專利名稱：絕緣襯底上的硅材料頂硅層楊氏模量的測試結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于微機電系統(MEMS)材料參數測試技術領域，涉及一種絕緣襯底上的硅材料(S OI)頂層娃楊氏模量的測試結構,尤其涉及一種絕緣襯底上的娃材料頂娃層楊氏模量的測試結構。
背景技術：
諧振梁作為一種常見的諧振傳感器，得到廣泛地應用，該傳感器能夠有效地將機械振動與電信號進行互相轉換。絕緣襯底上的硅材料是微機電系統器件制造的基本材料，利用絕緣襯底上的硅材料所形成的諧振梁進行力電傳感是MEMS中常用的結構與傳感方法。楊氏模量是衡量諧振梁振動特性的重要參數，由形成諧振梁的材料特性決定其大小。因為MEMS材料會受加工過程的影響而產生材料參數的變化，使得設計者需要了解具體工藝后材料參數的真實情況。對于諧振梁而言，需要測量楊氏模量的具體數值。現有的絕緣襯底上的硅材料(SOI)頂層硅楊氏模量的測試結構通常采用離面運動形式，以便對測試結構施加激勵、進行檢測。由于絕緣襯底上的硅材料(SOI)頂層硅厚度較大，這些結構占用很大面積，而且頂層硅材料下的氧化層釋放時存在過度腐蝕問題，對離面運動結構有效尺寸有很大影響
發明內容
本發明提出了一種能夠提高測量準確性的絕緣襯底上的硅材料頂硅層楊氏模量的測試結構。本發明采用如下技術方案:一種絕緣襯底上的硅材料頂硅層楊氏模量的測試結構，包括:由絕緣襯底上的硅材料中的硅襯底形成的襯底，在襯底上設有由絕緣襯底上的硅材料中的絕緣層形成的第一絕緣區、第二絕緣區、第三絕緣區及第四絕緣區，在第一絕緣區、第二絕緣區、第三絕緣區及第四絕緣區上分別設有由絕緣襯底上的硅材料中的頂硅層形成的第一錨區、檢測電極、第二錨區及激勵電極，在檢測電極與激勵電極之間設有由絕緣襯底上的硅材料中的頂硅層形成的諧振梁，諧振梁的一端連接于第一錨區，諧振梁的另一端連接于第二錨區，所述諧振梁立于襯底的上方且受激勵電極的激勵產生面內橫向諧振。與現有技術相比，本發明具有如下優點:本發明提出了一種絕緣襯底上的硅材料(SOI)頂層硅楊氏模量的測試結構。考慮到絕緣襯底上的硅材料(SOI)的厚度對結構尺寸的影響，以及硅材料下的氧化層釋放對離面運動結構有效尺寸將產生影響，本結構測量的是在面內橫向振動下的諧振頻率。測試結構由一個襯底、兩個錨區、一個諧振梁、兩個電極組成。在兩個電極施加交流電信號對諧振梁激振，產生面內橫向振動。采用光學或電學方法測量諧振頻率。最后通過簡單計算得到絕緣襯底上的娃材料(SOI)頂層娃的楊氏模量。
本發明具有測試結構簡單、信號加載和測量簡便、計算方法穩定準確的特點。本發明的最大優點在于，采用測量測試結構在面內橫向振動下的諧振頻率的方法，避免了頂層硅材料下的氧化層釋放對離面運動產生的影響。由于頂層硅材料下的氧化層釋放時存在過度腐蝕問題，因此當采用常見的通過測量測試結構離面上下振動的諧振頻率來計算楊氏模量的方法時，諧振梁的有效長度不再是設計尺寸1，而變為l+li+l2，其中^和I2分別為諧振梁兩端錨區氧化層被過度腐蝕后增加的不確定寬度；而在面內橫向振動情況下諧振梁有效長度即為1，有效長度不受過度腐蝕影響，計算結果將更加準確。此外本方法測試結構簡單，激勵諧振梁與測量諧振梁基頻方法簡單。計算方法僅限于簡單數學公式。
