一種靜電式mems扭轉梁疲勞強度的測試結構的製作方法

2023-05-26 03:56:51 3

一種靜電式mems扭轉梁疲勞強度的測試結構的製作方法
【專利摘要】一種靜電式MEMS扭轉梁疲勞強度的測試結構，包括襯底、沉積於襯底上表面的四塊下極板、水平懸置在襯底上方的兩個「中」字結構，連接在襯底上的三個錨區；每個「中」字結構由一塊矩形上極板和垂直連接在上極板兩側中部的兩根窄梁構成；兩個「中」字結構相互垂直、通過其中一根窄梁相連，這根窄粱也為被測粱，其餘三根窄梁的另一端分別連接在各自錨區的側面；四塊下極板表面均塗有介質薄層，兩兩一組、並行排列，分別位於兩塊上極板的正下方，形成兩個相互垂直的分立式雙下電極平板電容，當分立式雙下電極平板電容的上極板與其下方的兩塊下極板之間同時施加電壓、交替施加電壓，或只與一塊下極板之間施加電壓時，上極板分別呈現整體下移、兩半邊上下擺動、或一邊下移而另一邊上翹的三種狀態。
【專利說明】一種靜電式MEMS扭轉梁疲勞強度的測試結構

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微機電系統(MEMS)微梁斷裂強度的測試領域，尤其是一種靜電扭轉梁疲勞強度的測試結構。

【背景技術】
[0002]微納材料的力學性能直接影響MEMS器件的性能和可靠性。因此，準確測量材料的力學參數是高性能MEMS器件的保障。斷裂強度是重要力學參數之一，它與薄膜材料的澱積工藝、刻蝕工藝、微結構和幾何形狀有關，因此通過理論計算或軟體模擬無法準確獲知。實際中，更多地是採用實測方法來獲取斷裂強度的信息。斷裂強度最常用的測量方法是通過測試結構的設計，對測試樣品產生量程大、數值可變的加載力，通過直接測量樣品被拉斷時的力來確定樣品的斷裂強度。在實際應用中常用到扭轉梁，當梁反覆扭轉後，必然會發生疲勞損傷，使梁的強度下降，因此提供一種簡單有效的扭轉梁疲勞強度的測試結構是必要的。
[0003]本發明利用兩個分立式雙下電極的平板電容結構實現了靜電驅動下的一種大量程拉伸和周期性扭轉載荷的加載。所設計的測試結構和測試方法簡單易行，能夠用於扭轉梁疲勞強度的測試，具有很好的實用意義。


【發明內容】

[0004]技術問題:本發明提供了一種結構簡單、易於操作的MEMS扭轉梁疲勞強度的測試結構，通過兩個分立式雙下電極平板電容結構的設計，實現對被測微梁的大量程拉伸和周期性扭轉載荷的加載，以滿足扭轉梁疲勞強度的測試。
[0005]技術方案:本發明的一種靜電式MEMS扭轉梁疲勞強度的測試結構包括襯底、沉積於襯底上表面的兩組下極板即左下極板、右下極板、前下極板、後下極板，水平懸置於襯底上方的兩個中字結構，連接在襯底上的三個錨區即第一錨區、第二錨區、第三錨區，整個結構關於縱向中軸線左右對稱；
[0006]所述兩組下極板沉積於襯底的上表面，一組為左右並行排列的兩塊分立的下極板即左下極板和右下極板，另一組為前後並行排列的兩塊分立的下極板即前下極板和後下極板；
[0007]所述中字結構的前中字結構由一塊矩形上極板和垂直連接在第一上極板前後兩側中部的前窄梁和後窄梁構成；後中字結構與前中字結構尺寸、結構完全相同，相互垂直，通過其中一根後窄梁相連，前窄梁的前端接第一錨區，前窄梁的後端接前中字結構；左窄梁的一端接第二錨區，另一端接第二上極板，右窄梁的一端接第三錨區，另一端接第二上極板；
[0008]所述兩個「中」字結構即前中字結構和後中字結構位於同一平面，通過三個錨區即第一錨區、第二錨區和第三錨區懸置在襯底上方，並使第一上極板和第二上極板分別位於兩組分立的左下極板、右下極板、前下極板、後下極板的正上方，形成兩個分立式雙下電極平板電容Cl和C2。
[0009]所述左下極板、右下極板、前下極板和後下極板上均塗覆有介質薄層，該介質薄層材料為氧化矽。
[0010]所述左下極板、右下極板、前下極板和後下極板材料為摻雜多晶矽。
[0011]所述下極板和上極板的材料相同。
[0012]有益效果:利用兩個分立式雙下電極的平板電容結構，提供了一種靜電驅動下的大量程加載方式，避免了一般熱驅動方式帶來的加載力不易確定的缺點，同時還具備周期性扭轉載荷的加載功能，完成扭轉梁的疲勞強度測試。該發明結構簡單，易於加工且測試方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的結構示意圖，
[0014]圖2為襯底頂面的示意圖。
[0015]圖中包括:襯底1，左下極板201、右下極板202、前下極板203、後下極板204，前中字結構3、矩形上極板301、前窄梁302、後窄梁303，後中字結構4、左窄梁402、第二上極板401，右窄梁403，第一錨區501、第二錨區502、第三錨區503。平板電容Cl和C2。

