[發明專利]基于諧振頻率法的MEMS薄膜泊松比在線測量方法

有效

• 申請號: 201010106887.4
• 申請日: 2010-02-08
• 公開（公告）號: CN101769898A
• 公開（公告）日: 2010-07-07
• 發明（設計）人: 戎華;趙彩峰
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: G01N29/12
• 分類號: G01N29/12
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 程化銘

技術領域：

本發明提供一種能夠在線測量微機電系統(MEMS)薄膜泊松比的方法，屬于MEMS材料參數測量技術領域。

技術背景：

MEMS薄膜在微機電系統中被廣泛使用。薄膜力學性能的好壞對器件性能影響很大，尤其是制作可動部件的結構層薄膜的性能對MEMS器件制作的成敗及性能的好壞至關重要。MEMS薄膜的力學參數主要包括泊松比、彈性模量、殘余應力及沿厚度方向的應力梯度等。薄膜的力學性能與宏觀大體積同種材料的性能會有很大差異，不能把宏觀大體積材料的力學性能等同于MEMS薄膜的力學性能。而且材料的力學性能也會隨著加工工藝條件(例如溫度、反應氣體壓力等)的改變而改變，因而需要在工藝線上經常測量(在線測量)，以獲得某一特定工藝條件下加工的薄膜的力學性能或檢測工藝的穩定性。在工藝線上的測量(在線測量)必須簡便、準確、占用芯片面積小、沒有破壞性，無法采用測量宏觀大體積材料力學性能的方法進行測量。泊松比的數值通常都比較小，在線測量更加困難。因此研究適用于MEMS實際加工過程的薄膜泊松比的在線測量方法就成為該領域的一項迫切需要。本發明研究了MEMS薄膜泊松比的在線測量方法。

目前在線測量MEMS薄膜泊松比的方法主要有：扭轉法、拉伸法等。

扭轉法：在結構層上制作兩個相連的圓環(圖1)，錨區在左右兩邊，釋放后，在兩個圓環相連處用納米壓痕計施加壓力，兩環相連處產生向下的位移。推導出圓環相連處的位移、壓力、泊松比、楊氏模量之間的理論關系式，從納米壓痕計測出的兩環相連處的位移與所加壓力之間的關系，即可算出材料的泊松比。該方法的局限性在于要測量泊松比還必須預先知道材料的楊氏模量，這樣就會影響泊松比的測量精度

拉伸法：制作一組懸臂梁結構，首先通過PZT(壓電陶瓷)器件對梁的兩端直接施加拉力，然后用原子力顯微鏡測出梁拉伸后的散斑圖像，就可以得出外力變化引起的橫向及縱向變形，從而得到泊松比。該方法是基于泊松比定義的直接測量，精度很高，但操作復雜，而且需要原子力顯微鏡等昂貴設備，不適用于在線測量。

發明內容：

本發明的目的在于解決現有技術存在的上述問題，提出了一種基于諧振頻率法的MEMS薄膜泊松比在線測量方法。其基本思路是：

制作一個圓環形MEMS薄膜(簡稱圓環形薄膜)作為測試結構，其內邊界固支在錨區上、外邊界自由；外邊界半徑為a，內邊界半徑為b，厚度為h。錨區固定在襯底上。利用MSA-500顯微激光測振儀測量出該結構的徑向振動和橫向(垂直薄膜面)振動的諧振頻率后，代入推導出的計算泊松比的理論公式，就可得到材料的泊松比。本發明的原理如下：

1、圓環形薄膜的徑向振動：

制作一個內邊界固支于錨區、外邊界自由的圓環形薄膜，圓環形薄膜的內半徑為b，外半徑為a，厚度為h，并以圓環中心為原點建立三維極坐標系(圖2)。研究圓環形薄膜軸對稱的徑向振動。因為是薄膜，厚度遠小于半徑，所以屬于平面應力情況，此時，z方向的應力為零。對于軸對稱的徑向振動，可以在圓環上任取一微元，并對其進行受力分析(圖3)。由(圖3)可得圓膜振動微分方程為：

其中：u為徑向位移，σ_r為徑向應力，為切向應力，ρ為密度，t為時間。化簡后：

因為是徑向軸對稱振動，所以有下列關系成立：

ϵr=∂u∂r,]]>

其中，ε_r為徑向線應變，為切向線應變，為切應變。

物理方程為：

把(3)式代入(4)(5)兩式，再帶入(2)式，經化簡后可得：