圖1給出了該測試結構的多層復合示意圖。測試結構制作在MEMS器件常用的絕緣襯底上的硅材料(SOI)頂層硅上。圖2為多層復合示意圖B-B剖面示意圖。圖3為多層復合示意圖A-A剖面示意圖。圖4為絕緣襯底上的硅材料(SOI)頂層硅層的組合圖，圖4為兩個錨區、由兩個錨區固定的諧振梁以及分布在諧振梁兩側的兩個電極，采用絕緣襯底上的硅材料(SOI)頂層娃制作。圖5為絕緣襯底上的硅材料(SOI)絕緣層的組合圖，圖5是在圖4所示的錨區和電極下用于錨定的一層絕緣襯底材料，這里采用硅材料下的氧化層二氧化硅，本發明所示的錨定的絕緣襯底材料通過對硅材料下的氧化層二氧化硅釋放得到。
具體實施例方式—種絕緣襯底上的娃材料頂娃層楊氏模量的測試結構,包括:由絕緣襯底上的娃材料中的硅襯底形 成的襯底100，在襯底100上設有由絕緣襯底上的硅材料中的絕緣層形成的第一絕緣區101、第二絕緣區102、第三絕緣區103及第四絕緣區104，在第一絕緣區101、第二絕緣區102、第三絕緣區103及第四絕緣區104上分別設有由絕緣襯底上的硅材料中的頂硅層形成的第一錨區106、檢測電極107、第二錨區108及激勵電極109，在檢測電極107與激勵電極109之間設有由絕緣襯底上的硅材料中的頂硅層形成的諧振梁105，諧振梁105的一端連接于第一錨區106，諧振梁105的另一端連接于第二錨區108，所述諧振梁105立于襯底100的上方且受激勵電極109的激勵產生面內橫向諧振。測試過程與楊氏模量計算如下:⑴測試過程測試過程分幾個階段順序進行:①通過激勵電極109、錨區106以及錨區108對諧振梁施加掃頻電壓，使諧振梁發生面內橫向振動。②通過光學測量方法，或者通過測量檢測電極107、錨區106以及錨區108反饋電
信號，測量諧振梁基頻fo。⑵計算絕緣襯底上的硅材料(SOI)的楊氏模量雙端固支梁基頻&與楊氏模量E的關系為:
權利要求
1.一種絕緣襯底上的娃材料頂娃層楊氏模量的測試結構，包括:由絕緣襯底上的娃材料中的硅襯底形成的襯底(100)，其特征在于，在襯底(100)上設有由絕緣襯底上的硅材料中的絕緣層形成的第一絕緣區(101)、第二絕緣區(102)、第三絕緣區(103)及第四絕緣區(104)，在第一絕緣區(101 )、第二絕緣區(102)、第三絕緣區(103)及第四絕緣區(104)上分別設有由絕緣襯底上的硅材料中的頂硅層形成的第一錨區(106)、檢測電極(107)、第二錨區(108)及激勵電極(109)，在檢測電極(107)與激勵電極(109)之間設有由絕緣襯底上的硅材料中的頂硅層形成的諧振梁(105)，諧振梁(105)的一端連接于第一錨區(106)，諧振梁(105)的另一端連接于第二錨區(108)，所述諧振梁(105)立于襯底(100)的上方且受激勵電極(109)的激勵產生 面內橫向諧振。
全文摘要
本發明公開了一種絕緣襯底上的硅材料頂硅層楊氏模量的測試結構，包括由絕緣襯底上的硅材料中的硅襯底形成的襯底，在襯底上設有由絕緣襯底上的硅材料中的絕緣層形成的第一絕緣區、第二絕緣區、第三絕緣區及第四絕緣區，在第一絕緣區、第二絕緣區、第三絕緣區及第四絕緣區上分別設有由絕緣襯底上的硅材料中的頂硅層形成的第一錨區、檢測電極、第二錨區及激勵電極，在檢測電極與激勵電極之間設有由絕緣襯底上的硅材料中的頂硅層形成的諧振梁，諧振梁的一端連接于第一錨區，諧振梁的另一端連接于第二錨區，所述諧振梁立于襯底的上方且受激勵電極的激勵產生面內橫向諧振。本發明能夠提高絕緣襯底上的硅材料頂硅層楊氏模量的測量準確性。
文檔編號G01N3/38GK103245579SQ201310184389
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月17日 優先權日2013年5月17日
發明者孫超, 周再發, 黃慶安, 李偉華 申請人:東南大學