绝缘衬底上厚膜硅材料杨氏模量测试结构.pdf

本发明提出了一种绝缘衬底上厚膜硅材料杨氏模量测试结构，用于测量绝缘衬底上厚膜硅材料的杨氏模量。测试结构由三部分组成：相对型电热驱动单元；带测微游标的止挡单元；静电驱动的悬臂梁单元。相对型电热驱动单元和带测微游标的止挡单元垂直连接。利用静电力驱动悬臂梁做面内的横向弯曲运动。止挡结构用于控制弯曲量，并用于防止出现吸合而产生的测量不稳定问题。止挡结构的移动由热膨胀驱动结构实现，止挡结构的移动量由游标进行测量。为防止工艺误差导致的位置测不准问题，采用两次测位的方式进行，即第一次热驱动止挡结构接触到悬臂梁，读出游标位置，然后减小驱动电流产生微小的间隙，由游标记录这种间隙即最终的弯曲挠度。

1.  一种绝缘衬底上厚膜硅材料杨氏模量测试结构，其特征在于该测试结构由三部分组成：相对型电热驱动单元(101)；带测微游标的止挡单元(103)；静电驱动的悬臂梁单元(102)；
所述带测微游标的止挡单元(103)中的动齿(103-1)的下端与相对型电热驱动单元(101)中的水平宽梁(101-15)垂直连接，动齿(103-1)的轴线和相对型电热驱动单元(101)的中心线重叠；
所述静电驱动的悬臂梁单元(102)位于带测微游标的止挡单元(103)的上端，由悬臂梁和静电驱动电极组成，其中，悬臂梁由第三锚区(102-1)和上水平细梁(102-2)连接而成，静电驱动电极由锚区(102-3)和与之连接的电极(102-4)构成，静电驱动电极位于静电驱动的悬臂梁单元(102)的末端。

2.  根据权利要求1所述的一种绝缘衬底上厚膜硅材料杨氏模量测试结构，其特征在于，所述相对型电热驱动单元(101)由左右两个完全相同的MEMS常规电热执行器相对连接构成，左边部分的MEMS电热执行器由第一锚区(101-1)、第一细梁(101-2)、第一宽梁(101-3)、第一连接梁(101-4)、第一热膨胀细梁(101-5)、第六锚区(101-6)顺时针连接组成；右边部分的MEMS电热执行器由第二锚区(101-7)、第二细梁(101-8)、第二宽梁(101-9)、第二连接梁(101-10)、第二热膨胀细梁(101-11)、第五锚区(101-12)逆时针连接组成；连接两个MEMS电热执行器的结构包括第一水平细梁(101-13)、第二水平细梁(101-17)、第一竖直细梁(101-14)、第二竖直细梁(101-16)、水平宽梁(101-15)，其中，左边的第一水平细梁(101-13)左端连接到第一部分MEMS电热执行器的第一宽梁(101-3)，右端和第一竖直细梁(101-14)连接，右边的第二水平细梁(101-17)右端连接到第二部分MEMS电热执行器的第二宽梁(101-9)，左端和第二竖直细梁(101-16)连接，第一竖直细梁(101-14)、第二竖直细梁(101-16)的上端与水平宽梁(101-15)连接。

3.  根据权利要求1所述的一种绝缘衬底上厚膜硅材料杨氏模量测试结构，其特征在于，所述带测微游标的止挡单元(103)由测微游标和止挡杆(103-4)组成，其中，测微游标由竖直运动的动齿(103-1)、第一定齿(103-2)、第二定齿(103-3)组成；竖直运动的动齿(103-1)为一左右两边均匀分布若干齿并且左右相对的齿一一对齐的结构，所有齿的宽度和齿的间距均相等，第一定齿(103-2)、第二定齿(103-3)则为固定不动的单边齿结构，所有齿的宽度都和动齿(103-1)的齿相同，但齿间距齿的宽度大1△，△是游标尺的分辨率，第一定齿(103-2)位于竖直运动的动齿(103-1)左边，齿边向右，第二定齿(103-3)位于竖直运动的动齿(103-1)右边，齿边向左，自下而上，动齿(103-1)的第一齿相对第一定齿(103-2)的第一齿偏下1△，由于定齿(103-1)的所有齿间距比齿的宽 