本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝領(lǐng)域，具體涉及一種新型片上強(qiáng)度檢測(cè)的熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)，并以此提出了一種在線檢測(cè)系統(tǒng)及在線檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

微電子機(jī)械系統(tǒng)是微電子技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方向。如今，微電子機(jī)械系統(tǒng)的各類傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在民用、軍用的方方面面，諸如壓力計(jì)、加速度計(jì)和陀螺等，都在消費(fèi)電子和高精端應(yīng)用中成為了不可缺少的部件。由于自身測(cè)試物理量的特點(diǎn)，這類傳感器在工作環(huán)境中往往會(huì)碰到?jīng)_擊性載荷，此時(shí)傳感器結(jié)構(gòu)的沖擊強(qiáng)度就顯得十分重要。

傳統(tǒng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)傳感器的沖擊強(qiáng)度檢測(cè)為落錘實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)方法需要傳感器在制作工藝流程結(jié)束后進(jìn)行裂片和封裝，難以實(shí)現(xiàn)即時(shí)對(duì)器件的強(qiáng)度檢測(cè)，從而極大地增加了整個(gè)設(shè)計(jì)流程和周期。同時(shí)該類傳統(tǒng)的沖擊檢測(cè)方法具有很大破壞性，傳感器芯片在經(jīng)歷過(guò)此類傳統(tǒng)方法檢測(cè)后將出現(xiàn)大面積結(jié)構(gòu)破壞，無(wú)法找出結(jié)構(gòu)中沖擊最為薄弱的地方。不僅如此，受限于加載產(chǎn)生原理，傳統(tǒng)的沖擊檢測(cè)方法很難獲得高沖擊峰值(大于100000g)和大沖擊脈寬(s量級(jí))的加載，而且在實(shí)際的軍事應(yīng)用環(huán)境下，此類嚴(yán)峻的沖擊環(huán)境都十分常見。由上可知，傳統(tǒng)的沖擊檢測(cè)方法具有明顯的局限性。

而在線微結(jié)構(gòu)力學(xué)檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)、直觀的檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)合理設(shè)計(jì)，在線沖擊試驗(yàn)機(jī)能夠在微結(jié)構(gòu)上輕易產(chǎn)生大的加速度及應(yīng)力波，但是由于整個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)隨片化，其尺寸僅僅為微米量級(jí)。而傳統(tǒng)的檢測(cè)方法中對(duì)樣品上實(shí)際經(jīng)歷的檢測(cè)，往往通過(guò)應(yīng)力儀等外部精密設(shè)備，在上述試驗(yàn)機(jī)在線檢測(cè)中，外部精密儀器的尺寸過(guò)于龐大，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)接，而現(xiàn)階段試驗(yàn)機(jī)在實(shí)現(xiàn)檢測(cè)加載之后，樣品實(shí)際經(jīng)歷往往通過(guò)其他顯示器件或仿真建模進(jìn)行側(cè)面反饋，具有一定誤差，而且并不直觀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述不足，本發(fā)明提出一種熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)及一種在線檢測(cè)系統(tǒng)和在線檢測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)樣品的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的檢測(cè)，通過(guò)靜電壓阻公式實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)力波經(jīng)歷進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)，包括：

一熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)，包括兩個(gè)加載熱驅(qū)執(zhí)行器，通過(guò)一加載放大杠桿連接，該加載放大杠桿的中點(diǎn)處連接一加載鋸齒扣，該加載鋸齒扣含有多個(gè)一類鋸齒；該中點(diǎn)處還通過(guò)一單梁連接一沖擊質(zhì)量塊和一負(fù)載儲(chǔ)能彈簧；

一熱驅(qū)卸載機(jī)構(gòu)，包括兩個(gè)釋放熱驅(qū)執(zhí)行器，通過(guò)一釋放放大杠桿連接，該釋放放大杠桿的中點(diǎn)處連接一釋放鋸齒扣，該釋放鋸齒扣含有一二類鋸齒；

