Mems材料的接觸電阻和接觸力同步測量結構及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測量結構及方法，特別是涉及一種通過MEMS表面微加工技術制造的MEMS材料的接觸電阻和接觸力同步測量結構及其測量方法，屬于微電子機械系統(tǒng)制造及其性能可靠性測試技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，接觸特性的研宄已經(jīng)受到越來越多的關注，它直接關系到帶有接觸結構的MEMS器件的性能和可靠性。
[0003]以MEMS開關為例，在靜電激勵下或熱激勵下接觸電極相互接觸，形成導通電路，而接觸電阻在該電路中具有主要電阻的作用。接觸電阻的大小隨接觸力的改變而改變，而接觸力的大小與器件結構以及加載激勵的大小有關。一個可靠工作的MEMS器件需要獲知其接觸電阻的大小。對于給定加載激勵的MEMS開關，一般只能計算出其接觸力的大小，若要計算接觸電阻的大小，需要確定接觸力和接觸電阻的關系。所以，接觸力和接觸電阻的關系是MEMS器件中一個重要的參數(shù)。
[0004]現(xiàn)有技術中，接觸電阻測量所采用的專門測試設備，設備昂貴、體積龐大、測量成本高，而且，對所用不同材料制造的MEMS器件進行測試，存在通用性較差的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種MEMS材料的接觸電阻和接觸力同步測量結構及其測量方法，結構簡單、體積小巧、操作方便、通用性強、成本較低，能實現(xiàn)快速測量，特別適用于對表面微加工制造的MEMS材料進行接觸電阻和接觸力的同步測量。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是:
[0007]一種MEMS材料的接觸電阻和接觸力同步測量結構，包括絕緣襯底，位于絕緣襯底水平上端面處于同一水平中心軸線依次分布的V型熱執(zhí)行器、回字彈簧、可動接觸電極和固定接觸電極；還包括設置在回字彈簧中用于讀取測試刻度的刻度結構；所述可動接觸電極和固定接觸電極之間相隔初始狀態(tài)的測試間距。
[0008]其中，所述V型熱執(zhí)行器、回字彈簧和可動接觸電極依次相連成一體、并通過支撐保持懸浮狀態(tài)；所述固定接觸電極通過支撐也保持懸浮狀態(tài)；所述V型熱執(zhí)行器、回字彈簧、可動接觸電極和固定接觸電極均采用同一種導電材料由表面微加工工藝制成。
[0009]而且，所述V型熱執(zhí)行器通過施加電流受熱膨脹，驅(qū)使V型熱執(zhí)行器、回字彈簧和可動接觸電極一起向固定接觸電極靠近，使可動接觸電極和固定接觸電極的相面對的側面接觸并產(chǎn)生接觸力，用于進行導電材料的接觸電阻和接觸力同步測量。
[0010]本發(fā)明進一步設置為:所述V型熱執(zhí)行器包括一根水平設置的執(zhí)行梁，水平設置并與執(zhí)行梁相交連接且成對設置至少一對的熱臂；所述熱臂包括熱臂一和熱臂二。
[0011]其中，所述熱臂一和熱臂二與執(zhí)行梁軸線的相交夾角呈銳角、并以執(zhí)行梁軸線為中心呈對稱分布、形成V型，所述V型相交底端朝向回字彈簧；所述熱臂一和熱臂二的末端分別連接固設在絕緣襯底水平上端面的錨區(qū)一和錨區(qū)二，從而獲得支撐保持懸浮狀態(tài)；所述錨區(qū)一和錨區(qū)二的上端面分別設置有接地焊盤和接電焊盤。
[0012]本發(fā)明更進一步設置為:所述回字彈簧包括相互平行的橫梁一和橫梁二，所述橫梁一和橫梁二的兩端頭均通過豎梁相連、形成閉合環(huán)；所述刻度結構設置在閉合環(huán)中；所述刻度結構包括分別與橫梁一和橫梁二相連的刻度尺一和刻度尺二，所述刻度尺一與刻度尺二平行錯開、等高排列、末端零刻度初始對齊；所述執(zhí)行梁軸長一端超出熱臂相交處后與回字彈簧的橫梁一的中心垂直相連、另一端為自由端；所述可動接觸電極與回字彈簧的橫梁二的中心垂直相連。
