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一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，包括襯底、沉積于襯底上表面的下極板、懸置在下極板上方的上極板以及置于襯底上的錨區(qū)；還有兩個(gè)完全相同的輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括橫梁、縱梁和兩個(gè)輔助橫梁；橫梁的一端連接上極板，另一端連接縱梁；在應(yīng)力作用下各個(gè)梁產(chǎn)生形變，使得電容值發(fā)生變化，測量電容值即可得到應(yīng)力變化。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加大了主縱梁的旋轉(zhuǎn)幅度，顯著增大測量電容的變化量，該測試結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，對測試儀器無特殊要求，為殘余應(yīng)力的測試提供了一種很好地途徑。
【專利說明】一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試領(lǐng)域，尤其是一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容 式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS 是微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems)的縮寫。MEMS 把電子 技術(shù)與機(jī)械特性有機(jī)地結(jié)合了起來，通過懸浮結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)物理、化學(xué)、生物等 方面的功能。其中，表面娃微機(jī)械加工工藝易于與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容,實(shí)現(xiàn)微機(jī)械器件 與CMOS電路的集成，因此應(yīng)用較為廣泛。表面硅微機(jī)械加工工藝，通過在硅片上連續(xù)沉積 功能層、結(jié)構(gòu)層和犧牲層，再利用選擇性腐蝕去除結(jié)構(gòu)層下面的犧牲層而得到懸浮于襯底 表面附近的微結(jié)構(gòu)。懸浮的微結(jié)構(gòu)在電場、磁場等外力作用下可實(shí)現(xiàn)電、熱、磁、機(jī)械之間的 轉(zhuǎn)換，完成感知或執(zhí)行等功能。表面微機(jī)械加工過程中由于薄膜淀積或后處理工藝不可避 免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，過大的殘余應(yīng)力會(huì)造成可動(dòng)結(jié)構(gòu)破裂或徹底失去作用。
[0003]但是，典型的應(yīng)力測試技術(shù)是用光學(xué)方法測定微結(jié)構(gòu)因應(yīng)力釋放長度或彎曲的變 化，通常對光學(xué)設(shè)備的性能有較高要求，在表面微機(jī)械加工過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余 應(yīng)力，過大的殘余應(yīng)力會(huì)造成薄膜結(jié)構(gòu)破裂或變形。因此，必須重視殘余應(yīng)力的測試和分 析，并反饋之設(shè)計(jì)中，以保證設(shè)計(jì)和制造的MEMS器件具備良好的性能指標(biāo)。如何在不增加 多少成本的情況下，完成殘余應(yīng)力的測試工作，成為了研究工作需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了客服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了結(jié)構(gòu)簡單，易于操作的一種增 強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，以及時(shí)檢測表面微機(jī)械加工過程中產(chǎn) 生的殘余應(yīng)力。
[0005]技術(shù)方案:一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在 于:包括襯底、兩塊下極板和上極板、兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和三個(gè)錨區(qū)；
[0006]下極板沉積于襯底上表面；兩個(gè)錨區(qū)置于襯底上；上極板懸置在下極板上方；
[0007]兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)分別是左輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和右輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 完全相同；其中，左輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括左橫梁、左縱梁和兩個(gè)輔助橫梁；左橫梁的右端連接 上極板左側(cè)，左橫梁的左端連接左縱梁，左橫梁與左縱梁垂直；左縱梁的兩側(cè)分別連接一個(gè) 輔助橫梁，連接左縱梁左側(cè)的輔助橫梁的另一端固定在錨區(qū)右側(cè)，連接左縱梁右側(cè)的輔助 橫梁的另一端固定在錨區(qū)左側(cè)；
[0008]右輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括右橫梁、右縱梁、和兩個(gè)輔助橫梁；右橫梁的左端連接上極板 右側(cè)，右橫梁的右端連接右縱梁，所訴右橫梁與右縱梁垂直；右縱梁的兩側(cè)分別連接一個(gè)輔 助橫梁，連接右縱梁右側(cè)的輔助橫梁的另一端固定在錨區(qū)左側(cè)，連接右縱梁左側(cè)的輔助橫 梁的另一端固定在錨區(qū)右側(cè)；
[0009]左橫梁和右橫梁位于同一平面且不在同一水平線上；四個(gè)輔助橫梁位于同一平面且不在同一水平線上；上極板與兩個(gè)輔助結(jié)構(gòu)位于同一平面，該平面與襯底平行；
[0010]兩塊下極板分別位于上極板前后兩端的下方；兩塊下極板的同一側(cè)與上極板對齊，另一側(cè)超出上極板的覆蓋范圍；兩塊下極板被上極板遮蔽的面積相同；下極板與上極板之間分別形成平板電容Cl和C2。應(yīng)力作用下各個(gè)梁產(chǎn)生形變，使得電容值發(fā)生變化，測量電容值即可得到應(yīng)力變化。