一鋸齒鎖，包括兩個(gè)互相平行的橫梁，該兩個(gè)橫梁的一端設(shè)有一對(duì)三類鋸齒，該三類鋸齒與所述一類鋸齒抵近并配合；另一端設(shè)有一對(duì)四類鋸齒，該四類鋸齒與所述二類鋸齒抵近并配合。

進(jìn)一步地，每一所述加載熱驅(qū)執(zhí)行器和釋放熱驅(qū)執(zhí)行器均包括兩個(gè)固定錨點(diǎn)和連接該兩個(gè)固定錨點(diǎn)的多個(gè)V形梁。

進(jìn)一步地，所述加載放大杠桿和釋放放大杠桿為V形。

進(jìn)一步地，所述兩個(gè)橫梁靠近所述熱驅(qū)卸載機(jī)構(gòu)的一端各含有一固定錨點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述負(fù)載儲(chǔ)能彈簧包括一柔性長(zhǎng)梁，該柔性長(zhǎng)梁垂直于所述單梁，兩端各含有一固定錨點(diǎn)。

一種在線檢測(cè)系統(tǒng)，包括上述熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)和一壓阻測(cè)試樣品，該壓阻測(cè)試樣品位于該熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)的沖擊質(zhì)量塊的前方，通過(guò)一電路與該熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)的負(fù)載儲(chǔ)能彈簧的一固定錨點(diǎn)連接，該電路上接有一電源、一電流表和一保護(hù)電阻。

進(jìn)一步地，所述壓阻測(cè)試樣品包括重復(fù)疊層的一整體硅樣品和一樣品上壓阻條。

一種在線檢測(cè)方法，采用上述在線檢測(cè)系統(tǒng)，步驟包括：

1)對(duì)熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行上電，通過(guò)控制熱驅(qū)電流大小驅(qū)動(dòng)一類鋸齒與三類鋸齒扣合；

2)對(duì)熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行下電，恢復(fù)至室溫并保持該在線檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定；

3)對(duì)熱驅(qū)卸載機(jī)構(gòu)進(jìn)行上電，驅(qū)動(dòng)二類鋸齒作用于四類鋸齒，以解除一類鋸齒與三類鋸齒的扣合狀態(tài)，釋放沖擊質(zhì)量塊以沖擊壓阻測(cè)試樣品；

4)觀察該樣品沖擊情況，如樣品未破壞，重復(fù)上述步驟并依次增大熱驅(qū)電流，直至樣品破壞，記錄這次熱驅(qū)電流值，根據(jù)該電流值獲取樣品強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，首次執(zhí)行步驟1)時(shí)，驅(qū)動(dòng)第一個(gè)一類鋸齒與三類鋸齒扣合。

進(jìn)一步地，所述依次增大熱驅(qū)電流是指，重復(fù)執(zhí)行步驟1)時(shí)，通過(guò)增大熱驅(qū)電流，驅(qū)動(dòng)下一個(gè)一類鋸齒與三類鋸齒扣合。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提供一種熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)，并設(shè)計(jì)了一種專門的壓阻測(cè)試樣品，并以此提出了一種在線檢測(cè)系統(tǒng)和在線檢測(cè)方法。通過(guò)對(duì)熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)上電，電能轉(zhuǎn)化為熱能，加載熱驅(qū)執(zhí)行器和加載放大杠桿受熱變形，使得加載鋸齒扣發(fā)生位移，與鋸齒鎖扣合，此時(shí)負(fù)載儲(chǔ)能彈簧跟著發(fā)生形變；當(dāng)下電并恢復(fù)至室溫后，熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)由于鋸齒扣與鋸齒鎖扣合而不能回復(fù)至原位，而負(fù)載儲(chǔ)能彈簧因形變儲(chǔ)存了彈性勢(shì)能。當(dāng)對(duì)熱驅(qū)卸載機(jī)構(gòu)上電發(fā)生熱變形，釋放鋸齒扣發(fā)生位移與鋸齒鎖抵近，釋放鋸齒扣的二類鋸齒將鋸齒鎖的四類鋸齒頂開，導(dǎo)致一類鋸齒與三類鋸齒不能繼續(xù)扣合，負(fù)載儲(chǔ)能彈簧釋放彈性勢(shì)能，促使熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)復(fù)位，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，這時(shí)沖擊質(zhì)量塊迅速抵近并沖擊壓阻測(cè)試樣品。由上可知，當(dāng)越增大熱驅(qū)電流時(shí)，熱形變?cè)酱?，產(chǎn)生的沖擊力越大，當(dāng)破壞掉樣品時(shí)，樣品強(qiáng)度與熱驅(qū)電流有確定的量化關(guān)系，記錄樣品破壞瞬間電流值的大小，通過(guò)計(jì)算可得出樣品強(qiáng)度。由以上可知，本發(fā)明無(wú)需復(fù)雜建模及外部精密儀器，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取電信號(hào)并獲取應(yīng)力波均值，更為直觀地實(shí)現(xiàn)在線微結(jié)構(gòu)的極限動(dòng)態(tài)彎曲強(qiáng)度的檢測(cè)。

