一種基于平板式電容檢測的微梁斷裂強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于平板式電容檢測的微梁斷裂強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)，包括襯底、置于襯底之上的測量結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)。測量結(jié)構(gòu)由下極板、錨區(qū)、懸置在襯底上方的上極板和兩根熱臂梁、以及被測微梁構(gòu)成；兩根熱臂梁垂直連接在上極板兩側(cè)，熱臂梁的另一端固定在錨區(qū)側(cè)面；被測微梁平行并介于兩熱臂梁之間，一端與上極板一側(cè)面的中部相連，另一端固定在一個錨區(qū)側(cè)面；下極板初始時緊臨上極板下方區(qū)域，但不為上級板所遮蔽。參考結(jié)構(gòu)除了不帶有被測梁，其余部分與測量結(jié)構(gòu)完全相同。測試中，在測量結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)上施加完全相同的電壓，當(dāng)兩結(jié)構(gòu)中的熱臂梁通電發(fā)生熱膨脹時，上極板向前方移動并部分遮擋住下極板，上、下極板之間的電容隨上極板的移動而變化。
【專利說明】一種基于平板式電容檢測的微梁斷裂強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)微梁斷裂強(qiáng)度的測試領(lǐng)域，尤其是一種基于平板式電容檢測的微梁斷裂強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]微納材料的力學(xué)性能直接影響MEMS器件的性能和可靠性。因此，準(zhǔn)確測量材料的力學(xué)性能是高性能MEMS器件的保障。斷裂強(qiáng)度是重要力學(xué)性能之一，它與薄膜材料的淀積工藝、刻蝕工藝、微結(jié)構(gòu)和幾何形狀有關(guān)，因此通過理論計(jì)算或軟件模擬無法準(zhǔn)確獲知。實(shí)際中，更多地是采用測試方法獲取斷裂強(qiáng)度信息。常用的測量方法有被動式和主動式兩種，前者預(yù)先在一批試樣上制作不同尺寸的凹槽，釋放時利用殘余拉應(yīng)力使梁斷裂，通過測量凹槽臨界長度獲得材料的斷裂強(qiáng)度。而斷裂強(qiáng)度的主動測量是通過制備執(zhí)行器對測試樣品進(jìn)行加載，可產(chǎn)生量程大、數(shù)值可變的力，通過直接測量樣品被拉斷時的力確定樣品的斷裂強(qiáng)度，主動測量方法無須大量制造和測試一批帶有不同凹槽的樣品，但是測試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會更復(fù)雜，而且為了捕獲被測梁斷裂瞬間時刻對應(yīng)的驅(qū)動力將會加劇測試結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。設(shè)計(jì)一種簡單易行的斷裂強(qiáng)度測試結(jié)構(gòu)，為測試提供更多地選擇很有意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:為了解決被測梁斷裂瞬間所對應(yīng)的驅(qū)動力不易確定的問題，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡單，易于操作的基于平板式電容檢測的微梁斷裂強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種基于平板式電容檢測的微梁斷裂強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)包括襯底、置于襯底之上的測量結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)；其中測量結(jié)構(gòu)由下極板、上極板、兩根熱臂梁、被測微梁、第一錨區(qū)和第二錨區(qū)構(gòu)成；參考結(jié)構(gòu)除了不帶有被測微梁，其余部分與測量結(jié)構(gòu)完全相同；
[0005]所述下極板沉積于襯底的上表面，下極板上生長有介質(zhì)薄層；
[0006]所述第一錨區(qū)、第二錨區(qū)置于襯底上；
[0007]所述兩根熱臂梁與上極板垂直相連，另一端固定在錨區(qū)側(cè)面；
[0008]所述被測微梁平行并介于兩熱臂梁之間，一端與上極板一側(cè)面的中部相連，另一端固定在錨區(qū)的一個側(cè)面；
[0009]所述上極板、兩根熱臂梁以及被測懸臂梁位于同一平面并懸置在襯底上方，與襯底所在平面平行。
[0010]所述下極板初始時緊臨上極板正下方區(qū)域，但不為上級板所遮擋；
[0011]熱臂梁通電發(fā)生熱膨脹推動上極板向前方移動，同時拉伸被測微梁，上極板移動后會部分遮擋住下極板，從而與下極板之間形成平板電容。
[0012]測試中，在測量結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)上施加完全相同的電壓，當(dāng)兩結(jié)構(gòu)中的熱臂梁通電發(fā)生熱膨脹時，上極板向前方移動并部分遮擋住下極板，上、下極板之間的電容隨上極板的移動而變化。對測量結(jié)構(gòu)而言，與上極板相連的被測微梁隨上極板的移動而不斷拉伸直至斷裂，對應(yīng)地電容陡然增大。通過觀察和比較測試結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)這兩部分的電容變化量，即可確定被測懸臂梁的拉伸長度，進(jìn)而確定拉伸力。
[0013]有益效果:通過熱膨脹拉伸與變電容相結(jié)合的簡單設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了 MEMS材料斷裂強(qiáng)度的測試，且成本低廉，易于操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]襯底1、測量結(jié)構(gòu)2、參考結(jié)構(gòu)3、下極板201、上極板202、熱臂梁203、第一錨區(qū)204、被測微梁205、第二錨區(qū)206。