[0011 ] 下極板上涂覆有介質(zhì)薄層，該介質(zhì)薄層材料為氮化硅。下極板材料為摻雜多晶硅。兩塊下極板為兩個(gè)完全相同的矩形。下極板和上極板的材料相同。
[0012]有益效果:本發(fā)明通過電容的相對變化來反映殘余應(yīng)力，主要特點(diǎn)在于采用了主、輔兩極旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以加大主縱梁的旋轉(zhuǎn)幅度，顯著增大測量電容的變化量，有利于提高測量精度。該測試結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，對測試儀器無特殊要求，為殘余應(yīng)力的測試提供了一種很好地途徑。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
[0014]圖2為襯底頂面示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0016]結(jié)合圖1和圖2所示，一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，包括襯底1、兩塊下極板2和上極板3、兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和三個(gè)錨區(qū)；
[0017]下極板2沉積于襯底I上表面；兩個(gè)錨區(qū)7置于襯底I上；上極板3懸置在下極板2上方；
[0018]兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)分別是左輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和右輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)完全相同；其中，左輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括左橫梁41、左縱梁51和兩個(gè)輔助橫梁6 ;左橫梁41的右端連接上極板3左側(cè)，左橫梁41的右端連接左縱梁51，左橫梁41與左縱梁51垂直；左縱梁51的兩側(cè)分別連接一個(gè)輔助橫梁6，連接左縱梁左側(cè)的輔助橫梁的另一端固定在錨區(qū)71右側(cè)，連接左縱梁右側(cè)的輔助橫梁的另一端固定在錨區(qū)73左側(cè)；
[0019]右輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括右橫梁42、右縱梁52、和兩個(gè)輔助橫梁6 ;右橫梁42的左端連接上極板3右側(cè)，右橫梁42的左端連接右縱梁52，所訴右橫梁42與右縱梁52垂直；右縱梁52的兩側(cè)分別連接一個(gè)輔助橫梁6，連接右縱梁右側(cè)的輔助橫梁的另一端固定在錨區(qū)72左側(cè)，連接右縱梁左側(cè)的輔助橫梁的另一端固定在錨區(qū)73右側(cè)；
[0020]左橫梁41和右橫梁42位于同一平面且不在同一水平線上；
[0021]四個(gè)輔助橫梁6位于同一平面且不在同一水平線上；
[0022]上極板3與兩個(gè)輔助結(jié)構(gòu)位于同一平面，該平面與襯底I平行；
[0023]兩塊下極板2分別位于上極板3前后兩端的下方；兩塊下極板2的同一側(cè)與上極板3對齊，另一側(cè)超出上極板3的覆蓋范圍；兩塊下極板2被上極板3遮蔽的面積相同；
[0024](為了方便辨別，分別標(biāo)示圖1中相對位于上方的下極板A為21，下方的下極板B為22)
[0025]下極板A21與上極板3之間形成平板電容Cl，下極板B22與上極板3之間形成平板電容C2。
[0026]下極板2上涂覆有介質(zhì)薄層，該介質(zhì)薄層材料為氮化硅。下極板2材料為摻雜多 晶硅。兩塊下極板2為兩個(gè)完全相同的矩形。下極板2和上極板3的材料相同。
[0027]本發(fā)明的主要特點(diǎn)是采用主、輔兩極旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，加大被測電容的變化量。雖 然，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中兩側(cè)橫梁越靠近縱梁的中部，且縱梁越長，旋轉(zhuǎn)幅度就越大，但一味加長縱 梁，結(jié)構(gòu)釋放后縱梁會(huì)向下彎曲與襯底粘附，失去殘余應(yīng)力測試功能。因此，通過旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 間的級(jí)連連接方式可避免這種失效，在實(shí)際加工中易于實(shí)現(xiàn)。
[0028]上述增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力的測試結(jié)構(gòu)，其增強(qiáng)偏轉(zhuǎn)電容以 及測試殘余應(yīng)力的具體方法如下:
[0029]I)存在張應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)層釋放后，輔旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中左橫梁41和右橫梁42發(fā)生收縮， 長度變短，所形成的力矩帶動(dòng)上極板3按逆時(shí)針方向水平旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，左右兩個(gè)輔旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 中的四個(gè)輔橫梁6收縮，使左側(cè)輔旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的左縱梁51按逆時(shí)針方向水平旋轉(zhuǎn)，而右側(cè) 輔旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的右縱梁52按順時(shí)針方向水平旋轉(zhuǎn)。兩側(cè)旋轉(zhuǎn)方向相反的輔縱梁51和52， 通過左橫梁41和右橫梁42進(jìn)一步帶動(dòng)上極板3按逆時(shí)針方向更大幅度地水平旋轉(zhuǎn)。這時(shí)， 上極板3與下極板B22之間對應(yīng)的面積基本不變，但與下極板A21之間對應(yīng)的面積隨著上 極板3旋轉(zhuǎn)角度的增大而減小。因此，張應(yīng)力使電容Cl小于電容C2，且兩者之差越大，張應(yīng) 力越大。
