[發明專利]一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結構

有效

• 申請號: 201410768803.1
• 申請日: 2014-12-12
• 公開（公告）號: CN104483196A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 唐潔影;唐丹;王磊
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01B7/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種微機電系統(MEMS)微梁斷裂強度的測試領域，尤其是一種橫向梳齒式電容檢測微梁斷裂強度的測試結構。

背景技術

MEMS利用微電子技術、微加工技術相結合的制造工藝制造微傳感器、微執行器、微驅動器以及微系統。由不同的加工技術，如硅體微加工、硅表面微加工、LIGA技術、鍵合技術等加工而成的MEMS微結構其力學性能會有很大差別，即使是相同技術，但不同生產線加工的產品也會存在差異。因此，對于MEMES設計、加工和應用的可靠性而言，設計測試結構，提取相關力學參數是非常重要的。拉伸斷裂強度是重要力學性能之一，常用的測量方法是通過電、熱或磁驅動的方式對測試樣品進行加載而拉伸被測樣品，通過直接測量樣品被拉斷時的力以確定樣品的斷裂強度。捕獲被測梁斷裂瞬間時刻對應的驅動力和提高測量靈敏度是測試結構設計必須考慮的問題。為此，設計了一種基于橫向式梳齒電容檢測的微梁斷裂強度的測試結構，很好地解決了測試難題，且測試方便、簡單易行。

發明內容

技術問題：利用電容法捕獲被測微梁斷裂瞬間所對應的驅動力，直觀、易于實現。但檢測中的電容變化量決定了該方法的有效性和靈敏度。本發明利用橫向梳齒式的差分電容來反映被測梁的拉伸量，有利于提高電容變化的檢測量，因此相對于一般電容法檢測靈敏度更高。

技術方案：本發明的一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結構包括襯底、門字型熱執行結構、被測微粱和橫向梳齒電容檢測結構，整個結構關于縱向中軸L完全對稱；

所述門字型熱執行結構的兩根縱梁分別垂直連接于橫寬梁的兩末端，縱梁的另一端固定在下錨區側面；

所述被測微梁與門字型熱執行結構的兩縱梁平行，位于它們正中間，一端垂直連接在橫寬梁內側的中部，另一端連接在錨區的一個側面；

所述橫向梳齒電容檢測結構由位于門子型結構內的三組完全相同的梳齒結構依次排列在被測微梁錨區的后方，所有梳齒平行于橫寬梁；每組梳齒結構左、右對稱，均為左定齒和右定齒夾著一動齒，動齒與兩側的左定齒和右定齒的間距完全相同；其中，動齒的一端垂直連接在門字型熱執行結構的縱梁內側，另一端懸空，而左定齒或右定齒的一端連接在位于橫寬梁的垂直中線上的第一錨區或第二錨區的側面，另一端懸空；

所述下錨區、上錨區、第一錨區和第二錨區置于襯底上；

所述門字型熱執行結構、被測微粱和橫向梳齒電容檢測結構均位于同一平面，平行懸置在襯底上方。

所述橫寬梁、縱梁、被測懸臂梁、左定齒、右定齒、動齒均為摻雜單晶硅。

當熱執行結構的縱梁通電發生熱膨脹時，與縱梁相連的橫寬梁以及動齒同步發生平移。橫寬梁的移動可拉伸被測微梁直至斷裂；動齒的橫向平移使與兩定齒的間距發生變化，導致動齒與兩定齒構成的差分電容發生變化，且當拉伸作用使被測梁發生斷裂的瞬間，電容會陡然增大。因此，通過測量差分電容的變化，由電容變化轉折點可確定被測梁斷裂時所對應的熱執行器縱梁的拉伸長度，進而確定被測懸臂梁的斷裂強度。

有益效果：本發明利用簡單的熱膨脹拉伸結構和梳齒結構相結合，通過MEMS差分電容的測試，實現微懸臂梁斷裂強度的測試。測試結構簡單、靈敏度高且易于操作。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖，

圖2為襯底頂面的示意圖。

其中有：襯底1，橫寬梁201、縱梁202、下錨區203，被測懸臂梁301、上錨區302，左定齒401、第一錨區402、右定齒403、第二錨區404、動齒405。

具體實施方式

本發明的一種基于橫向梳齒式電容的微梁斷裂強度的測試結構，由門字型熱執行結構、橫向梳齒電容檢測結構和被測微粱三部分組成，整個結構關于縱向中軸L完全對稱。所述門字型熱執行結構的兩根縱梁與橫寬梁垂直，一端連接在橫寬梁的末端處，另一端連接在一個錨區的側面；所述被測微梁平行于門字型熱執行結構的兩根縱梁，處于中軸線L上，一端連接在門字型熱執行結構橫寬梁內側的中部，另一端連接在一個錨區的側面；所述三組完全相同的梳齒結構位于門子型結構內，依次排列在被測微梁的后方，每組梳齒電容由左、右對稱的兩個梳齒單元組成，每個梳齒單元都為兩定齒夾著一動齒，動齒與兩定齒之間的間距相同。其中，動齒的一端垂直連接在熱執行器的縱梁內側，另一端懸空，而定齒的一端連接在位于橫寬梁的垂直中線L上的錨區側面，另一端懸空；門字型熱執行結構、橫向梳齒電容檢測結構和被測微粱均位于同一平面，并平行于襯底且通過各自錨區的支撐懸置在襯底上方。

下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。