【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明的一種基于平板式電容檢測的微梁斷裂強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)，由襯底、置于襯底之上的測量結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)構(gòu)成。測量結(jié)構(gòu)包括下極板、上極板、兩根熱臂梁、一根被測懸臂梁和三個錨區(qū)；所述下極板沉積于襯底的上表面，并生長有一介質(zhì)薄層；所述兩根熱臂梁與上極板垂直相連，熱臂梁的另一端固定在一個錨區(qū)側(cè)面；所述被測懸臂梁平行于兩熱臂梁且置于它們之間，一端連接在上極板一側(cè)面的中部，另一端固定在錨區(qū)側(cè)面，上極板與兩根平行的熱臂梁以及被測懸臂梁位于同一平面，懸置在襯底上方，該平面與襯底所在平面平行；所述下極板沉積于襯底上表面，初始時緊臨上極板下方區(qū)域，但不為上級板所遮蔽。襯底上的參考結(jié)構(gòu)除了不帶有被測梁，其余部分與測量結(jié)構(gòu)完全相同。
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0018]結(jié)合圖1所示，一種基于平板式電容檢測的微梁斷裂強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)，包括襯底1、下極板201和上極板202、熱臂梁203、被測懸臂梁205、第一錨區(qū)204和第二錨區(qū)206 ；
[0019]上極板202懸置在下極板201上方，所述熱臂梁203與上極板202垂直相連，熱臂梁203的另一端固定在錨區(qū)204側(cè)面；所述被測懸臂梁205平行于兩熱臂梁203且介于它們之間，一端連接在上極板202 —側(cè)面的中部，另一端固定在錨區(qū)206的一側(cè)面；上極板202、熱臂梁203以及被測懸臂梁205位于同一平面，該平面與襯底1所在平面平行；
[0020]下極板201沉積于襯底1的上表面，初始時緊臨上極板202正下方區(qū)域，但不為上級板202所遮擋；
[0021]熱臂梁203通電發(fā)生熱膨脹時會推動上極板202向前方移動而拉伸被測懸臂粱205，同時上極板202部分遮擋住下極板201，從而與下極板201之間形成平板電容。當(dāng)被測懸臂梁205被拉伸而發(fā)生斷裂的瞬間，電容會陡然增大。通過測試因熱膨脹拉伸引起的電容變化量，即可達(dá)到測量目的。
[0022]被測微梁斷裂強(qiáng)度的測試方法如下:
[0023]1)在測量結(jié)構(gòu)1和參考結(jié)構(gòu)2上施加完全相同的電壓。這里以測量結(jié)構(gòu)為例加以具體說明，在兩個錨區(qū)204間施加直流電壓，且逐漸加大，一般從幾伏加至幾十伏。
[0024]2)通電加壓后，熱臂梁203發(fā)生熱膨脹推動上極板202向前方移動，使上極板202部分遮擋住下極板201，與下極板201之間形成平板電容，同時被測微梁205被拉伸。
[0025]3)隨外加電壓的增大，被測微梁205受到的拉伸作用也增大，上、下極板間的電容相應(yīng)變大，電容的變化與拉伸長度成正比。測量并記錄測試結(jié)構(gòu)中上極板202與下極板201之間的電容。
[0026]4)當(dāng)被測微梁205受到拉伸發(fā)生斷裂時，熱臂梁拉伸結(jié)構(gòu)突然變?yōu)榭蛰d運(yùn)行，拉伸長度的增幅很快增大，上極板202與下極板201之間的電容陡增。
[0027]5)當(dāng)觀察到測量電容突然變化時，施加電壓終止。
[0028]參考結(jié)構(gòu)按照以上1)?4)步驟同步對該參考結(jié)構(gòu)施加，并與測試結(jié)構(gòu)同步終止加載電壓。
[0029]對比測試結(jié)構(gòu)1和參考結(jié)構(gòu)2的電容變化量，可推測被測微梁205上所受的拉伸力，尤其是測試結(jié)構(gòu)中電容變化的突變可反映被測微梁斷裂瞬間所對應(yīng)的驅(qū)動力。
[0030]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】
1.一種基于平板式電容檢測的微梁斷裂強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)，其特征在于該結(jié)構(gòu)包括襯底(1)、置于襯底⑴之上的測量結(jié)構(gòu)⑵和參考結(jié)構(gòu)⑶；其中測量結(jié)構(gòu)⑵由下極板(201)、上極板(202)、兩根熱臂梁(203)、被測微梁(205)、第一錨區(qū)(204)和第二錨區(qū)(206)構(gòu)成；參考結(jié)構(gòu)(3)除了不帶有被測微梁，其余部分與測量結(jié)構(gòu)(2)完全相同； 所述下極板(201)沉積于襯底(1)的上表面，下極板(201)上生長有介質(zhì)薄層； 所述第一錨區(qū)(204)、第二錨區(qū)(206)置于襯底(1)上; 所述兩根熱臂梁(203)與上極板(202)垂直相連，另一端固定在錨區(qū)(204)側(cè)面； 所述被測微梁(205)平行并介于兩熱臂梁(203)之間，一端與上極板(202) —側(cè)面的中部相連，另一端固定在錨區(qū)(205)的一個側(cè)面； 所述上極板(202)、兩根熱臂梁(203)以及被測懸臂梁(205)位于同一平面并懸置在襯底(1)上方，與襯底(1)所在平面平行。 所述下極板(201)初始時緊臨上極板(202)正下方區(qū)域，但不為上級板(202)所遮擋；
2.—種基于平板式電容檢測的微梁斷裂強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:熱臂梁(203)通電發(fā)生熱膨脹推動上極板(202)向前方移動，同時拉伸被測微梁，上極板(202)移動后會部分遮擋住下極板(201)，從而與下極板(2)之間形成平板電容。
【文檔編號】G01N3/06GK104458417SQ201410768361
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】唐潔影, 唐丹, 王磊 申請人:東南大學(xué)