該方法在具有功能器件的硅片上添加含有本檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)區(qū)域，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SOG(silicon on glass)工藝制作功能器件和檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)本檢測(cè)系統(tǒng)獲得和器件功能相同工藝條件下制作的壓阻測(cè)試樣品，在整體工藝進(jìn)程結(jié)束后，通過(guò)本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)該樣品進(jìn)行沖擊強(qiáng)度檢測(cè)，即時(shí)在線地獲取功能器件的工藝相關(guān)力學(xué)特性參數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例中的一種熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1—壓阻測(cè)試樣品，2—負(fù)載儲(chǔ)能彈簧，3—加載放大杠桿，4—加載熱驅(qū)執(zhí)行器，5—加載鋸齒扣，6—鋸齒鎖，7—釋放鋸齒扣，8—釋放熱驅(qū)執(zhí)行器，9—釋放放大杠桿，10—沖擊質(zhì)量塊，11—固定錨點(diǎn)。

圖2為實(shí)施例中在線檢測(cè)系統(tǒng)制作工藝流程。

圖中：12—硅片；13—玻璃片；14—玻璃上金屬走線；15—壓阻測(cè)試樣品區(qū)域；16—硅上金屬電極。

圖3為壓阻測(cè)試樣品示意圖。

圖中：17—整體硅樣品，18—樣品上壓阻條。

圖4為實(shí)施例中一種在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：19—熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)，20—保護(hù)電阻，21—電流表，22—電源，23—壓阻測(cè)試樣品。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可由以下實(shí)施例中所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的構(gòu)造、優(yōu)點(diǎn)與功效。

本發(fā)明提供一種熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，包括一熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)，其包括兩個(gè)加載熱驅(qū)執(zhí)行器4，通過(guò)一加載放大杠桿3連接，其中點(diǎn)處連接一加載鋸齒扣5，該加載鋸齒扣5含有多個(gè)一類鋸齒；中點(diǎn)處還通過(guò)一單梁連接一沖擊質(zhì)量塊10和一負(fù)載儲(chǔ)能彈簧2；該負(fù)載儲(chǔ)能彈簧2包括一柔性長(zhǎng)梁，其兩端各含有一固定錨點(diǎn)，該柔性長(zhǎng)梁與所述單梁垂直。還包括一熱驅(qū)卸載機(jī)構(gòu)，其包括兩個(gè)釋放熱驅(qū)執(zhí)行器8，通過(guò)一釋放放大杠桿9連接，其中點(diǎn)處連接一釋放鋸齒扣7，該釋放鋸齒扣7含有一二類鋸齒。還包括一鋸齒鎖6，其包括兩個(gè)互相平行的橫梁，該兩個(gè)橫梁的一端設(shè)有一對(duì)三類鋸齒，該三類鋸齒與所述一類鋸齒抵近并配合；另一端設(shè)有一對(duì)四類鋸齒，該四類鋸齒與所述二類鋸齒抵近并配合。

