由上極板（403)和與之相垂直的第一縱梁（401)和第二縱梁（402) 組成，第一縱梁（401)和第二縱梁（402)的一端分別連接在上極板（403)的兩端，兩縱梁的 另一端分別固定在第一錨區(qū)（501)和第二錨區(qū)（502)的側(cè)面； 所述被測微梁（3)介于第一縱梁（401)和第二縱梁（402)之間，并與它們平行，一端連 接在上極板（403)內(nèi)側(cè)的中部，另一端固定在第三錨區(qū)（503)的側(cè)面； 所述第一縱梁（401)、第二縱梁（402)、上極板（403)、以及被測懸臂梁（3)位于同一平 面，該平面通過錨區(qū)（5 )的支撐懸置在襯底（1)上方，與襯底（1)所在平面平行。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種電-熱驅(qū)動式微機電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)梁疲勞強度的測試結(jié)構(gòu)，其 特征在于：所述下電極板上涂覆有介質(zhì)薄層，第一下電極（201)和第二下電極（202)與上極 板（403)之間分別形成兩個平板電容C1和C2。
【文檔編號】G01M13/00GK104390777SQ201410763887
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】唐潔影, 王磊 申請人:東南大學(xué)