【具體實施方式】
[0016]本發明的靜電式MEMS扭轉梁疲勞強度的測試結構，包括襯底、沉積於襯底上表面的四塊下極板、水平懸置在襯底上方的兩個「中」字結構，連接在襯底上的三個錨區；每個「中」字結構由一塊矩形上極板和垂直連接在上極板兩側中部的兩根窄梁構成；兩個「中」字結構相互垂直、通過其中一根窄梁相連，其餘三根窄梁的另一端分別連接在各自錨區的側面；四塊下極板表面均塗有介質薄層，兩兩一組、並行排列，分別位於兩塊上極板的正下方，形成兩個相互垂直的分立式雙下電極平板電容，整個結構關於縱向中軸線左右對稱。
[0017]當分立式雙下電極平板電容的上極板與其下方的兩塊下極板之間同時施加電壓、交替施加電壓，或只與一塊下極板之間施加電壓時，上極板分別呈現整體下移、兩半邊上下擺動、或一邊下移而另一邊上翹的三種狀態。由此可實現對微梁的拉伸或扭轉作用，完成扭轉梁疲勞強度的測試。
[0018]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0019]結合圖1和圖2所示，靜電式MEMS扭轉梁疲勞強度的測試結構:包括襯底1、沉積於襯底I上表面的兩組下極板即左下極板201、右下極板202、前下極板203、後下極板204，水平懸置於襯底I上方的兩個「中」字結構即前中字結構3和後中字結構4，連接在襯底上的三個錨區即第一錨區501、第二錨區502、第三錨區503，整個結構關於縱向中軸線左右對稱；
[0020]兩組表面均塗有介質層的下極板，一組為左右並行排列的兩塊分立的左下極板201、右下極板202,另一組為前後並行排列的兩塊分立的前下極板203、後下極板204 ；
[0021]前中字結構3由一塊矩形上極板301和分別垂直連接在上極板301兩側中部的兩根窄梁即前窄梁302、後窄梁303構成；後中字結構4與前中字結構3尺寸、結構完全相同；
[0022]兩個「中」字結構相互垂直、通過其中一根後窄梁303相連，其餘三根窄梁即前窄梁302、左窄梁402、右窄梁403的另一端分別連接在各自錨區即第一錨區501、第二錨區502、第三錨區503的側面；
[0023]兩個「中」字結構位於同一平面，通過三個錨區第一錨區501、第二錨區502、第三錨區503懸置在襯底I上方，並使兩個上極板即矩形上極板301和第二上極板401分別位於兩組分立的左下極板201、右下極板202、前下極板203、後下極板204的正上方，形成兩個分立式雙下電極平板電容Cl和C2。
[0024]該測量結構的製備可採用常規的MEMS表面加工工藝，也可採用體加工工藝。這裡以表面加工工藝為例，襯底I的材料可用單晶矽、犧牲層可用磷矽玻璃(PSG)、結構層(矩形上極板301和第二上極板401、前窄梁302、後窄梁303、左窄梁402、右窄梁403)可用摻雜的多晶矽，加工中常採用溼法腐蝕的方法去除犧牲層而釋放出結構層。下極板2為摻雜多晶矽，且表面沉積一層薄介質層，可以是S12等常用材料。
[0025]被測窄梁扭轉疲勞強度的測試方法如下
[0026]襯底1，左下極板201、右下極板202、前下極板203、後下極板204，前中字結構3、矩形上極板301、前窄梁302、後窄梁303，後中字結構4、左窄梁402、第二上極板401，右窄梁403，第一錨區501、第二錨區502、第三錨區503。平板電容Cl和C2。
[0027]在矩形上極板301與兩塊下極板即左下極板201、右下極板202之間交替施加電壓，電壓大小一般為幾伏?幾十伏，在靜電力的作用下，矩形上極板301左右兩側周期性的上下擺動，前窄梁302、後窄梁303隨之左右扭轉。
[0028]2.經過一定循環周期，前窄梁302、後窄梁303因反覆扭轉而疲勞，強度下降，這時轉為拉伸斷裂的強度測試。