本發(fā)明專門設(shè)計(jì)一種壓阻測(cè)試樣品，包括重復(fù)疊層的一整體硅樣品17和一樣品上壓阻條18，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該壓阻測(cè)試樣品通過(guò)壓阻的離子注入及退火形成壓阻應(yīng)變片測(cè)試通路。

本發(fā)明還提供一種在線檢測(cè)系統(tǒng)，如圖4所示，包括熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)19和壓阻測(cè)試樣品23，所述壓阻測(cè)試樣品23位于所述熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)19的沖擊質(zhì)量塊的前方，通過(guò)一電路與所述熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)19的負(fù)載儲(chǔ)能彈簧的一固定錨點(diǎn)連接，該電路上接有一電源22、一電流表21和一保護(hù)電阻20。

本發(fā)明還提供一種在線檢測(cè)方法，基于上述在線檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)壓阻測(cè)試樣品進(jìn)行檢測(cè)，其步驟包括：

1)對(duì)熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行上電，通過(guò)控制熱驅(qū)電流大小控制熱驅(qū)加載撓度；

2)利用加載熱驅(qū)執(zhí)行器和加載放大杠桿將加載鋸齒扣驅(qū)動(dòng)至第一次和鋸齒鎖扣合，即第一個(gè)一類鋸齒與三類鋸齒扣合，該第一個(gè)一類鋸齒是指加載鋸齒扣最靠近頂端的一一類鋸齒；

3)對(duì)熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行下電處理；

4)待熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)恢復(fù)至室溫且系統(tǒng)穩(wěn)定后，對(duì)熱驅(qū)卸載機(jī)構(gòu)上電，利用釋放鋸齒扣打開鋸齒鎖，釋放沖擊質(zhì)量塊；

5)觀察沖擊質(zhì)量塊和壓阻測(cè)試樣品沖擊后情況，若沖擊完成后樣品完好無(wú)損，則重復(fù)上述步驟，使得下一個(gè)一類鋸齒與三類鋸齒扣合，每重復(fù)一遍，增大一次熱驅(qū)電流，以增大熱驅(qū)加載撓度，直到樣品被沖擊破壞，記錄此次電流表讀數(shù)。利用破壞瞬間電流表讀數(shù)反算壓阻測(cè)試樣品破壞時(shí)刻電阻，通過(guò)經(jīng)典壓阻公式電阻率＝k×應(yīng)力，其中k為壓阻系數(shù)，由具體硅片及摻雜決定，可以計(jì)算出破壞的極限應(yīng)力，獲取樣品強(qiáng)度。

為此，本發(fā)明具體提供一較佳實(shí)施例，本實(shí)施例根據(jù)壓阻測(cè)試樣品設(shè)計(jì)試驗(yàn)機(jī)各個(gè)組成部分尺寸：本實(shí)例中壓阻測(cè)試樣品為長(zhǎng)度40μm，寬度20μm的單齒結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)機(jī)的沖擊質(zhì)量塊取和壓阻測(cè)試樣品相似尺寸，即長(zhǎng)度40μm，寬度30μm的單邊圓弧狀方體。由沖擊質(zhì)量塊尺寸確定負(fù)載儲(chǔ)能彈簧，對(duì)于一般沖擊試驗(yàn)，沖擊質(zhì)量塊要求沖擊瞬間達(dá)到10m/s速度量級(jí)，結(jié)合動(dòng)能公式、長(zhǎng)梁彈性勢(shì)能公式以及考慮自身器件和版圖功能器件尺寸因素，柔性長(zhǎng)梁尺寸給定為：長(zhǎng)度2000μm，寬度15μm，厚度70μm，在加載撓度為50μm時(shí)，沖擊質(zhì)量塊就可實(shí)現(xiàn)30m/s速度的沖擊動(dòng)能加載。

