金屬薄膜材料楊氏模量測試結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明提供了一種金屬薄膜材料楊氏模量的測試結構。屬于微機電系統(MEMS)材料參數測試技術領域。
【背景技術】
[0002]微機電系統的性能與材料參數有密切的關系。由于加工過程的影響，一些材料參數將產生變化，這些由加工工藝所導致的不確定因素，將使得器件設計與性能預測出現不確定和不穩定的情況。材料參數測試目的就在于能夠實時地測量由具體工藝制造的微機電器件材料參數，對工藝的穩定性進行監控，并將參數反饋給設計者，以便對設計進行修正。因此，不離開加工環境并采用通用設備進行的測試成為工藝監控的必要手段。材料力學性能的物理參數主要包括楊氏模量、泊松比、殘余應力、斷裂強度等。
[0003]MEMS薄膜材料力學參數的測量離不開作用力源，這些力源主要來源于外界的直接作用或測試結構自帶。外界直接作用力是通過可控、可度量的專門設備提供，例如，原子力顯微鏡、納米壓痕儀等。測試結構自帶的力源主要是MEMS結構產生的靜電力和熱膨脹力，靜電力可以比較精確地計算，但力值相對較小，熱膨脹力比較大，但很難計算具體的力值。
[0004]金屬薄膜材料是微機電器件結構中廣泛使用的薄膜材料之一，它不僅僅是作為電極、引線材料，還經常作為結構材料。當金屬被作為結構材料使用時，它本身的力學特性就顯得尤為重要。但是，由于金屬通常作為最后一層即最上層材料，因此，如何制作成測試結構就受到一些限制。
[0005]理論和實驗均表明，金屬薄膜通常存在較大的殘余應力，另一方面，材料的楊氏模量隨著材料臨近斷裂時的數值會發生變化，因此，測試方法必須考慮這些的問題。本發明提出了一種金屬薄膜材料楊氏模量的測試結構，本發明不僅可以測量金屬薄膜材料的楊氏模量，還可以通過測試過程的控制進行殘余應力、斷裂強度等多個參量的測試。本發明的測試結構、測量方法和參數提取的方法極其簡單，
【發明內容】
[0006]技術問題:本發明的目的是提供一種金屬薄膜材料楊氏模量測試結構，作為在線式金屬楊氏模量的測試結構至少應該包括四部分:待拉伸金屬構件；力源；拉伸量的測量單元；驅動力大小的測量單元。本發明采用熱膨脹力作為力源對金屬細條進行拉伸，通過測微游標測量拉伸量，采用已知材料參數的固支梁作為力值的測量計算單元。根據所施加力的大小以及拉伸的長度變化，以及結構的幾何參數計算得到金屬薄膜材料的楊氏模量。金屬薄膜通常存在較大的殘余應力，材料的楊氏模量隨著材料臨近斷裂時的數值也會發生變化，該結構除了可以測量金屬薄膜的楊氏模量外，通過對測試過程的控制還能同時測量金屬存在的殘余應力、斷裂強度以及臨近斷裂時的楊氏模量。
[0007]技術方案:為實現上述目的，本發明的一種金屬薄膜材料楊氏模量測試結構采用的技術方案是:
[0008]該測試結構由五部分組成:帶測微游標的第一熱膨脹力源；帶測微游標的第二熱膨脹力源；待拉伸金屬構件；雙端固支梁；加載驅動電流的第一錨區和加載驅動電流的第二錨區；其中，帶測微游標的第一熱膨脹力源、帶測微游標的第二熱膨脹力源和雙端固支梁均采用已知楊氏模量和殘余應力的多晶硅材料制作；
[0009]帶測微游標的第一熱膨脹力源、帶測微游標的第二熱膨脹力源、待拉伸金屬構件、雙端固支梁和加載驅動電流第一錨區、加載驅動電流第一錨區的連接關系如下:帶測微游標的第一熱膨脹力源的第一上水平長梁、第一下水平長梁的左端分別連接到加載驅動電流第一錨區、加載驅動電流第一錨區；帶測微游標的第二熱膨脹力源的第二上水平長梁、第二下水平長梁的右端分別連接到加載驅動電流第一錨區、加載驅動電流第一錨區；帶測微游標的第一熱膨脹力源中的第一豎直寬梁與待拉伸金屬構件中的金屬豎直寬梁疊合連接，帶測微游標的第二熱膨脹力源中第二水平運動的動齒左端垂直連接在雙端固支梁中豎直長梁的中心位置；帶測微游標的第一熱膨脹力源、帶測微游標的第二熱膨脹力源、待拉伸金屬構件的軸線重合并且通過雙端固支梁的中心；
