絕緣襯底上厚膜硅材料楊氏模量測(cè)試結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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(cè)試結(jié)構(gòu)。屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)材料參數(shù)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電器件的性能與材料參數(shù)有密切的關(guān)系，由于加工過(guò)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(jì)與性能預(yù)測(cè)出現(xiàn)不確定和不穩(wěn)定的情況。材料參數(shù)測(cè)試目的就在于能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)量由具體工藝制造的微機(jī)電器件材料參數(shù)，對(duì)工藝的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控，并將參數(shù)反饋給設(shè)計(jì)者，以便對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。因此，不離開(kāi)加工環(huán)境并采用通用設(shè)備進(jìn)行的測(cè)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(qiáng)度等。
[0003]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(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)形式。
[0004]目前大多數(shù)微機(jī)電材料參數(shù)在線測(cè)試結(jié)構(gòu)主要是測(cè)量微機(jī)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(lái)越多的得到應(yīng)用，對(duì)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(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的在線測(cè)量需求越來(lái)越大。
[0005]靜電驅(qū)動(dòng)是MEMS微結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的常用驅(qū)動(dòng)形式。利用靜電力驅(qū)動(dòng)一個(gè)懸臂梁做面內(nèi)的橫向彎曲運(yùn)動(dòng)，可以由彎曲的撓度和所施加的靜電力計(jì)算得到楊氏模量。采用靜電驅(qū)動(dòng)方式的一個(gè)重要問(wèn)題是吸合現(xiàn)象，由于吸合現(xiàn)象屬于非穩(wěn)態(tài)情況，測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也不穩(wěn)定，因此，在靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)吸合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問(wèn)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(cè)試結(jié)構(gòu)，測(cè)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。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明利用靜電力驅(qū)動(dòng)一個(gè)懸臂梁做面內(nèi)的橫向彎曲運(yùn)動(dòng)。利用一個(gè)可移動(dòng)限位并可測(cè)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(cè)量不穩(wěn)定問(wèn)題。止擋結(jié)構(gòu)的移動(dòng)由熱膨脹驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，止擋結(jié)構(gòu)的移動(dòng)量由游標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。為防止工藝誤差導(dǎo)致的位置測(cè)不準(zhǔn)問(wèn)題，采用兩次測(cè)位的方式進(jìn)行，即第一次熱驅(qū)動(dòng)止擋結(jié)構(gòu)接觸到懸臂梁，讀出游標(biāo)位置，然后減小驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生微小的間隙，由游標(biāo)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(shí)，由靜電力和彎曲撓度計(jì)算楊氏模量。為實(shí)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(cè)試結(jié)構(gòu)技術(shù)方案是:
[0008]該測(cè)試結(jié)構(gòu)由三部分組成:相對(duì)型電熱驅(qū)動(dòng)單元；帶測(cè)微游標(biāo)的止擋單元；靜電驅(qū)動(dòng)的懸臂梁?jiǎn)卧?br>[0009]所述帶測(cè)微游標(biāo)的止擋單元中的動(dòng)齒的下端與相對(duì)型電熱驅(qū)動(dòng)單元中的水平寬梁垂直連接，動(dòng)齒的軸線和相對(duì)型電熱驅(qū)動(dòng)單元的中心線重疊；