度大1△，因此，动齿(103-1)的第二齿相对第一定齿(103-1)的第二齿偏下2△，以此类推，动齿(103-1)第n个齿相对第一定齿(103-2)的第n个齿偏下n△；动齿(103-1)的齿相对第二定齿(103-3)的关系延续了左边关系，即当动齿(103-1)和第一定齿(103-2)最上端齿的偏差为m△时，动齿(103-1)的第一齿相对第二定齿(103-3)的第一齿偏下(m+1)△；止挡杆(103-4)下端和动齿(103-1)的上端连接，具有同一个轴线。

绝缘衬底上厚膜硅材料杨氏模量测试结构
技术领域
本发明提供了一种绝缘衬底上厚膜硅材料杨氏模量的测试结构。属于微机电系统(MEMS)材料参数测试技术领域。
背景技术
微机电器件的性能与材料参数有密切的关系，由于加工过程的影响，一些材料参数将产生变化，这些由加工工艺所导致的不确定因素，将使得器件设计与性能预测出现不确定和不稳定的情况。材料参数测试目的就在于能够实时地测量由具体工艺制造的微机电器件材料参数，对工艺的稳定性进行监控，并将参数反馈给设计者，以便对设计进行修正。因此，不离开加工环境并采用通用设备进行的测试成为工艺监控的必要手段。材料力学性能的物理参数主要包括杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等。
在MEMS技术领域内，绝缘衬底上的硅膜(一种SOI材料)是一种常用的衬底材料，主要由三层材料叠合而成，自下而上为大衬底-绝缘层-硅膜层。这类SOI材料通常采用两类方法制造：注氧和键合。键合形成的SOI材料上的硅膜厚度在几微米到几十微米，属于绝缘衬底上的厚膜硅材料。SOI材料中的绝缘层主要是二氧化硅，二氧化硅通常只有几十纳米，这些二氧化硅常作为制作MEMS器件的牺牲层，即这层二氧化硅在结构下的部分最终将被腐蚀掉，这样，上层硅膜所制作的结构可以做离面或面内运动。不论是注氧工艺还是键合工艺，都可能在上面的硅膜中形成应力。绝缘衬底上的硅膜为单晶硅薄膜，其薄膜材料的力学参数和晶向有关。采用绝缘衬底上的厚膜硅所制作的MEMS器件通常是面内运动形式。
目前大多数微机电材料参数在线测试结构主要是测量微机械表面加工工艺所制作的薄膜材料，如各层多晶硅、金属层等。随着绝缘衬底上的硅膜材料在MEMS加工中越来越多的得到应用，对于绝缘衬底上硅膜材料的杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等力学参数的在线测量需求越来越大。
静电驱动是MEMS微结构运动的常用驱动形式。利用静电力驱动一个悬臂梁做面内的横向弯曲运动，可以由弯曲的挠度和所施加的静电力计算得到杨氏模量。采用静电驱动方式的一个重要问题是吸合现象，由于吸合现象属于非稳态情况，测量数据的准确性也不稳定，因此，在静电驱动结构中应尽可能避免出现吸合。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种绝缘衬底上厚膜硅材料杨氏模量测试结构，测量材料的杨氏模量通常需要知道结构受力大小和结构受力所产生的形变或弯曲的挠度。
技术方案：本发明利用静电力驱动一个悬臂梁做面内的横向弯曲运动。利用一个可移动限位并可测量的止挡结构控制弯曲量，并用于防止出现吸合而产生的测量不稳定问题。止挡结构的移动由热膨胀驱动结构实现，止挡结构的移动量由游标进行测量。为防止工艺误差导致的位置测不准问题，采用两次测位的方式进行，即第一次热驱动止挡结构接触到悬臂梁，读出游标位置，然后减小驱动电流产生微小的间隙，由游标记录这种间隙即最终的弯曲挠度。加载静电，当悬臂梁与止挡结构接触时，由静电力和弯曲挠度计算杨氏模量。为实现上述目的，本发明采用的一种绝缘衬底上厚膜硅材料杨氏模量测试结构技术方案是：
