[發明專利]一種MEMS薄膜斷裂強度的在線測試結構及方法

在審

• 申請號: 201910302212.8
• 申請日: 2019-04-16
• 公開（公告）號: CN110108555A
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 李夢潔;周再發;易禮言;王希杰;阿德南;黃慶安
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 劉莎

本發明公開了一種MEMS薄膜斷裂強度的在線測試結構及方法，該結構由V型熱執行器和測試試樣組成，并增加一個散熱器來限制熱量流向測試試樣。在執行器的梁上施加電壓，通過熱膨脹驅動拉斷試樣，讀取拉斷時電壓的大小并測量相關電阻，代入計算公式，即可得出斷裂強度。本發明測試方法簡單，且能滿足工藝線在線測試的精度要求。

技術領域

本發明涉及一種微機電系統材料參數在線測試技術，特別涉及一種MEMS薄膜斷裂強度的在線測試結構及方法。

背景技術

微機電系統的性能與材料參數有關，測試和了解微型結構的機械性能，尤其是斷裂強度，對于微納米器件的設計十分重要。而在工藝線內通過通用的測量儀器對微機電產品進行在線測試能及時地反映工藝控制水平。因此，在線測試成為工藝監控的必要手段。

現有的幾種用于確定微尺度部件機械性能的技術，如納米壓痕法、凸起、扭轉和彎曲等，均會產生不均勻的應力，且需要較為復雜的分析，難以加工，外在測試儀器也較為復雜，不滿足在線測試的需求。

MEMS執行器是將電信號轉換為微動作或微操作的MEMS器件，可用來驅動待測試樣從而測量斷裂強度。靜電執行器等難以提供足夠的驅動力，而V型熱執行器可以產生完整的應力-應變曲線，提供較大的驅動力和位移。雖然該執行器在測試過程中可能產生大的熱流，改變試樣的機械性能，但增加一個散熱器能有效解決這個問題。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明提供一種MEMS薄膜斷裂強度的在線測試結構及方法，對測試結構施加電壓，通過熱膨脹驅動拉斷試樣，讀取拉斷時梁的位移并測量相關電阻，代入計算公式，最終得出斷裂強度。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一方面，本發明提供一種MEMS薄膜斷裂強度的在線測試結構，包括V型熱執行器、測試試樣和絕緣襯底，所述V型熱執行器和測試單元均設置在絕緣襯底上；

所述V型熱執行器包括獨立錨區、一對第一固定錨區、梭形梁和驅動梁，其中：獨立錨區和第一固定錨區分別固定在絕緣襯底上；陣列排布的驅動梁呈V型陣列式，V型結點處固定在梭形梁上，V型的兩端分別固定在一對第一固定錨區上；所述梭形梁一端連接測試試樣的一端，另一端懸空；測試試樣的另一端與獨立錨區連接。

作為本發明的進一步技術方案，還包括散熱器；所述散熱器一組對邊分別與一對第二固定錨區連接，另一組對邊分別與梭形梁和測試試樣固定連接。

另一方面，本發明還提供一種采用如上所述測試結構的MEMS薄膜斷裂強度的在線測試方法，包括以下步驟：

(1)測量室溫下一對第一固定錨區之間的電阻R；

(2)在一對第一固定錨區之間施加由零開始增加的電壓，當獨立錨區和梭形梁之間的電阻由有限值變為無窮大，記錄此時的第一對固定錨區之間的電壓值V；

(3)計算待測MEMS薄膜的斷裂強度σ：

其中：E是待測MEMS薄膜的楊氏模量，a是待測MEMS薄膜的熱膨脹系數，L是驅動梁的長度，k是待測MEMS薄膜的導熱率，w是驅動梁的寬度，t是驅動梁的厚度。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明的測試結構簡單，方法簡便，對外接測試設備要求較低，符合微機電系統工藝線在線測試的要求。

附圖說明

圖1是MEMS薄膜斷裂強度在線測試結構頂視圖；

圖2是MEMS薄膜斷裂強度在線測試結構側面圖；

圖3是單梁V型熱執行器一維幾何示意圖。