[0010]所述靜電驅(qū)動(dòng)的懸臂梁?jiǎn)卧挥趲y(cè)微游標(biāo)的止擋單元的上端，由懸臂梁和靜電驅(qū)動(dòng)電極組成，其中，懸臂梁由第三錨區(qū)和上水平細(xì)梁連接而成，靜電驅(qū)動(dòng)電極由錨區(qū)和與之連接的電極構(gòu)成，靜電驅(qū)動(dòng)電極位于靜電驅(qū)動(dòng)的懸臂梁?jiǎn)卧哪┒恕?br>[0011]所述相對(duì)型電熱驅(qū)動(dòng)單元由左右兩個(gè)完全相同的MEMS常規(guī)電熱執(zhí)行器相對(duì)連接構(gòu)成，左邊部分的MEMS電熱執(zhí)行器由第一銷區(qū)、第一細(xì)梁、第一寬梁、第一連接梁、第一熱膨脹細(xì)梁、第六錨區(qū)順時(shí)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(xì)梁、第二寬梁、第二連接梁、第二熱膨脹細(xì)梁、第五錨區(qū)逆時(shí)針連接組成；連接兩個(gè)MEMS電熱執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)包括第一水平細(xì)梁、第二水平細(xì)梁、第一豎直細(xì)梁、第二豎直細(xì)梁、水平寬梁，其中，左邊的第一水平細(xì)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(xì)梁連接，右邊的第二水平細(xì)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(xì)梁連接，第一豎直細(xì)梁、第二豎直細(xì)梁的上端與水平寬梁連接。
[0012]所述帶測(cè)微游標(biāo)的止擋單元由測(cè)微游標(biāo)和止擋桿組成，其中，測(cè)微游標(biāo)由豎直運(yùn)動(dòng)的動(dòng)齒、第一定齒、第二定齒組成；豎直運(yùn)動(dòng)的動(dòng)齒為一左右兩邊均勻分布若干齒并且左右相對(duì)的齒一一對(duì)齊的結(jié)構(gòu)，所有齒的寬度和齒的間距均相等，第一定齒、第二定齒則為固定不動(dòng)的單邊齒結(jié)構(gòu)，所有齒的寬度都和動(dòng)齒的齒相同，但齒間距齒的寬度大I Δ,Δ是游標(biāo)尺的分辨率，第一定齒位于豎直運(yùn)動(dòng)的動(dòng)齒左邊，齒邊向右，第二定齒位于豎直運(yùn)動(dòng)的動(dòng)齒右邊，齒邊向左，自下而上，動(dòng)齒的第一齒相對(duì)第一定齒的第一齒偏下I Λ，由于定齒的所有齒間距比齒的寬度大I Λ，因此，動(dòng)齒的第二齒相對(duì)第一定齒的第二齒偏下2 Λ，以此類推，動(dòng)齒第η個(gè)齒相對(duì)第一定齒的第η個(gè)齒偏下η Δ ;動(dòng)齒的齒相對(duì)第二定齒的關(guān)系延續(xù)了左邊關(guān)系，即當(dāng)動(dòng)齒和第一定齒最上端齒的偏差為m Λ時(shí)，動(dòng)齒的第一齒相對(duì)第二定齒的第一齒偏下(m+1) Λ;止擋桿下端和動(dòng)齒的上端連接，具有同一個(gè)軸線。
[0013]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0014]本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)在于絕緣襯底上的厚膜硅材料楊氏模量測(cè)試方法簡(jiǎn)單，測(cè)試設(shè)備要求低，測(cè)試過(guò)程及測(cè)試參數(shù)值穩(wěn)定。加工過(guò)程與微機(jī)電器件同步，沒(méi)有特殊加工要求。完全符合在線測(cè)試的要求。計(jì)算方法僅限于簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)公式。本發(fā)明的測(cè)試結(jié)構(gòu)、測(cè)量方法和參數(shù)提取的計(jì)算方法極其簡(jiǎn)單，適應(yīng)性廣。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明的測(cè)試結(jié)構(gòu)。
[0016]圖中有:相對(duì)型電熱驅(qū)動(dòng)單元101 ;第一錨區(qū)101-1、第一細(xì)梁101-2、第一寬梁101-3、第一連接梁101-4、第一熱膨脹細(xì)梁101-5、第六錨區(qū)101-6、第二錨區(qū)101-7、第二細(xì)梁101-8、第二寬梁101-9、第二連接梁101-10、第二熱膨脹細(xì)梁101-11、第五錨區(qū)101-12、第一水平細(xì)梁101-13、第一豎直細(xì)梁101-14、水平寬梁101-15、第二豎直細(xì)梁101-16、第二水平細(xì)梁101-17。
[0017]靜電驅(qū)動(dòng)的懸臂梁?jiǎn)卧?02 ;第三錨區(qū)102-1、上水平細(xì)梁102_2、靜電驅(qū)動(dòng)電極由錨區(qū)102-3、與之連接的電極102-4。
[0018]帶測(cè)微游標(biāo)的止擋單元103 ;動(dòng)齒103-1、第一定齒103_2、第二定齒103-3、止擋桿103-4。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0020]測(cè)試結(jié)構(gòu)由三部分組成:相對(duì)型電熱驅(qū)動(dòng)單元101 ;帶測(cè)微游標(biāo)的止擋單元103 ;靜電驅(qū)動(dòng)的懸臂梁?jiǎn)卧?02。
[0021]所述相對(duì)型電熱驅(qū)動(dòng)單元101由左右兩個(gè)完全相同的MEMS常規(guī)電熱執(zhí)行器相對(duì)連接構(gòu)成。左邊部分的MEMS電熱執(zhí)行器由第一錨區(qū)101-1、第一細(xì)梁101-2、第一寬梁101-3、第一連接梁101-4、第一熱膨脹細(xì)梁101-5、第六錨區(qū)101-6順時(shí)針連接組成。右邊部分的MEMS電熱執(zhí)行器由第二錨區(qū)101-7、第二細(xì)梁101-8、第二寬梁101-9、第二連接梁101-10、第二熱膨脹細(xì)梁101-11、第五錨區(qū)101-12逆時(shí)針連接組成。連接兩部分的MEMS電熱執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)包括第一水平細(xì)梁101-13、第二水平細(xì)梁101-17、第一豎直細(xì)梁101-14、第二豎直細(xì)梁101-16、水平寬梁101-15，其中，左邊的第一水平細(xì)梁1