[0029]3.在矩形上極板301和兩塊下極板即左下極板201、右下極板202之間同時施加電壓(電壓大小一般為幾伏?幾十伏)，在靜電力的作用下，上極板向下移動直至與下極板接觸，記錄此刻的電壓V1。
[0030]4.在第二上極板401與後下極板204之間施加電壓，上極板後半部受靜電力的作用向襯底靠近，使得前半部分在扭轉梁的帶動下向上翹起。電壓越大，上極板前部翹起越高，這時窄梁303受到的拉伸作用也越強。
[0031]5.逐漸增加第二上極板401與後下極板204之間的電壓，同時監測矩形上極板301與第二上極板401之間的電阻。當電阻突然劇增時，表明被測窄梁發生斷裂。
[0032]6.記錄電阻突變時刻第二上極板401與後下極板204之間的電壓大小V2。
[0033]通過電壓Vl和V2可以計算出上極板的位移，進而確定上極板受到的拉伸力。在上述步驟3和步驟4的進行過程中，MEMS微梁的一端被下拉，另一端因扭轉梁作用而上翹，兩端共同作用的結果使拉伸量程較大。
[0034]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種靜電式MEMS扭轉梁疲勞強度的測試結構，其特徵在於該測試結構包括襯底(1)、沉積於襯底(1)上表面的兩組下極板即左下極板(201)、右下極板(202)、前下極板(203)、後下極板(204)，水平懸置於襯底(1)上方的兩個中字結構，連接在襯底上的三個錨區即第一錨區(501)、第二錨區(502)、第三錨區(503)，整個結構關於縱向中軸線左右對稱； 所述兩組下極板沉積於襯底(1)的上表面，一組為左右並行排列的兩塊分立的下極板即左下極板(201)和右下極板(202)，另一組為前後並行排列的兩塊分立的下極板即前下極板(203)和後下極板(204)； 所述中字結構的前中字結構(3)由一塊矩形上極板(301)和垂直連接在第一上極板(301)前後兩側中部的前窄梁(302)和後窄梁(303)構成；後中字結構(4)與前中字結構(3)尺寸、結構完全相同，相互垂直，通過其中一根後窄梁(303)相連，前窄梁(302)的前端接第一錨區(501)，前窄梁(302)的後端接前中字結構(3);左窄梁(402)的一端接第二錨區(502)，另一端接第二上極板(401)，右窄梁(403)的一端接第三錨區(503)，另一端接第二上極板(401)； 所述兩個「中」字結構即前中字結構(3)和後中字結構(4)位於同一平面，通過三個錨區即第一錨區(501)、第二錨區(502)和第三錨區(503)懸置在襯底(1)上方，並使第一上極板(301)和第二上極板(401)分別位於兩組分立的左下極板(201)、右下極板(202 )、前下極板(203)、後下極板(204)的正上方，形成兩個分立式雙下電極平板電容C1和C2。
2.如權利要求1所述的靜電式MEMS扭轉梁疲勞強度的測試結構，其特徵在於:所述左下極板(201)、右下極板(202)、前下極板(203)和後下極板(204)上均塗覆有介質薄層，該介質薄層材料為氧化矽。
3.如權利要求1所述的靜電式MEMS扭轉梁疲勞強度的測試結構，其特徵在於:所述左下極板(201)、右下極板(202)、前下極板(203)和後下極板(204)材料為摻雜多晶娃。
4.如權利要求1所述的靜電式MEMS扭轉梁疲勞強度的測試結構，其特徵在於:所述下極板和上極板的材料相同。
【文檔編號】G01N3/08GK104458456SQ201410767834
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月12日 優先權日:2014年12月12日
【發明者】唐潔影, 王磊 申請人:東南大學