[發明專利]一種微懸臂梁接觸力分布的測量結構及其方法

有效

• 申請號: 201010153387.6
• 申請日: 2010-04-21
• 公開（公告）號: CN101839779A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 唐潔影;袁潔
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及微電子機械系統制造、性能及其可靠性測試的技術領域，尤其涉及一種MEMS(微機械系統)微懸臂梁在靜電驅動下的接觸力分布的測量結構及其方法。

背景技術

微懸臂梁是許多MEMS器件的基本構件。外加載荷下，微懸臂梁的自由端與襯底相接觸的接觸力分布特點是人們分析器件接觸可靠性所關注的問題之一。例如，MEMS金屬接觸式開關，接觸力的大小直接影響開關的性能參數和長期使用的可靠性。同時，接觸力分布也是分析微懸臂梁結構粘附特性的重要依據。對于微懸臂梁結構，由于作用在下拉電極上的力和接觸力并不相同，靜電下拉力的一部分用在梁的彎曲和錨區上，其余部分才作用在接觸區域。因此，對于靜電驅動的微懸臂梁結構，接觸力不僅與外加靜電力有關，而且與微懸臂梁結構的材料參數、結構參數也密切相關。對接觸力的估計，目前常用的辦法是應用機械或機電軟件包加以分析和預測，準確程度依賴于MEMS微懸臂梁的結構參數和材料參數的取值。對于不同的加工工藝和加工條件，MEMS微懸臂梁的殘余應力和應力梯度不同，結構參數也會不同，情況較為復雜。因此，通過設計測量結構進行實測，直接獲取接觸力的相關信息，顯得更為方便和準確。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種微懸臂梁接觸力分布的測量結構及其方法，用于測量MEMS微懸臂梁結構在靜電驅動下其自由端與襯底間的接觸力分布情況。該測量結構簡單，操作方便，并且能夠實現在線測量。

技術方案：為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種微懸臂梁接觸力分布的測量結構，包括襯底和金屬或多晶硅懸臂粱，所述襯底上設有懸臂梁錨區、與測量結構相對應的用于靜電激勵的下拉電極和對應于懸臂粱的襯底接觸電極，所述懸臂粱通過懸臂梁錨區固定在襯底上方，所述襯底接觸電極由兩條以上并行排列的窄條電極構成，所述窄條電極的兩個末端分別連接有壓焊塊，所述窄條電極中間斷開分成窄條電極對，各窄條電極之間無連接。

本發明同時提供了一種基于本發明提供的微懸臂梁接觸力分布的測量結構的測量方法，所述測量方法如下：

1)在所述懸臂梁和下拉電極之間施加電壓，在下拉電極的靜電激勵下，懸臂梁的自由端向下彎曲并和與之相應的襯底接觸電極接觸，使得相應的斷開的窄條電極對接通；

2)依次測量各接通的窄條電極對的接觸電阻；

3)根據測得的接觸電阻分析懸臂粱的接觸力分布，懸臂粱與襯底接觸電極間的接觸力越大，其接觸就越緊密，則相應的接觸電阻就越小。

對下拉電極施加不同的下拉電壓下，依次測量各窄條電極對的接觸電阻，并進行比較，分析計算在不同下拉電壓下懸臂梁與襯底接觸電極相接觸時其接觸力在接觸區域的相對分布情況。

有益效果：本發明提供的一種微懸臂梁接觸力分布的測量結構，基于MEMS加工技術，制作工藝無特殊要求，與一般MEMS器件工藝兼容，測量方法簡單易行，測量精度較高，所施加和檢測的都是電學量，可以實現在線測量，為靜電驅動的MEMS微懸臂梁結構的接觸力分布提供了一種實測途徑。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明結構的襯底示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1所示是一種微懸臂梁接觸力分布的測量結構，該測量結構由硅微機械加工工藝實現，主要包括如圖2所示的襯底1和金屬懸臂粱3，所述襯底1上設有懸臂梁錨區2、與測量結構相對應的用于靜電激勵的下拉電極4和對應于懸臂粱3的襯底接觸電極，所述懸臂粱3通過懸臂梁錨區2固定在襯底1上方，所述襯底接觸電極由七條并行排列的窄條電極構成，所述窄條電極的兩個末端分別連接有壓焊塊，分別為壓焊塊50～56和壓焊塊60～66，所述窄條電極中間斷開分成窄條電極對，各窄條電極之間以及壓焊塊之間均無連接。所述懸臂梁3的長×寬×厚為400μm×150μm×4μm，懸臂梁3與襯底1的間隙為3μm，下拉電極4極寬度為150μm，這里金屬懸臂粱3、下拉電極4及窄條電極均采用金材料。

測量時，在下拉電極4的靜電激勵下，懸臂梁3的自由端向下彎曲并與襯底接觸電極接觸，使相應的斷開窄條電極接通，依次測量壓焊塊50與60、51與61、52與62、53與63、54與64、55與65、56與66之間的接觸電壓，即可獲取相應的接觸力分布信息。

具體測量時的步驟如下：