[發(fā)明專利]絕緣襯底上厚膜硅材料楊氏模量測試結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510010411.3
• 申請日: 2015-01-08
• 公開（公告）號: CN104568606B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李偉華;王雷;張璐;周再發(fā)
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01N3/20
• 分類號: G01N3/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提供了一種絕緣襯底上厚膜硅材料楊氏模量的測試結(jié)構(gòu)。屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)材料參數(shù)測試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微機電器件的性能與材料參數(shù)有密切的關(guān)系，由于加工過程的影響，一些材料參數(shù)將產(chǎn)生變化，這些由加工工藝所導(dǎo)致的不確定因素，將使得器件設(shè)計與性能預(yù)測出現(xiàn)不確定和不穩(wěn)定的情況。材料參數(shù)測試目的就在于能夠?qū)崟r地測量由具體工藝制造的微機電器件材料參數(shù)，對工藝的穩(wěn)定性進行監(jiān)控，并將參數(shù)反饋給設(shè)計者，以便對設(shè)計進行修正。因此，不離開加工環(huán)境并采用通用設(shè)備進行的測試成為工藝監(jiān)控的必要手段。材料力學(xué)性能的物理參數(shù)主要包括楊氏模量、泊松比、殘余應(yīng)力、斷裂強度等。

在MEMS技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，絕緣襯底上的硅膜(一種SOI材料)是一種常用的襯底材料，主要由三層材料疊合而成，自下而上為大襯底-絕緣層-硅膜層。這類SOI材料通常采用兩類方法制造：注氧和鍵合。鍵合形成的SOI材料上的硅膜厚度在幾微米到幾十微米，屬于絕緣襯底上的厚膜硅材料。SOI材料中的絕緣層主要是二氧化硅，二氧化硅通常只有幾十納米，這些二氧化硅常作為制作MEMS器件的犧牲層，即這層二氧化硅在結(jié)構(gòu)下的部分最終將被腐蝕掉，這樣，上層硅膜所制作的結(jié)構(gòu)可以做離面或面內(nèi)運動。不論是注氧工藝還是鍵合工藝，都可能在上面的硅膜中形成應(yīng)力。絕緣襯底上的硅膜為單晶硅薄膜，其薄膜材料的力學(xué)參數(shù)和晶向有關(guān)。采用絕緣襯底上的厚膜硅所制作的MEMS器件通常是面內(nèi)運動形式。

目前大多數(shù)微機電材料參數(shù)在線測試結(jié)構(gòu)主要是測量微機械表面加工工藝所制作的薄膜材料，如各層多晶硅、金屬層等。隨著絕緣襯底上的硅膜材料在MEMS加工中越來越多的得到應(yīng)用，對于絕緣襯底上硅膜材料的楊氏模量、泊松比、殘余應(yīng)力、斷裂強度等力學(xué)參數(shù)的在線測量需求越來越大。

靜電驅(qū)動是MEMS微結(jié)構(gòu)運動的常用驅(qū)動形式。利用靜電力驅(qū)動一個懸臂梁做面內(nèi)的橫向彎曲運動，可以由彎曲的撓度和所施加的靜電力計算得到楊氏模量。采用靜電驅(qū)動方式的一個重要問題是吸合現(xiàn)象，由于吸合現(xiàn)象屬于非穩(wěn)態(tài)情況，測量數(shù)據(jù)的準確性也不穩(wěn)定，因此，在靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)吸合。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種絕緣襯底上厚膜硅材料楊氏模量測試結(jié)構(gòu)，測量材料的楊氏模量通常需要知道結(jié)構(gòu)受力大小和結(jié)構(gòu)受力所產(chǎn)生的形變或彎曲的撓度。

技術(shù)方案：本發(fā)明利用靜電力驅(qū)動一個懸臂梁做面內(nèi)的橫向彎曲運動。利用一個可移動限位并可測量的止擋結(jié)構(gòu)控制彎曲量，并用于防止出現(xiàn)吸合而產(chǎn)生的測量不穩(wěn)定問題。止擋結(jié)構(gòu)的移動由熱膨脹驅(qū)動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，止擋結(jié)構(gòu)的移動量由游標進行測量。為防止工藝誤差導(dǎo)致的位置測不準問題，采用兩次測位的方式進行，即第一次熱驅(qū)動止擋結(jié)構(gòu)接觸到懸臂梁，讀出游標位置，然后減小驅(qū)動電流產(chǎn)生微小的間隙，由游標記錄這種間隙即最終的彎曲撓度。加載靜電，當(dāng)懸臂梁與止擋結(jié)構(gòu)接觸時，由靜電力和彎曲撓度計算楊氏模量。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的一種絕緣襯底上厚膜硅材料楊氏模量測試結(jié)構(gòu)技術(shù)方案是：

該測試結(jié)構(gòu)由三部分組成：相對型電熱驅(qū)動單元；帶測微游標的止擋單元；靜電驅(qū)動的懸臂梁單元；

所述帶測微游標的止擋單元中的動齒的下端與相對型電熱驅(qū)動單元中的水平寬梁垂直連接，動齒的軸線和相對型電熱驅(qū)動單元的中心線重疊；

所述靜電驅(qū)動的懸臂梁單元位于帶測微游標的止擋單元的上端，由懸臂梁和靜電驅(qū)動電極組成，其中，懸臂梁由第三錨區(qū)和上水平細梁連接而成，靜電驅(qū)動電極由錨區(qū)和與之連接的電極構(gòu)成，靜電驅(qū)動電極位于靜電驅(qū)動的懸臂梁單元的末端。

所述相對型電熱驅(qū)動單元由左右兩個完全相同的MEMS常規(guī)電熱執(zhí)行器相對連接構(gòu)成，左邊部分的MEMS電熱執(zhí)行器由第一錨區(qū)、第一細梁、第一寬梁、第一連接梁、第一熱膨脹細梁、第六錨區(qū)順時針連接組成；右邊部分的MEMS電熱執(zhí)行器由第二錨區(qū)、第二細梁、第二寬梁、第二連接梁、第二熱膨脹細梁、第五錨區(qū)逆時針連接組成；連接兩個MEMS電熱執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)包括第一水平細梁、第二水平細梁、第一豎直細梁、第二豎直細梁、水平寬梁，其中，左邊的第一水平細梁左端連接到第一部分MEMS電熱執(zhí)行器的第一寬梁，右端和第一豎直細梁連接，右邊的第二水平細梁右端連接到第二部分MEMS電熱執(zhí)行器的第二寬梁，左端和第二豎直細梁連接，第一豎直細梁、第二豎直細梁的上端與水平寬梁連接。