[0030]2)存在壓應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)層釋放后，輔旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中左橫梁41和右橫梁42發(fā)生收縮， 長度變短，所形成的力矩帶動(dòng)上極板3按逆時(shí)針方向水平旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，輔旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的四個(gè) 輔助橫梁6發(fā)生伸展，長度變長，與張應(yīng)力情況恰好相反。因此，左側(cè)輔旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的縱梁 51按順時(shí)針方向水平旋轉(zhuǎn)，而右側(cè)輔旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的左縱梁52按逆時(shí)針方向水平旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一 步帶動(dòng)上極板3按順時(shí)針方向更大幅度地水平旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，上極板3與下極板A21之間對 應(yīng)的面積基本不變，但與下極板B22之間對應(yīng)的面積隨著上極板3旋轉(zhuǎn)角度的增大而減小。 因此，壓應(yīng)力使電容Cl大于電容C2，且差越大，壓應(yīng)力越大。
[0031]3)表面微機(jī)械加工未產(chǎn)生殘余應(yīng)力時(shí)，釋放后結(jié)構(gòu)層長度不變，各旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不發(fā) 生變化，這時(shí)電容Cl等于電容C2。
[0032]因此，對于釋放后的測試結(jié)構(gòu)，通過分別測量上極板3與下極板之間的電容Cl和 C2，比較Cl與C2間的相對大小，即可方便地推測上極板3旋轉(zhuǎn)的方向和角度大小，進(jìn)而判 斷出結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力是張應(yīng)力還是壓應(yīng)力，以及推測應(yīng)力的大小。
[0033]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】
1.一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu),其特征在于:包括襯底(I)、兩塊下極板(2)和上極板(3)、兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和三個(gè)錨區(qū)； 所述下極板(2)沉積于襯底(I)上表面； 所述三個(gè)錨區(qū)(7 )置于襯底(I)上； 所述上極板(3)懸置在下極板(2)上方； 所述兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)分別是左輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和右輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)完全相同；其中，左輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括左橫梁(41)、左縱梁(51)和兩個(gè)輔助橫梁(6);左橫梁(41)的右端連接上極板(3)左側(cè)，左橫梁(41)的左端連接左縱梁(51)，所述左橫梁(41)與左縱梁(51)垂直；左縱梁(51)的兩側(cè)分別連接一個(gè)輔助橫梁(6)，連接左縱梁左側(cè)的輔助橫梁的另一端固定在錨區(qū)(71)右側(cè)，連接左縱梁右側(cè)的輔助橫梁的另一端固定在錨區(qū)(73)左側(cè)； 所述右輔助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括右橫梁(42)、右縱梁(52)、和兩個(gè)輔助橫梁(6);所述右橫梁(42)的左端連接上極板(3)右側(cè)，右橫梁(42)的右端連接右縱梁(52)，所訴右橫梁(42)與右縱梁(52)垂直；右縱梁(52)的兩側(cè)分別連接一個(gè)輔助橫梁(6)，連接右縱梁右側(cè)的輔助橫梁的另一端固定在錨區(qū)(72)左側(cè)，連接右縱梁左側(cè)的輔助橫梁的另一端固定在錨區(qū)(73)右側(cè)； 所述左橫梁(41)和右橫梁(42)位于同一平面且不在同一水平線上； 所述四個(gè)輔助橫梁(6)位于同一平面且不在同一水平線上；` 所述上極板(3 )與兩個(gè)輔助結(jié)構(gòu)位于同一平面，該平面與襯底(I)平行； 所述兩塊下極板(2)分別位于上極板(3)前后兩端的下方；兩塊下極板(2)的同一側(cè)與上極板(3)對齊，另一側(cè)超出上極板(3)的覆蓋范圍；兩塊下極板(2)被上極板(3)遮蔽的面積相同； 所述下極板(2)與上極板(3)之間分別形成平板電容Cl和C2。
2.如權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板(2)上涂覆有介質(zhì)薄層，該介質(zhì)薄層材料為氮化硅。
3.如權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板(2)材料為摻雜多晶硅。
4.如權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述兩塊下極板(2)為兩個(gè)完全相同的矩形。
5.如權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型偏轉(zhuǎn)電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板(2)和上極板(3)的材料相同。
【文檔編號(hào)】G01L1/14GK103604534SQ201310611767
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】唐潔影, 王磊, 蔣明霞 申請人:東南大學(xué)