絕緣襯底上厚膜硅材料楊氏模量測試結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明提供了一種絕緣襯底上厚膜硅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]微機電器件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]在MEMS技術領域內，絕緣襯底上的硅膜(一種SOI材料)是一種常用的襯底材料，主要由三層材料疊合而成，自下而上為大襯底-絕緣層-硅膜層。這類SOI材料通常采用兩類方法制造:注氧和鍵合。鍵合形成的SOI材料上的硅膜厚度在幾微米到幾十微米，屬于絕緣襯底上的厚膜硅材料。SOI材料中的絕緣層主要是二氧化硅，二氧化硅通常只有幾十納米，這些二氧化硅常作為制作MEMS器件的犧牲層，即這層二氧化硅在結構下的部分最終將被腐蝕掉，這樣，上層硅膜所制作的結構可以做離面或面內運動。不論是注氧工藝還是鍵合工藝，都可能在上面的硅膜中形成應力。絕緣襯底上的硅膜為單晶硅薄膜，其薄膜材料的力學參數和晶向有關。采用絕緣襯底上的厚膜硅所制作的MEMS器件通常是面內運動形式。
[0004]目前大多數微機電材料參數在線測試結構主要是測量微機械表面加工工藝所制作的薄膜材料，如各層多晶硅、金屬層等。隨著絕緣襯底上的硅膜材料在MEMS加工中越來越多的得到應用，對于絕緣襯底上硅膜材料的楊氏模量、泊松比、殘余應力、斷裂強度等力學參數的在線測量需求越來越大。
[0005]靜電驅動是MEMS微結構運動的常用驅動形式。利用靜電力驅動一個懸臂梁做面內的橫向彎曲運動，可以由彎曲的撓度和所施加的靜電力計算得到楊氏模量。采用靜電驅動方式的一個重要問題是吸合現象，由于吸合現象屬于非穩態情況，測量數據的準確性也不穩定，因此，在靜電驅動結構中應盡可能避免出現吸合。
【發明內容】
[0006]技術問題:本發明的目的是提供一種絕緣襯底上厚膜硅材料楊氏模量測試結構，測量材料的楊氏模量通常需要知道結構受力大小和結構受力所產生的形變或彎曲的撓度。
[0007]技術方案:本發明利用靜電力驅動一個懸臂梁做面內的橫向彎曲運動。利用一個可移動限位并可測量的止擋結構控制彎曲量，并用于防止出現吸合而產生的測量不穩定問題。止擋結構的移動由熱膨脹驅動結構實現，止擋結構的移動量由游標進行測量。為防止工藝誤差導致的位置測不準問題，采用兩次測位的方式進行，即第一次熱驅動止擋結構接觸到懸臂梁，讀出游標位置，然后減小驅動電流產生微小的間隙，由游標記錄這種間隙即最終的彎曲撓度。加載靜電，當懸臂梁與止擋結構接觸時，由靜電力和彎曲撓度計算楊氏模量。為實現上述目的，本發明采用的一種絕緣襯底上厚膜硅材料楊氏模量測試結構技術方案是:
[0008]該測試結構由三部分組成:相對型電熱驅動單元；帶測微游標的止擋單元；靜電驅動的懸臂梁單元；
[0009]所述帶測微游標的止擋單元中的動齒的下端與相對型電熱驅動單元中的水平寬梁垂直連接，動齒的軸線和相對型電熱驅動單元的中心線重疊；
[0010]所述靜電驅動的懸臂梁單元位于帶測微游標的止擋單元的上端，由懸臂梁和靜電驅動電極組成，其中，懸臂梁由第三錨區和上水平細梁連接而成，靜電驅動電極由錨區和與之連接的電極構成，靜電驅動電極位于靜電驅動的懸臂梁單元的末端。
[0011]所述相對型電熱驅動單元由左右兩個完全相同的MEMS常規電熱執行器相對連接構成，左邊部分的MEMS電熱執行器由第一銷區、第一細梁、第一寬梁、第一連接梁、第一熱膨脹細梁、第六錨區順時針連接組成；右邊部分的MEMS電熱執行器由第二錨區、第二細梁、第二寬梁、第二連接梁、第二熱膨脹細梁、第五錨區逆時針連接組成；連接兩個MEMS電熱執行器的結構包括第一水平細梁、第二水平細梁、第一豎直細梁、第二豎直細梁、水平寬梁，其中，左邊的第一水平細梁左端連接到第一部分MEMS電熱執行器的第一寬梁，右端和第一豎直細梁連接，右邊的第二水平細梁右端連接到第二部分MEMS電熱執行器的第二寬梁，左端和第二豎直細梁連接，第一豎直細梁、第二豎直細梁的上端與水平寬梁連接。