[0010]所述待拉伸金屬構件包括一個待拉伸金屬構件錨區、一根金屬水平細條、一個金屬豎直寬梁；金屬水平細條左端與待拉伸金屬構件錨區相連形成固定端，金屬水平細條右端與金屬豎直寬梁垂直連接形成拉伸端；
[0011]所述雙端固支梁由上錨區、豎直長梁、下錨區依次連接而成，豎直長梁的中部接第二水平運動的動齒；
[0012]所述加載驅動電流的錨區有兩個分別是加載驅動電流第一錨區、加載驅動電流第一錨區，用于連接帶測微游標的第一熱膨脹力源和帶測微游標的第二熱膨脹力源并注入驅動電流。
[0013]所述帶測微游標的第一熱膨脹力源由一個門型的熱膨脹驅動結構和一個測微游標連接而成；其中，門型的熱膨脹驅動結構由第一上水平長梁、第一豎直寬梁和第一下水平長梁依次連接而成；第一上水平長梁和第一下水平長梁的右端垂直連接到第一豎直寬梁的上、下端；在第一豎直寬梁的中心向右沿門型的熱膨脹驅動結構的軸線方向連接一個測微游標，測微游標由第一水平運動的動齒、第一下定齒、第一上定齒組成；其中，第一水平運動的動齒為上下兩邊均勻分布若干齒的結構，所有齒的寬度和齒的間距均相等，第一下定齒、第一上定齒為固定不動的單邊齒結構，所有齒的寬度都和第一水平運動的動齒的齒相同，但齒間距比齒的寬度大I Λ，Λ是游標尺的分辨率；第一下定齒位于第一水平運動的動齒之下，齒邊向上，第一上定齒位于第一水平運動的動齒之上，齒邊向下；第一水平運動的動齒左邊第一齒相對其下部的第一下定齒左邊第一齒偏左IΛ，自左向右，第一水平運動的動齒左邊第二齒相對其下部的第一下定齒左邊第二齒偏左2 Λ，以此類推，第一水平運動的動齒左邊第η個齒相對其下部的第一下定齒左邊第η個齒偏左η Δ ;第一水平運動的動齒的齒相對其上部的第一上定齒的關系延續了下部關系，即當第一水平運動的動齒和第一下定齒的最大偏差為m Λ時，第一水平運動的動齒左邊第一齒相對其上部的第一上定齒左邊第一齒偏左(m+Ι) Λ。
[0014]所述帶測微游標的第二熱膨脹力源和帶測微游標的第一熱膨脹力源的結構與尺寸完全相同；帶測微游標的第二熱膨脹力源和帶測微游標的第一熱膨脹力源呈左右鏡像關系；其中，門型的熱膨脹驅動結構由第二上水平長梁、第二豎直寬梁和第二下水平長梁依次連接而成；第二上水平長梁和第二下水平長梁的左端垂直連接到第二豎直寬梁的上、下端，在第二豎直寬梁的中心向左沿門型的熱膨脹驅動結構的軸線方向連接一個測微游標，測微游標由第二水平運動的動齒、第二下定齒、第二上定齒組成，其中，第二水平運動的動齒為上下兩邊均勻分布若干齒的結構，所有齒的寬度和齒的間距均相等；第二下定齒、第二上定齒為固定不動的單邊齒結構，所有齒的寬度都和第二水平運動的動齒的齒相同，但齒間距比齒的寬度大I Λ，Λ是游標尺的分辨率，第二下定齒位于第二水平運動的動齒之下，齒邊向上，第二上定齒位于第二水平運動的動齒之上，齒邊向下，第二水平運動的動齒右邊第一齒相對其下部的第二下定齒右邊第一齒偏右IΛ，自右向左，第二水平運動的動齒右邊第二齒相對其下部的第二下定齒右邊第二齒偏右2 Λ，以此類推，第二水平運動的動齒右邊第η個齒相對其下部的第二下定齒的右邊第η個齒偏右η Δ ;第二水平運動的動齒的齒相對其上部的第二上定齒的關系延續了下部關系，即當第二水平運動的動齒和第二下定齒的最大偏差為m Λ時，第二水平運動的動齒右邊第一齒相對其上部的第二上定齒右邊第一齒偏右(m+Ι) Δ。
[0015]本發明的測試原理如下:通過兩個加載驅動電流的錨區施加逐漸增加電流，由于電熱效應，帶測微游標的第一、二熱膨脹力源的門型熱膨脹驅動結構發生膨脹，由于第一、二熱膨脹力源的門型結構完全相同，因此將產生完全相同的熱膨脹力。第一熱膨脹力源實現對金屬細條的拉伸，并由測微游標測量拉伸量。第二熱膨脹力源實現對雙端固支梁的頂撐，使其產生向左的彎曲撓度，測微游標測量該撓度的數值，由雙端固支梁的撓度和材料參數、幾何尺寸可以計算得到該雙端固支梁受力大小，該力大小與第一熱膨脹力源拉伸金屬細條所施加的力大小相同。由力、金屬細條被拉伸的長度以及金屬細條的幾何尺寸即可計算得到金屬薄膜材料的楊氏模量。如果金屬材料存在殘余應力，則可以通過錨區施加一個初值電流產生熱膨脹力的初值，同時產生