專利名稱：一種微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械系統(tǒng)(文中簡稱MEMS)制造、性能及其可靠性測試的領(lǐng)域，具體來說，涉及一種微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)及測量方法。
背景技術(shù)：
MEMS器件，如開關(guān)、加速度計(jì)等，其中的可動(dòng)結(jié)構(gòu)在工作中常常會(huì)出現(xiàn)兩表面互相粘連在一起的現(xiàn)象，導(dǎo)致MEMS器件失效。粘附與可動(dòng)結(jié)構(gòu)的材料、幾何尺寸以及加工工藝密切相關(guān)，影響因素復(fù)雜。為了了解和掌握MEMS器件在不同環(huán)境下的粘附特性，提供一種方便且準(zhǔn)確的接觸粘附力測量方法顯得非常必要。目前粘附力的測量方法主要是利用原子力顯微鏡對兩塊材料的粘附力進(jìn)行測量，也有利用白光干涉儀，通過測量梁的粘附臨界長度計(jì)算粘附能，間接獲取粘附力信息?，F(xiàn)有的測量方法，操作要求高，儀器成本昂貴。因此，提供一種電學(xué)測量方法，直接獲取有關(guān)粘附力的信息，顯得更為方便和實(shí)用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)，利用該測量結(jié)構(gòu)能夠獲取被測十字梁的粘附力性能，同時(shí)本發(fā)明還提供該測量結(jié)構(gòu)的測量方法，該方法方便易行，結(jié)果可靠。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)，所述的測量結(jié)構(gòu)包括襯底、被測十字梁、參考十字梁、用于靜電激勵(lì)的下拉電極、用于粘附分離的拉動(dòng)電極、襯底接觸電極和窄條電極組；被測十字梁和參考十字梁具有相同尺寸和形狀，且由相同材料制成；被測十字梁由第一橫梁和與第一橫梁垂直交叉連接的第一扭轉(zhuǎn)支撐梁組成，參考十字梁由第二橫梁和與第二橫梁垂直交叉連接的第二扭轉(zhuǎn)支撐梁組成，第一橫梁平行于第二橫梁，第一扭轉(zhuǎn)支撐梁的兩端和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁的兩端分別通過錨區(qū)連接在襯底上，且第一扭轉(zhuǎn)支撐梁和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁位于同一直線上；下拉電極、拉動(dòng)電極、襯底接觸電極和窄條電極組均連接在襯底上，襯底接觸電極和下拉電極位于第一橫梁同一側(cè)下方，且襯底接觸電極位于第一橫梁端部的下方；窄條電極組位于第二橫梁一側(cè)端部的下方；拉動(dòng)電極位于第一橫梁另一側(cè)和第二橫梁另一側(cè)的下方；所述的窄條電極組包括至少三根相互平行布置的窄條電極，相鄰窄條電極之間留有間隙，每根窄條電極的末端均連接一個(gè)壓焊塊。上述的微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)的測量方法，所述的測量方法包括以下步驟步驟I)在被測十字梁和下拉電極之間，以及參考十字梁和下拉電極之間施加電壓，第一橫梁和第二橫梁的同一側(cè)端部將同步向下彎曲，并與下方的襯底接觸電極或窄條電極組相接觸，施加電壓越大，接觸長度越長；步驟2)測量窄條電極組中各窄條電極的接通情況，判斷參考十字梁與窄條電極組的接觸位置，該接觸位置的長度等同于被測十字梁與襯底接觸電極的接觸長度；步驟3)逐步減小下拉電極上的電壓，直至為零，若第一橫梁重新彈起離開襯底，則被測十字梁未發(fā)生粘附，返回步驟1)，并加大施加在被測十字梁和下拉電極之間，以及參考十字梁和下拉電極之間的電壓；若第一橫梁無法彈起，則被測十字梁發(fā)生粘附，進(jìn)入步驟4)；步驟4)在用于粘附分離的拉動(dòng)電極上施加電壓，第一橫梁的一端向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)第一扭轉(zhuǎn)支撐梁扭轉(zhuǎn)，從而使第一橫梁發(fā)生粘附的另一端翹起，使粘附分離；5)根據(jù)步驟4)中施加在被測十字梁與拉動(dòng)電極之間的電壓，得到施加的靜電力，再由杠桿原理推算得到一定接觸長度下的粘附力。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案可以準(zhǔn)確測量微懸臂梁的粘附力。