[發(fā)明專利]一種基于橫臥T形梁的MEMS微梁應力梯度的各向異性測試結(jié)構(gòu)和測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610028123.5
• 申請日: 2016-01-15
• 公開（公告）號: CN105547558B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發(fā)明（設計）人: 唐潔影;王磊
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 徐激波

技術領域

本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)(文中簡稱MEMS)中，通過MEMS微機械加工技術制造的MEMS懸臂結(jié)構(gòu)中應力梯度測試的技術領域。具體來說，涉及一種基于T形梁的MEMS微梁應力梯度的各向異性測試結(jié)構(gòu)和測量方法。

背景技術

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)結(jié)構(gòu)中的應力主要來源于熱應力、內(nèi)應力和外應力。各薄膜層因熱膨脹系數(shù)的差異導致應力的產(chǎn)生為熱應力；晶格失配、雜質(zhì)原子、晶界弛豫……等微觀結(jié)構(gòu)的變化所產(chǎn)生的應力為內(nèi)應力(也稱本征應力)；當材料表面不是很致密，環(huán)境中一些極性分子會吸附在空隙上，吸附的極性分子之間的互作用產(chǎn)生的應力為外應力。因此，在MEMS工藝過程中，不可避免地會產(chǎn)生殘余應力，當沿厚度方向應力分布非均勻即存在應力梯度時，懸臂梁結(jié)構(gòu)或雙端固定的固支梁結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)被釋放后(腐蝕掉梁下層的支撐犧牲層，使梁懸置)，會出現(xiàn)離面彎曲或屈曲，直接影響著器件的性能。因此，重視MEMS結(jié)構(gòu)中應力梯度的測試和分析并反饋之設計中，以保證設計和制造的MEMS器件具備良好的性能指標，是非常必要的。關于應力梯度的測試，最常見的方法是借助于精密的光學設備，利用光學干涉技術而獲知梁因應力梯度造成的彎曲變形。但是，通過測試結(jié)構(gòu)的專門設計，往往可以降低對測試設備的要求，且便于直接從測量信號中讀取材料的特性參數(shù)。

本發(fā)明提出一種基于橫臥T形梁的MEMS微梁應力梯度的各向異性測試結(jié)構(gòu)和測量方法，將被測梁設計成T字形，讓四根橫臥T形梁的翼緣邊在固定正方柱周圍圍成一未封閉的正方圖形。固定的正方柱提供參考位置，延寬的翼緣邊擴大正方圖像，水平和垂直放置的T形梁為應力梯度的各向異性測量提供了可能。這樣通過結(jié)構(gòu)上的設計可以將被測懸臂梁因應力梯度而產(chǎn)生的彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形大小或形狀地變化，便于光學儀器的直接觀察，降低了對測試設備的要求，測試簡單、方便。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于橫臥T形梁的MEMS微梁應力梯度的各向異性測試結(jié)構(gòu)，通過顯微鏡放大和記錄結(jié)構(gòu)釋放前后的圖形變化，即可獲取應力梯度的具體信息。同時本發(fā)明還提供了基于橫臥T形梁形變的MEMS微梁應力梯度的具體測試方法，操作方便可行。

本發(fā)明采用的技術方案為：一種基于橫臥T形梁的MEMS微梁應力梯度的各向異性測試結(jié)構(gòu)，包括襯底、正方柱、四個錨區(qū)以及四根被測橫臥T形梁；

所述正方柱固定于襯底上表面的中央位置；

所述四根被測橫臥T形梁的材料和尺寸完全相同，對稱分布于正方柱的四周，并懸置在襯底的上方；被測橫臥T形梁的一端分別固定在各自錨區(qū)的側(cè)面，另一端在接近末端邊緣的一小截處的寬度寬于其它地方形成橫臥T形梁的翼緣；

所述四根被測橫臥T形梁的上表面與正方柱的頂面處于同一平面，且橫臥T形梁的翼緣邊分別靠近并平行正方柱頂面的四條邊，在正方柱外圍圍成一不完全封閉的正方圖形。

測試中，當橫臥T形梁因應力梯度的存在而產(chǎn)生向上或向下的彎曲時，由四根橫臥T形梁的翼緣邊所圍成的正方圖形將擴大，對于各項異性材料，正方圖形將擴大且變?yōu)橐徊环忾]的長方圖形。據(jù)此，可利用圖形的形狀和大小的變化來判斷應力梯度的大小，與常用光學方法比較，降低了對觀測設備的要求，直觀、方便。

上述基于橫臥T形梁形變的MEMS微梁應力梯度的測試結(jié)構(gòu)，其測試應力梯度的具體原理和步驟如下：

1)將釋放工序前后的測試結(jié)構(gòu)分別置于光學顯微鏡下觀察，放大倍數(shù)根據(jù)被測結(jié)構(gòu)的尺寸而定，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距直至被測結(jié)構(gòu)的圖像清晰可見，分別記錄被測結(jié)構(gòu)釋放工序前后的俯視圖像；

2)對比釋放工序前后的兩張圖像，分析結(jié)構(gòu)釋放后，正方柱外圍圍成的不完全封閉的正方圖形是否發(fā)生變化；無變化表明被測橫臥T形梁不存在應力，否則有應力梯度的存在；

如果被測橫臥T形梁不存在應力梯度，那么橫臥T形梁結(jié)構(gòu)釋放后，橫臥T形梁在水平面上的投影長度不變；那么，由四根橫臥T形梁圍成的正方圖形也保持不變；

如果被測橫臥T形梁存在應力梯度，那么在橫臥T形梁被釋放懸空后，橫臥T形梁會向上翹起或向下彎曲，導致在水平面上的投影長度明顯縮短，因而由四根橫臥T形梁的T形橫邊所圍成的正方圖形將擴大；

3)對于發(fā)生變化的正方圖形，測量各橫臥T形梁橫邊與正方柱對應邊的間距變化量，從而獲知橫臥T形梁彎曲程度，判斷出結(jié)構(gòu)層應力梯度的大小；

若變化后的圖形仍為正方形，表明在同一水平面上相互垂直的兩個方向上的橫臥T形梁的彎曲情況相同，應力梯度與方向基本無關；