[0012]所述帶測微游標的止擋單元由測微游標和止擋桿組成，其中，測微游標由豎直運動的動齒、第一定齒、第二定齒組成；豎直運動的動齒為一左右兩邊均勻分布若干齒并且左右相對的齒一一對齊的結構，所有齒的寬度和齒的間距均相等，第一定齒、第二定齒則為固定不動的單邊齒結構，所有齒的寬度都和動齒的齒相同，但齒間距齒的寬度大I Δ,Δ是游標尺的分辨率，第一定齒位于豎直運動的動齒左邊，齒邊向右，第二定齒位于豎直運動的動齒右邊，齒邊向左，自下而上，動齒的第一齒相對第一定齒的第一齒偏下I Λ，由于定齒的所有齒間距比齒的寬度大I Λ，因此，動齒的第二齒相對第一定齒的第二齒偏下2 Λ，以此類推，動齒第η個齒相對第一定齒的第η個齒偏下η Δ ;動齒的齒相對第二定齒的關系延續了左邊關系，即當動齒和第一定齒最上端齒的偏差為m Λ時，動齒的第一齒相對第二定齒的第一齒偏下(m+1) Λ;止擋桿下端和動齒的上端連接，具有同一個軸線。
[0013]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0014]本發明的最大優點在于絕緣襯底上的厚膜硅材料楊氏模量測試方法簡單，測試設備要求低，測試過程及測試參數值穩定。加工過程與微機電器件同步，沒有特殊加工要求。完全符合在線測試的要求。計算方法僅限于簡單數學公式。本發明的測試結構、測量方法和參數提取的計算方法極其簡單，適應性廣。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的測試結構。
[0016]圖中有:相對型電熱驅動單元101 ;第一錨區101-1、第一細梁101-2、第一寬梁101-3、第一連接梁101-4、第一熱膨脹細梁101-5、第六錨區101-6、第二錨區101-7、第二細梁101-8、第二寬梁101-9、第二連接梁101-10、第二熱膨脹細梁101-11、第五錨區101-12、第一水平細梁101-13、第一豎直細梁101-14、水平寬梁101-15、第二豎直細梁101-16、第二水平細梁101-17。
[0017]靜電驅動的懸臂梁單元102 ;第三錨區102-1、上水平細梁102_2、靜電驅動電極由錨區102-3、與之連接的電極102-4。
[0018]帶測微游標的止擋單元103 ;動齒103-1、第一定齒103_2、第二定齒103-3、止擋桿103-4。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖1對本發明做更進一步的說明。
[0020]測試結構由三部分組成:相對型電熱驅動單元101 ;帶測微游標的止擋單元103 ;靜電驅動的懸臂梁單元102。
[0021]所述相對型電熱驅動單元101由左右兩個完全相同的MEMS常規電熱執行器相對連接構成。左邊部分的MEMS電熱執行器由第一錨區101-1、第一細梁101-2、第一寬梁101-3、第一連接梁101-4、第一熱膨脹細梁101-5、第六錨區101-6順時針連接組成。右邊部分的MEMS電熱執行器由第二錨區101-7、第二細梁101-8、第二寬梁101-9、第二連接梁101-10、第二熱膨脹細梁101-11、第五錨區101-12逆時針連接組成。連接兩部分的MEMS電熱執行器的結構包括第一水平細梁101-13、第二水平細梁101-17、第一豎直細梁101-14、第二豎直細梁101-16、水平寬梁101-15，其中，左邊的第一水平細梁1