本發(fā)明通過增加參考十字梁與窄條電極組的接觸結(jié)構(gòu)，既能反映MEMS可動(dòng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際接觸情況，又能提供度量接觸長度的手段。通過帶有扭轉(zhuǎn)支撐梁的十字梁結(jié)構(gòu)，在靜電力的作 用下，能夠形成如蹺蹺板般的起伏運(yùn)動(dòng)，使十字梁易于實(shí)現(xiàn)粘附和粘附分離之間的轉(zhuǎn)換。由杠桿原理即可推算得到一定接觸長度下的粘附力。本發(fā)明提供的測量方法簡單易行，能夠?qū)崿F(xiàn)不同粘附長度下的粘附力測量。在整個(gè)測量過程中施加和檢測的都是電學(xué)參量，由于接觸和非接觸的電阻相差很大，易于測量。因此，整個(gè)測試過程測量速度較快，且對測量儀器的要求低，可以很方便的實(shí)現(xiàn)在線測試。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中省卻被測十字梁2和參考十字梁3后的襯底結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有襯底I、被測十字梁2、參考十字梁3、下拉電極4、拉動(dòng)電極5、襯底接觸電極6、窄條電極組7、第一橫梁21、第一扭轉(zhuǎn)支撐梁22、第二橫梁31、第二扭轉(zhuǎn)支撐梁32、壓焊塊71 — 79、錨區(qū)81—84。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。如圖I和圖2所示，本發(fā)明的一種微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)，包括襯底I、被測十字梁2、參考十字梁3、用于靜電激勵(lì)的下拉電極4、用于粘附分離的拉動(dòng)電極
5、襯底接觸電極6和窄條電極組7。被測十字梁2和參考十字梁3具有相同尺寸和形狀，且由相同材料制成。被測十字梁2由第一橫梁21和與第一橫梁21垂直交叉連接的第一扭轉(zhuǎn)支撐梁22組成。參考十字梁3由第二橫梁31和與第二橫梁31垂直交叉連接的第二扭轉(zhuǎn)支撐梁32組成。第一橫梁21平行于第二橫梁31。第一扭轉(zhuǎn)支撐梁22的兩端和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁32的兩端分別通過錨區(qū)連接在襯底I上，且第一扭轉(zhuǎn)支撐梁22和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁32位于同一直線上。被測十字梁2和錨區(qū)可以做成整體式結(jié)構(gòu)。參考十字梁3和錨區(qū)也可以做成整體式結(jié)構(gòu)。下拉電極4、拉動(dòng)電極5、襯底接觸電極6和窄條電極組7均連接在襯底I上。襯底接觸電極6和下拉電極4位于第一橫梁21同一側(cè)下方，且襯底接觸電極6位于第一橫梁21端部的下方。窄條電極組7位于第二橫梁31 —側(cè)端部的下方。拉動(dòng)電極5位于第一橫梁21另一側(cè)和第二橫梁31另一側(cè)的下方。窄條電極組7包括至少三根相互平行布置的窄條電極，相鄰窄條電極之間留有間隙，每根窄條電極的末端均連接一個(gè)壓焊塊。如圖I所示，窄條電極組由9個(gè)窄條電極組成。9個(gè)窄條電極的末端連接有壓焊塊71—79。第一扭轉(zhuǎn)支撐梁22的兩端和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁32的兩端連接在錨區(qū)81—84上，錨區(qū)81 — 84固定連接在襯底I上。圖示只是舉例，窄條電極的個(gè)數(shù)不限于圖示中的9個(gè)。該測量結(jié)構(gòu)中的襯底I用單晶硅制成。被測十字梁2和參考十字梁3可以是摻雜的多晶硅或單晶硅梁，也可以是金屬梁。下拉電極4、拉動(dòng)電極5、襯底接觸電極6、窄條電極和壓焊塊均為金屬材料制成(金或鋁)。窄條電極的寬度和間隔可根據(jù)測量精度和工藝精度確定，優(yōu)選為幾個(gè)Pm。在加工該測量結(jié)構(gòu)時(shí)，可以作為陪片一同加工，無須專門制作，與傳統(tǒng)MEMS梁的制作過程類似。實(shí)際應(yīng)用中，MEMS可動(dòng)梁的襯底接觸電極多為光板式。上述結(jié)構(gòu)的微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)的具體測量步驟如下·
