一種基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的mems微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(文中簡(jiǎn)稱MEMS)中，通過(guò)MEMS微機(jī)械加工技術(shù)制造的MEMS懸臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)力梯度測(cè)試的技術(shù)領(lǐng)域。具體來(lái)說(shuō)，涉及一種基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力主要來(lái)源于熱應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力。各薄膜層因熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生為熱應(yīng)力；晶格失配、雜質(zhì)原子、晶界弛豫……等微觀結(jié)構(gòu)的變化所產(chǎn)生的應(yīng)力為內(nèi)應(yīng)力(也稱本征應(yīng)力)；當(dāng)材料表面不是很致密，環(huán)境中一些極性分子會(huì)吸附在空隙上，吸附的極性分子之間的互作用產(chǎn)生的應(yīng)力為外應(yīng)力。因此，在MEMS工藝過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，當(dāng)沿材料厚度方向應(yīng)力分布非均勻即存在應(yīng)力梯度時(shí)，懸臂梁結(jié)構(gòu)或雙端固定的固支梁結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)被釋放后(腐蝕掉梁下層的支撐犧牲層，使梁懸置)，會(huì)出現(xiàn)離面彎曲或屈曲，直接影響著器件的性能。因此，重視MEMS結(jié)構(gòu)中應(yīng)力梯度的測(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)，是非常必要的。關(guān)于應(yīng)力梯度的測(cè)試，最常見(jiàn)的方法是借助于精密的光學(xué)設(shè)備，利用光學(xué)干涉技術(shù)而獲知梁因應(yīng)力梯度造成的彎曲變形。但是，通過(guò)測(cè)試結(jié)構(gòu)的專門設(shè)計(jì)，往往可以降低對(duì)測(cè)試設(shè)備的要求，且便于直接從測(cè)量信號(hào)中讀取材料特性的參數(shù)。
[0003]本發(fā)明提出一種基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法，通過(guò)顯微觀測(cè)和比對(duì)各被測(cè)梁兩兩間的間距變化，完成對(duì)懸臂梁彎曲情況的檢測(cè)。本測(cè)試方法只需借助一般光學(xué)顯微鏡來(lái)觀測(cè)，與常用光學(xué)干涉方法相比，降低了對(duì)觀測(cè)設(shè)備的要求，且觀測(cè)方法直觀、方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)，通過(guò)顯微觀測(cè)和多方比對(duì)釋放前后各被測(cè)梁兩兩間的間距變化，獲取應(yīng)力梯度的具體信息。同時(shí)本發(fā)明還提供了基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的具體測(cè)試方法，操作方便，
結(jié)果可靠。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)，包括襯底、三條矩形錨區(qū)、八根被測(cè)懸臂梁和四根參考梁；
[0006]所述三條矩形錨區(qū)從左至右相互平行的依次排列，形成最左邊矩形錨區(qū)、最右邊矩形錨區(qū)、中間矩形錨區(qū)，并固定在襯底的上表面上；
[0007]所述八根被測(cè)懸臂梁和四根參考梁的長(zhǎng)度和形狀相同，被分為完全相同的四組梁，每組梁由平行放置的兩根被測(cè)懸臂梁和一根參考梁組成，參考梁位于兩根被測(cè)懸臂梁的正中間，并且參考梁固定連接在襯底表面上；
[0008]所述四組梁的第一組梁固定在最左邊矩形錨區(qū)的右側(cè)面上，第二組梁和第三組梁分別固定在中間矩形錨區(qū)的左、右兩側(cè)面上，第四組梁固定在最右邊矩形錨區(qū)的左側(cè)面上；
[0009]所述整個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)關(guān)于中心縱橫軸完全對(duì)稱。
[0010]測(cè)試中，當(dāng)懸臂梁因應(yīng)力梯度的存在而產(chǎn)生向上或向下的彎曲時(shí)，通過(guò)顯微觀測(cè)各被測(cè)梁兩兩間的間距變化和比對(duì)參考梁，即可確定被測(cè)懸臂梁的彎曲程度，獲取應(yīng)力梯度信息。多組梁的多種比對(duì)，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。本測(cè)試方法與常用光學(xué)干涉方法相比，降低了對(duì)觀測(cè)設(shè)備的要求，直觀、方便。
