[發(fā)明專利]一種施加垂直于懸臂梁的作用力的方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210397912.8
• 申請日: 2012-10-18
• 公開（公告）號: CN102967510A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何軍;張大成;趙丹淇;王瑋;楊芳;田大宇;劉鵬;李婷;羅葵
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G01N3/26
• 分類號: G01N3/26
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11200
• 代理人: 俞達(dá)成

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）力學(xué)參數(shù)檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對懸臂梁持續(xù)施加垂直于懸臂梁的負(fù)載力的方法，以及采用此方法的裝置，特別應(yīng)用在對懸臂梁進(jìn)行彎曲測試，檢測斷裂強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)鍵合強(qiáng)度的領(lǐng)域。

背景技術(shù)

九十年代以來，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，不僅是因?yàn)楦拍钚路f，而且是由于MEMS器件跟傳統(tǒng)器件相比，具有小型化、集成化以及性能更優(yōu)的前景特點(diǎn)。如今MEMS已經(jīng)廣泛用于汽車、航空航天、信息控制、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。

但對于這種利用硅工藝制造出來的MEMS器件，隨著MEMS器件做得越來越小，微結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)入微米量級，硅工藝中加工尺寸上的絕對誤差、表面粗糙等問題給微結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、彈性模量、剛度、幾何尺寸等力學(xué)參數(shù)帶來的影響，已經(jīng)越來越不能忽略。此時需要對微結(jié)構(gòu)模型的分析方法、計(jì)算方法進(jìn)行相應(yīng)的修正，而準(zhǔn)確提取這些硅工藝加工過程中微結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)就成了不可避免的重點(diǎn)問題。

懸臂梁作為MEMS中最簡單的微結(jié)構(gòu)，工藝非常簡單，需要進(jìn)行控制的其他影響因素比較少，非常適合作為檢測結(jié)構(gòu)，用來提取單項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)。在利用懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)參數(shù)檢測時，通常需要對懸臂梁進(jìn)行不同的彎曲實(shí)驗(yàn)，有些情況下要求在懸臂梁整個彎曲過程中，所受的力始終是垂直于懸臂梁，例如通過彎曲懸臂梁的方式測量錨點(diǎn)（ANCHOR）處扭轉(zhuǎn)斷裂強(qiáng)度，若懸臂梁所受到的作用力并非垂直于懸臂梁，則斷裂就是扭轉(zhuǎn)作用和拉壓作用共同導(dǎo)致的，所測到的扭轉(zhuǎn)斷裂強(qiáng)度就并非是真正的扭轉(zhuǎn)斷裂強(qiáng)度。進(jìn)行這種彎曲實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)方法是利用探針臺的探針，但由于探針臺的探針在測量過程中只能平動，必然會對懸臂梁產(chǎn)生沿懸臂梁方向的作用力（彈力或者滑動摩擦力），另外也有一些利用片上力學(xué)微探針進(jìn)行施加作用力的方法（相比前者，改善了探針臺的探針在做平動運(yùn)動時的左右晃動），但由于這些探針設(shè)計(jì)的都是主要以平動為主，同樣避免不了沿懸臂梁方向上的作用力的產(chǎn)生，這對此時的測量結(jié)果帶來了必然的不準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容

通過上面的分析可知，在需要對懸臂梁持續(xù)施加垂直于懸臂梁方向的作用力的時候，現(xiàn)有的方法通常會產(chǎn)生沿懸臂梁方向的彈力或者滑動摩擦力，這對測量結(jié)果帶來了必然的不確定性。本發(fā)明的目的是提出一種持續(xù)施加垂直于懸臂梁的作用力的方法及裝置，通過合理設(shè)計(jì)的片上力學(xué)微探針來對探針臺探針的作用力進(jìn)行緩沖和變向，從而保持了在整個懸臂梁彎曲過程中，所受到的作用力始終是垂直于懸臂梁的。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種施加垂直于懸臂梁的作用力的方法，其步驟包括：

1）通過探針臺探針向具有曲面探針頭的片上力學(xué)微探針施加負(fù)載力；

2）所述片上力學(xué)微探針通過曲面探針頭向懸臂梁施加作用力，同時該片上力學(xué)微探針進(jìn)行轉(zhuǎn)動以使該懸臂梁在彎曲過程中受到的作用力始終垂直于該懸臂梁。

進(jìn)一步地，通過單端固支懸臂梁與探針頭固定連接組成所述片上力學(xué)微探針，所述片上力學(xué)微探針圍繞所述單端固支懸臂梁的錨點(diǎn)進(jìn)行所述轉(zhuǎn)動。

進(jìn)一步地，所述錨點(diǎn)的柱子的截面為矩形。

一種施加垂直于懸臂梁的作用力的裝置，其包括懸臂梁、向該懸臂梁上施加作用力的片上力學(xué)微探針以及向該片上力學(xué)微探針施加負(fù)載力的探針臺探針；所述片上力學(xué)微探針的探針頭為曲面形式，所述片上力學(xué)微探針的運(yùn)動形式為轉(zhuǎn)動。

進(jìn)一步地，所述片上力學(xué)微探針包括一與所述探針頭固定連接的單端固支懸臂梁，所述片上力學(xué)微探針圍繞該單端固支懸臂梁的錨點(diǎn)進(jìn)行所述轉(zhuǎn)動。

進(jìn)一步地，所述錨點(diǎn)的柱子的截面為矩形。

進(jìn)一步地，片上力學(xué)微探針的懸臂梁長度大于被測懸臂梁的長度。

本發(fā)明提出了利用片上力學(xué)微探針對探針臺的探針進(jìn)行緩沖和變向的思路，即通過探針臺探針驅(qū)動片上力學(xué)微探針，再由片上力學(xué)微探針對懸臂梁進(jìn)行直接輸出負(fù)載力。這一方法的好處是可以對探針臺的探針進(jìn)行緩沖，提高施加負(fù)載的穩(wěn)定性；而且該力學(xué)微探針經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，可以改變探針臺探針作用力的方向，能夠使得懸臂梁所受的作用力始終垂直于懸臂梁。與現(xiàn)有對懸臂梁施加垂直方向負(fù)載的方法相比，本方法的優(yōu)勢在于：

本發(fā)明方法在施加過程中不會產(chǎn)生沿懸臂梁方向上的彈力，也不會產(chǎn)生任何方向上的摩擦力，使懸臂梁在彎曲過程中所受到的作用力始終是垂直于懸臂梁的，并且由于力學(xué)微探針的緩沖作用，使得負(fù)載力施加得更穩(wěn)定，減少由于人為操作不當(dāng)帶來的瞬間沖擊力。所以，測量與純扭轉(zhuǎn)相關(guān)的力學(xué)參數(shù)時，測量的結(jié)果就更加準(zhǔn)確。

附圖說明