(I)在被測十字梁2和下拉電極4之間，以及參考十字梁3和下拉電極4之間施加相同的直流電壓，在靜電力作用下，第一橫梁21和第二橫梁31的同一側(cè)端部將同步向下彎曲，圖I中為左側(cè)端部向下彎曲，隨施加的直流電壓逐步增加，第一橫梁21和第二橫梁31的彎曲加大，并與下方的襯底接觸電極6或窄條電極組7相接觸。施加的直流電壓越大，接觸長度越長。因?yàn)楸粶y十字梁2和參考十字梁3的材料和尺寸完全相同，所以在相同靜電力作用下，被測十字梁2和參考十字梁3與襯底的接觸長度相等。(2)當(dāng)參考十字梁3的第二橫梁31與兩條及兩條以上的窄條電極相接觸時(shí)，將使相應(yīng)的窄條電極接通，依次測量壓焊塊之間的電阻，如圖I中的壓焊塊71與72之間、壓焊塊71與73之間、壓焊塊71與74之間、…、壓焊塊71與79之間的電阻；當(dāng)電阻值小于100 Ω量級時(shí)，則參考十字梁3已接觸到相應(yīng)窄條電極處；若電阻值大于ΜΩ量級時(shí)，則參考十字梁3未接觸到相應(yīng)窄條電極處。這樣，通過測量各窄條電極之間的電阻值，可判斷參考十字梁3中的第二橫梁31與窄條電極組7的接觸位置。該接觸位置等于被測十字梁2與襯底接觸電極6的接觸長度。(3)對于一定接觸長度的被測十字梁2，當(dāng)逐步減小其與下拉電極4之間所施加的電壓，直至為零時(shí)，被測十字梁2與襯底接觸電極6之間的電阻值，若電阻值大于ΜΩ量級，則表明第一橫梁21重新彈起，并離開襯底1，該被測十字梁2未發(fā)生粘附，返回步驟1)，并加大施加在被測十字梁2和下拉電極4之間，以及參考十字梁3和下拉電極4之間的電壓；若電阻值小于100Ω量級，則表明第一橫梁21無法彈起，發(fā)生粘附，進(jìn)入步驟(4)。當(dāng)外加電壓撤除后，十字梁或者粘附(即與襯底接觸襯底接觸電極之間的電阻小于100Ω)，或者彈起(即與襯底分離電阻大于ΜΩ量級)。(4)對于發(fā)生粘附的被測十字梁2，在用于粘附分離的拉動(dòng)電極5和被測十字梁2之間施加直流電壓，第一橫梁21的一端向下運(yùn)動(dòng)，圖I中為第一橫梁21的右端向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)第一扭轉(zhuǎn)支撐梁22扭轉(zhuǎn)，從而使第一橫梁21的另一端翹起，圖I中為第一橫梁21的左端翹起，粘附分離。(5)根據(jù)步驟(4)中施加在被測十字梁2與拉動(dòng)電極5之間的電壓，得到施加的靜電力，再由杠桿原理推算得到一定粘附長度下的粘附力。當(dāng)參考十字梁3與窄條電極之間發(fā)生粘附時(shí)，上述測量方法還包括步驟(6)。步驟(6 )在參考十字梁3與拉動(dòng)電極5之間施加電壓，使第二橫梁31的一端向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)第二扭轉(zhuǎn)支撐梁32扭轉(zhuǎn)，從而使第二橫梁31發(fā)生粘附的另一端翹起，使粘附分離，恢復(fù)到原狀。上述方法提供了施加一種電壓值下，測量得到的粘附力。當(dāng)需要可獲取不同接觸長度下的粘附力時(shí)，就進(jìn)行步驟(7)的操作。步驟(7)重復(fù)步驟I一步驟6，在被測十字梁2和下拉電極4之間，以及參考十字梁3和下拉電極4之間施加不同電壓，使被測十字梁2和參考十字梁3與襯底I的接觸長度不同，獲取不同接觸長度下的粘附力。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的測量結(jié)構(gòu)包括襯底(I)、被測十字梁(2)、參考十字梁(3)、用于靜電激勵(lì)的下拉電極(4)、用于粘附分離的拉動(dòng)電極(5)、襯底接觸電極(6)和窄條電極組(7); 被測十字梁(2)和參考十字梁(3)具有相同尺寸和形狀，且由相同材料制成；被測十字梁(2)由第一橫梁(21)和與第一橫梁(21)垂直交叉連接的第一扭轉(zhuǎn)支撐梁(22)組成，參考十字梁(3)由第二橫梁(31)和與第二橫梁(31)垂直交叉連接的第二扭轉(zhuǎn)支撐梁(32)組成，第一橫梁(21)平行于第二橫梁(31)，第一扭轉(zhuǎn)支撐梁(22)的兩端和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁(32)的兩端分別通過錨區(qū)連接在襯底(I)上，且第一扭轉(zhuǎn)支撐梁(22 )和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁(32 )位于同一直線上； 下拉電極(4)、拉動(dòng)電極(5 )、襯底接觸電極(6 )和窄條電極組(7 )均連接在襯底(I)上，襯底接觸電極(6)和下拉電極(4)位于第一橫梁(21)同一側(cè)下方，且襯底接觸電極(6)位于第一橫梁(21)端部的下方；窄條電極組(7)位于第二橫梁(31) —側(cè)端部的下方；拉動(dòng)電極(5)位于第一橫梁(21)另一側(cè)和第二橫梁(31)另一側(cè)的下方；所述的窄條電極組(7)包括至少三根相互平行布置的窄條電極，相鄰窄條電極之間留有間隙，每根窄條電極的末端均連接一個(gè)壓焊塊。