[0011]上述基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其測(cè)量應(yīng)力梯度的具體步驟如下:
[0012]I)將釋放工序前、后的測(cè)試結(jié)構(gòu)分別置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)根據(jù)被測(cè)結(jié)構(gòu)的尺寸而定，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距直至被測(cè)結(jié)構(gòu)的圖像清晰可見(jiàn)，分別記錄被測(cè)結(jié)構(gòu)釋放工序前后的俯視圖像；
[0013]2)觀測(cè)和分析顯微圖像，將各被測(cè)梁與相鄰的參考梁進(jìn)行比對(duì)，測(cè)量釋放前后兩者的長(zhǎng)度是否相同；相同表明無(wú)應(yīng)力梯度存在，反之存在應(yīng)力梯度，測(cè)量并記錄兩者的差；
[0014]3)觀測(cè)和分析顯微圖像，比對(duì)兩組梁中對(duì)應(yīng)梁之間的間距變化，分別測(cè)量四對(duì)梁末端之間的間距，與相鄰的參考梁末端之間的間距比對(duì)，無(wú)差異表明不存在應(yīng)力梯度，反之有應(yīng)力梯度存在，測(cè)量并記錄差異；
[0015]4)綜合2)和3)的測(cè)試結(jié)果，相互印證，合理取值，獲取更加可靠的測(cè)試結(jié)果。
[0016]有益效果:本發(fā)明通過(guò)顯微觀測(cè)各被測(cè)梁釋放前后兩兩間的間距變化來(lái)確定應(yīng)力梯度，與常用光學(xué)干涉方法相比，降低了對(duì)觀測(cè)設(shè)備的要求;設(shè)計(jì)了多組被測(cè)梁和參考梁，通過(guò)比對(duì)組內(nèi)和組間各梁之間的間距變化，獲取各方信息，相互印證使測(cè)試結(jié)果更加可靠和精確。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019]如圖1所示，一種基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)，襯底1、三條矩形錨區(qū) 201，202，203、八根被測(cè)懸臂梁 401-1，401-2 ； 402-1,402-2 ； 403-1,403-2 ； 404-1，404-2和四根固定在襯底上的參考梁301 ； 302-1，302-2 ； 303。
[0020]所述三條矩形錨區(qū)201，202，203從左至右相互平行的依次排列，并固定在襯底I的上表面上;所述長(zhǎng)度相同的八根被測(cè)懸臂梁和四根參考梁被分為完全相同的四組(401-1，301，401-2)、(402-1，302-1，402-2)、(402-3,302-2,402-4)、(403-1,303,403-2)，每組由相互平行的兩根被測(cè)懸臂梁和一根參考梁組成，參考梁位于兩被測(cè)懸臂梁的正中間；所述四組梁分別固定在矩形錨區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，其中第一組梁(401-1，301，401-2)固定在最左邊矩形錨區(qū)201的右側(cè)面上，第二組梁(402-l，302-l，402-2)和第三組梁(402-3，302-2，402-
4)分別固定在中間矩形錨區(qū)202的左右兩個(gè)側(cè)面上，第四組梁(403-l，303，403-2)固定在最右邊矩形錨區(qū)203的左側(cè)面上;所述整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)于中心縱橫軸完全對(duì)稱。
[0021]當(dāng)懸臂梁因應(yīng)力梯度的存在而產(chǎn)生向上或向下的彎曲時(shí)，通過(guò)顯微觀測(cè)和比對(duì)各被測(cè)梁兩兩間的間距變化，即可確定被測(cè)懸臂梁的彎曲程度，獲取應(yīng)力梯度信息。多組梁的多種比對(duì)，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。
[0022]上述基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其測(cè)量應(yīng)力梯度的具體原理和步驟如下:
[0023]I)將釋放工序前、后的測(cè)試結(jié)構(gòu)分別置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)根據(jù)被測(cè)結(jié)構(gòu)的尺寸而定，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距直至被測(cè)結(jié)構(gòu)的圖像清晰可見(jiàn)，分別記錄被測(cè)結(jié)構(gòu)釋放工序前后的俯視圖像。