该测试结构由三部分组成：相对型电热驱动单元；带测微游标的止挡单元；静电驱动的悬臂梁单元；
所述带测微游标的止挡单元中的动齿的下端与相对型电热驱动单元中的水平宽梁垂直连接，动齿的轴线和相对型电热驱动单元的中心线重叠；
所述静电驱动的悬臂梁单元位于带测微游标的止挡单元的上端，由悬臂梁和静电驱动电极组成，其中，悬臂梁由第三锚区和上水平细梁连接而成，静电驱动电极由锚区和与之连接的电极构成，静电驱动电极位于静电驱动的悬臂梁单元的末端。
所述相对型电热驱动单元由左右两个完全相同的MEMS常规电热执行器相对连接构成，左边部分的MEMS电热执行器由第一锚区、第一细梁、第一宽梁、第一连接梁、第一热膨胀细梁、第六锚区顺时针连接组成；右边部分的MEMS电热执行器由第二锚区、第二细梁、第二宽梁、第二连接梁、第二热膨胀细梁、第五锚区逆时针连接组成；连接两个MEMS电热执行器的结构包括第一水平细梁、第二水平细梁、第一竖直细梁、第二竖直细梁、水平宽梁，其中，左边的第一水平细梁左端连接到第一部分MEMS电热执行器的第一宽梁，右端和第一竖直细梁连接，右边的第二水平细梁右端连接到第二部分MEMS电热执行器的第二宽梁，左端和第二竖直细梁连接，第一竖直细梁、第二竖直细梁的上端与水平宽梁连接。
所述带测微游标的止挡单元由测微游标和止挡杆组成，其中，测微游标由竖直运动的动齿、第一定齿、第二定齿组成；竖直运动的动齿为一左右两边均匀分布若干齿并且左右相对的齿一一对齐的结构，所有齿的宽度和齿的间距均相等，第一定齿、第二定齿则为固定不动的单边齿结构，所有齿的宽度都和动齿的齿相同，但齿间距齿的宽度大1△，△是游标尺的分辨率，第一定齿位于竖直运动的动齿左边，齿边向右，第二定齿位于竖直运动的动齿右边，齿边向左，自下而上，动齿的第一齿相对第一定齿的第一齿偏下1△，由于定齿的所有齿间距比齿的宽度大1△，因此，动齿的第二齿相对第一定齿的第二齿偏下2△，以此类推，动齿 第n个齿相对第一定齿的第n个齿偏下n△；动齿的齿相对第二定齿的关系延续了左边关系，即当动齿和第一定齿最上端齿的偏差为m△时，动齿的第一齿相对第二定齿的第一齿偏下(m+1)△；止挡杆下端和动齿的上端连接，具有同一个轴线。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的最大优点在于绝缘衬底上的厚膜硅材料杨氏模量测试方法简单，测试设备要求低，测试过程及测试参数值稳定。加工过程与微机电器件同步，没有特殊加工要求。完全符合在线测试的要求。计算方法仅限于简单数学公式。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的计算方法极其简单，适应性广。
附图说明
图1是本发明的测试结构。
图中有：相对型电热驱动单元101；第一锚区101-1、第一细梁101-2、第一宽梁101-3、第一连接梁101-4、第一热膨胀细梁101-5、第六锚区101-6、第二锚区101-7、第二细梁101-8、第二宽梁101-9、第二连接梁101-10、第二热膨胀细梁101-11、第五锚区101-12、第一水平细梁101-13、第一竖直细梁101-14、水平宽梁101-15、第二竖直细梁101-16、第二水平细梁101-17。
静电驱动的悬臂梁单元102；第三锚区102-1、上水平细梁102-2、静电驱动电极由锚区102-3、与之连接的电极102-4。
带测微游标的止挡单元103；动齿103-1、第一定齿103-2、第二定齿103-3、止挡杆103-4。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做更进一步的说明。