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)的測量方法，其特征在于，所述的測量方法包括以下步驟 步驟I)在被測十字梁(2)和下拉電極(4)之間，以及參考十字梁(3)和下拉電極(4)之間施加電壓，第一橫梁(21)和第二橫梁(31)的同一側(cè)端部將同步向下彎曲，并與下方的襯底接觸電極(6)或窄條電極組(7)相接觸，施加電壓越大，接觸長度越長； 步驟2)測量窄條電極組(7)中各窄條電極的接通情況，判斷參考十字梁(3)與窄條電極組(7)的接觸位置，該接觸位置的長度等同于被測十字梁(2)與襯底接觸電極(6)的接觸長度； 步驟3)逐步減小下拉電極(4)上的電壓，直至為零，若第一橫梁(21)重新彈起離開襯底(1)，則被測十字梁(2)未發(fā)生粘附，返回步驟1)，并加大施加在被測十字梁(2)和下拉電極(4)之間，以及參考十字梁(3)和下拉電極(4)之間的電壓；若第一橫梁(21)無法彈起，則被測十字梁(2)發(fā)生粘附，進(jìn)入步驟4)； 步驟4)在用于粘附分離的拉動(dòng)電極(5)上施加電壓，第一橫梁(21)的一端向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)第一扭轉(zhuǎn)支撐梁(22)扭轉(zhuǎn)，從而使第一橫梁(21)發(fā)生粘附的另一端翹起，使粘附分離； 5)根據(jù)步驟4)中施加在被測十字梁(2)與拉動(dòng)電極(5)之間的電壓，得到施加的靜電力，再由杠桿原理推算得到一定接觸長度下的粘附力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)的測量方法，其特征在于，還包括步驟6):在參考十字梁(3)與拉動(dòng)電極(5)之間施加電壓，第二橫梁(31)的一端向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)第二扭轉(zhuǎn)支撐梁(32)扭轉(zhuǎn)，從而使第二橫梁(31)發(fā)生粘附的另一端翹起，使粘附分離，恢復(fù)到原狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)的測量方法，其特征在于，還包括步驟7):重復(fù)步驟I) 一步驟6)，在被測十字梁(2)和下拉電極(4)之間，以及參考十字梁(3)和下拉電極(4)之間施加不同電壓，使被測十字梁(2)和參考十字梁(3)與襯底(I)的接觸長 度不同，獲取不同接觸長度下的粘附力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微機(jī)械系統(tǒng)中微懸臂梁粘附力的測量結(jié)構(gòu)，包括襯底、被測十字梁、參考十字梁、下拉電極、拉動(dòng)電極、襯底接觸電極和窄條電極組；被測十字梁由第一橫梁和第一扭轉(zhuǎn)支撐梁組成，參考十字梁由第二橫梁和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁組成，第一扭轉(zhuǎn)支撐梁和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁分別通過錨區(qū)連接在襯底上；襯底接觸電極和下拉電極位于第一橫梁同一側(cè)下方；窄條電極組位于第二橫梁一側(cè)端部的下方；拉動(dòng)電極位于第一橫梁另一側(cè)和第二橫梁另一側(cè)的下方；所述的窄條電極組包括至少三根相互平行布置的窄條電極，每根窄條電極的末端均連接一個(gè)壓焊塊。利用該測量結(jié)構(gòu)能夠獲取被測十字梁的粘附力性能。本發(fā)明還公開了該測量結(jié)構(gòu)的測量方法，方便易行。
文檔編號G01N19/04GK102944515SQ20121051634
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者唐潔影, 蔣明霞 申請人:東南大學(xué)