[0024]2)觀測(cè)和分析顯微圖像，將各被測(cè)梁4與相鄰的參考梁3進(jìn)行比對(duì)，測(cè)量釋放前后兩者的長(zhǎng)度是否相同。相同表明無(wú)應(yīng)力梯度存在，反之存在應(yīng)力梯度，測(cè)量并記錄兩者的差。
[0025]3)觀測(cè)和分析顯微圖像，比對(duì)兩組梁中對(duì)應(yīng)梁之間的間距變化，如401-1和402-1，401-2和402-2，403-1和402-3，403-2和402-4四對(duì)梁，分別測(cè)量四對(duì)梁末端之間的間距，與相鄰的參考梁對(duì)(301和302-1)、(303和302-2)末端之間的間距比對(duì)，無(wú)差異表明不存在應(yīng)力梯度，反之有應(yīng)力梯度存在，測(cè)量并記錄差異。
[0026]4)綜合2)和3)的測(cè)試結(jié)果，相互印證，合理取值，獲取更加可靠的測(cè)試結(jié)果。
[0027]以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括襯底、三條矩形錨區(qū)、八根被測(cè)懸臂梁和四根參考梁； 所述三條矩形錨區(qū)從左至右相互平行的依次排列，形成最左邊矩形錨區(qū)、最右邊矩形錨區(qū)、中間矩形錨區(qū)，并固定在襯底的上表面上； 所述八根被測(cè)懸臂梁和四根參考梁的長(zhǎng)度和形狀相同，被分為完全相同的四組梁，每組梁由平行放置的兩根被測(cè)懸臂梁和一根參考梁組成，參考梁位于兩根被測(cè)懸臂梁的正中間，并且參考梁固定連接在襯底表面上； 所述四組梁的第一組梁固定在最左邊矩形錨區(qū)的右側(cè)面上，第二組梁和第三組梁分別固定在中間矩形錨區(qū)的左、右兩側(cè)面上，第四組梁固定在最右邊矩形錨區(qū)的左側(cè)面上； 所述整個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)關(guān)于中心縱橫軸完全對(duì)稱。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)的測(cè)試方法，其特征在于:具體步驟如下: 1)將釋放工序前、后的測(cè)試結(jié)構(gòu)分別置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)根據(jù)被測(cè)結(jié)構(gòu)的尺寸而定，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距直至被測(cè)結(jié)構(gòu)的圖像清晰可見(jiàn)，分別記錄被測(cè)結(jié)構(gòu)釋放工序如后的俯視圖像； 2)觀測(cè)和分析顯微圖像，將各被測(cè)梁與相鄰的參考梁進(jìn)行比對(duì)，測(cè)量釋放前后兩者的長(zhǎng)度是否相同；相同表明無(wú)應(yīng)力梯度存在，反之存在應(yīng)力梯度，測(cè)量并記錄兩者的差； 3)觀測(cè)和分析顯微圖像，比對(duì)兩組梁中對(duì)應(yīng)梁之間的間距變化，分別測(cè)量四對(duì)梁末端之間的間距，與相鄰的參考梁末端之間的間距比對(duì)，無(wú)差異表明不存在應(yīng)力梯度，反之有應(yīng)力梯度存在，測(cè)量并記錄差異； 4)綜合2)和3)的測(cè)試結(jié)果，相互印證，合理取值，獲取更加可靠的測(cè)試結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于多梁比對(duì)結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測(cè)試結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法，包括襯底、三條矩形錨區(qū)、八根被測(cè)懸臂梁和四根固定在襯底上的參考梁。所述三條矩形錨區(qū)從左至右相互平行的依次排列，并固定在襯底的上表面上；所述長(zhǎng)度相同的八根被測(cè)懸臂梁和四根參考梁被分為完全相同的四組，每組由相互平行的兩根被測(cè)懸臂梁和一根參考梁組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)于中心縱橫軸完全對(duì)稱。當(dāng)懸臂梁因應(yīng)力梯度的存在而產(chǎn)生向上或向下的彎曲時(shí)，通過(guò)顯微觀測(cè)和比對(duì)各被測(cè)梁兩兩間的間距變化，即可確定被測(cè)懸臂梁的彎曲程度，獲取應(yīng)力梯度信息。多組梁的多種比對(duì)，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。本測(cè)試方法降低了對(duì)觀測(cè)設(shè)備的要求，直觀、方便。
【IPC分類】G01L5/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105606283
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610029607
【發(fā)明人】唐潔影, 王磊
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2016年1月15日