根據(jù)柔性長(zhǎng)梁尺寸及最大加載撓度，同時(shí)考慮功能器件尺寸和版圖大小因素，可以確定熱驅(qū)加載機(jī)構(gòu)的尺寸。本實(shí)例中加載熱驅(qū)執(zhí)行器的尺寸為：長(zhǎng)度1000μm，寬度10μm，厚度70μm，v型角度5°，組數(shù)20組。加載放大杠桿尺寸為：長(zhǎng)度2000μm，寬度10μm，厚度70μm，v型角度5°。加載熱驅(qū)執(zhí)行器在通過(guò)加載放大杠桿在500℃可達(dá)到最大150mN輸出及最大240μm位移輸出。

根據(jù)負(fù)載儲(chǔ)能彈簧儲(chǔ)能情況及鎖扣力大小情況設(shè)計(jì)熱驅(qū)卸載機(jī)構(gòu)，本實(shí)例中釋放熱驅(qū)執(zhí)行器尺寸為：長(zhǎng)度1000μm，寬度10μm，厚度70μm，v型角度5°，組數(shù)10組。釋放放大杠桿尺寸為：長(zhǎng)度1000μm，寬度10μm，厚度70μm，v型角度5°。

根據(jù)自身檢測(cè)需要設(shè)計(jì)鋸齒鎖和鋸齒扣尺寸，本實(shí)施例中鋸齒間隔為20μm。

圖2為通過(guò)SOG標(biāo)準(zhǔn)體硅及壓阻混合工藝制作功能器件、試驗(yàn)機(jī)和壓阻測(cè)試樣品的流程圖，三者應(yīng)在同一微單元內(nèi)，通過(guò)同一光刻定義結(jié)構(gòu)圖形，通過(guò)同一次刻蝕釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)。其步驟包括：

(a)定義錨點(diǎn)：第一次淺刻蝕，刻蝕深度為4-8μm；

(b)定義互連；

(c)對(duì)準(zhǔn)鍵合；

(d)KOH減??；

(e)壓阻工藝制作壓阻區(qū)域；

(f)硅上壓焊金屬濺射；

(g)深刻蝕釋放結(jié)構(gòu)：第一次深刻蝕，刻蝕深度為50-70μm。

步驟(a)至(g)對(duì)應(yīng)于圖2中的A至G圖。這種制作工藝在微電子機(jī)械系統(tǒng)加工工藝領(lǐng)域?qū)儆诔Ｒ娂夹g(shù)，本發(fā)明不多做說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)可理解。

基于上述設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)和壓阻測(cè)試樣品，本實(shí)施例還提供一種如圖4所示的在線檢測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)上述的在線檢測(cè)方法對(duì)該樣品進(jìn)行檢測(cè)。本實(shí)例中保護(hù)電阻為5Ω，樣品自然電阻為5Ω，壓阻系數(shù)為53.7×10^-11m²/N，電源電壓為5V，自然接觸下電流為0.5A，檢測(cè)破壞狀態(tài)下電流為0.32A，可以算出總電阻變?yōu)閷⒔?5Ω，壓阻阻值相對(duì)變化為1，則應(yīng)力極限為1/壓阻系數(shù)，故檢測(cè)結(jié)果為樣品破壞應(yīng)力為2.5GPa，即為樣品強(qiáng)度。

本發(fā)明另提供一較佳實(shí)施例，以進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明提供的熱驅(qū)沖擊試驗(yàn)機(jī)、在線檢測(cè)系統(tǒng)和在線檢測(cè)方法，為便于敘述以及與上述實(shí)施例比較起見，本實(shí)施例的具體參數(shù)見如下表格。

表1

本發(fā)明通過(guò)實(shí)施例的方式揭露如上，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可輕易地了解本發(fā)明的構(gòu)造、優(yōu)點(diǎn)與功效，在不背離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的情況下，可通過(guò)其他不同的具體實(shí)例加以施行或應(yīng)用，也可以對(duì)各細(xì)節(jié)進(jìn)行各種修改與變更，保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。