测试结构由三部分组成：相对型电热驱动单元101；带测微游标的止挡单元103；静电驱动的悬臂梁单元102。
所述相对型电热驱动单元101由左右两个完全相同的MEMS常规电热执行器相对连接构成。左边部分的MEMS电热执行器由第一锚区101-1、第一细梁101-2、第一宽梁101-3、第一连接梁101-4、第一热膨胀细梁101-5、第六锚区101-6顺时针连接组成。右边部分的MEMS电热执行器由第二锚区101-7、第二细梁101-8、第二宽梁101-9、第二连接梁101-10、第二热膨胀细梁101-11、第五锚区101-12逆时针连接组成。连接两部分的MEMS电热执行器的结构包括第一水平细梁101-13、第二水平细梁101-17、第一竖直细梁101-14、第二竖直细梁101-16、水平宽梁101-15，其中，左边的第一水平细梁101-13左端连接到左边部分的MEMS电热执行器的宽梁101-3，右端和第一竖直细梁101-14连接，右边的第二 水平细梁101-17右端连接到右边部分的MEMS电热执行器的宽梁101-9，左端和第二竖直细梁101-16连接，第一竖直细梁101-14、第二竖直细梁101-16的上端与水平宽梁101-15连接。
所述带测微游标的止挡单元103由测微游标和止挡杆103-4组成。其中，测微游标由竖直运动的动齿103-1、第一定齿103-2、第二定齿103-3组成。竖直运动的动齿103-1为一左右两边均匀分布若干齿并且左右相对的齿一一对齐的结构，所有齿的宽度和齿的间距均相等。第一定齿103-2、第二定齿103-3则为固定不动的单边齿结构，所有齿的宽度都和动齿103-1的齿相同，但齿间距比齿的宽度大1△，△是游标尺的分辨率。第一定齿103-2位于竖直运动的动齿103-1左边，齿边向右，第二定齿103-3位于竖直运动的动齿103-1右边，齿边向左。自下而上，动齿103-1的第一齿相对第一定齿103-2的第一齿偏下1△，由于动齿103-1的所有齿间距比齿的宽度大1△，因此，动齿103-1的第二齿相对第一定齿103-1的第二齿偏下2△，以此类推，动齿103-1第n个齿相对第一定齿103-2的第n个齿偏下n△。动齿103-1的齿相对第二定齿103-3的关系延续了左边关系，即当动齿103-1和第一定齿103-2最上端齿的偏差为m△时，动齿103-1的第一齿相对第二定齿103-3的第一齿偏下(m+1)△。止挡杆103-4下端和动齿103-1的上端连接，具有同一个轴线。
所述带测微游标的止挡单元103中的动齿103-1的下端和相对型电热驱动单元101中的水平宽梁101-15垂直连接。动齿103-1的轴线和相对型电热驱动单元101的中心线重叠。
所述静电驱动的悬臂梁单元102位于带测微游标的止挡单元103的上端，由悬臂梁和静电驱动电极组成，其中，悬臂梁由第三锚区102-1和上水平细梁102-2连接而成，静电驱动电极由锚区102-3和与之连接的电极102-4构成，静电驱动电极位于静电驱动的悬臂梁单元102的末端。
具体的测试过程如下：
首先通过第一锚区101-1、第六锚区101-6(第二锚区101-7、第五锚区101-12)对相对型电热驱动单元101施加驱动电流，使止挡杆103-4上端接触到上水平细梁102-2，读出游标位置。然后减小驱动电流使止挡杆103-4脱离上水平细梁102-2直至达到最近的一个游标对准位置，记录游标的位置，两次游标位置差即为上水平细梁102-2弯曲的测试挠度。利用静电力驱动一个悬臂梁做面内的横向弯曲运动，当上水平细梁102-2与止挡杆103-4上端接触接触时停止测试并计算静电力，由静电力和弯曲挠度计算杨氏模量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。