[0013]本發(fā)明更進一步設置為:所述固定接觸電極的一端連接固設在絕緣襯底水平上端面的固定電極錨區(qū)，從而獲得支撐保持懸浮狀態(tài)；所述固定電極錨區(qū)的上端面設置有測量焊盤。
[0014]本發(fā)明更進一步設置為:所述熱臂一和熱臂二、錨區(qū)一和錨區(qū)二、接地焊盤和接電焊盤的數(shù)量均成四對，均在執(zhí)行梁兩側等間隔分布。
[0015]本發(fā)明更進一步設置為:所述導電材料為多晶硅或砷化鎵。
[0016]本發(fā)明更進一步設置為:所述接地焊盤、接電焊盤和測量焊盤均采用金屬材料制成。
[0017]本發(fā)明更進一步設置為:所述金屬材料為鋁或金。
[0018]本發(fā)明還提供MEMS材料的接觸電阻和接觸力同步測量結構的測量方法，包括以下步驟:
[0019]步驟1:加電熱脹后形成接觸；
[0020]將錨區(qū)一的接地焊盤接地、錨區(qū)二的接電焊盤接上電流，施加電流載荷后，接地焊盤和接電焊盤之間的熱臂一和熱臂二通電受熱；受熱膨脹后，熱臂一和熱臂二產(chǎn)生推動力，驅(qū)使V型熱執(zhí)行器的執(zhí)行梁、回字彈簧和可動接觸電極一起向固定接觸電極靠近，并使可動接觸電極和固定接觸電極的相面對的側面接觸；
[0021]步驟2:增大電流載荷，產(chǎn)生接觸力；
[0022]當可動接觸電極和固定接觸電極的相面對的側面接觸時，繼續(xù)增大電流載荷，可動接觸電極與固定接觸電極的側面接觸將產(chǎn)生接觸力，回字彈簧將發(fā)生形變；隨著電流載荷的增大，接觸力也會增大，回字彈簧的形變量也會增大；
[0023]步驟3:測量接觸電阻的大??；
[0024]在可動接觸電極和固定接觸電極的相面對的側面接觸并產(chǎn)生接觸力后，保持供應電流不變，通過測量接地焊盤和測量焊盤之間的電阻，獲取接觸電阻的大?。?br>[0025]步驟4:測量接觸力的大??；
[0026]保持步驟3的供應電流不變，通過讀取發(fā)生形變的回字彈簧中的刻度結構，得到回字彈簧的形變量，進而獲取與回字彈簧形變量成正比的接觸力大??；
[0027]步驟5:獲取不同電流下接觸電阻和接觸力的關系曲線；
[0028]通過施加不同電流，測量出不同電流下呈對應關系的接觸電阻和接觸力，并獲取接觸電阻和接觸力之間的關系曲線。
[0029]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的有益效果是:采用電熱驅(qū)動方式使可動接觸電極和固定接觸電極的相面對的側面接觸并產(chǎn)生接觸力，再進行接觸電阻和接觸力的同步測量，簡單易行、操作方便、測量速度較快且對測量儀器的要求低，而且還便于在線測試和高精度測試；測試結構基于MEMS加工技術，在加工MEMS器件結構時可作為陪片一并加工出來，無須專門制作，可降低生產(chǎn)成本，具有結構簡單、體積小巧、通用性強等優(yōu)點。
[0030]上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術手段，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明MEMS材料的接觸電阻和接觸力同步測量結構的俯視結構示意圖；
[0032]圖2為圖1中A-A剖示圖；
[0033]圖3為圖1中B-B剖示圖；
[0034]圖4為圖1中局部C的放大示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合說明書附圖，對本發(fā)明作進一步的說明。
[0036]如圖1、圖2、圖3及圖4所示，一種MEMS材料的接觸電阻和接觸力同步測量結構，包括絕緣襯底1，位于絕緣襯底I水平上端面處于同一水平中心軸線依次分布的V型熱執(zhí)行器2、回字彈簧3、可動接觸電極4和固定接觸電極5 ;還包括設置在回字彈簧3中用于讀取測試刻度的刻度結構6 ;所述可動接觸電極4和固定接觸電極5之間相隔初始狀態(tài)的測試間距10。
[0037]所述V型熱執(zhí)行器2、回字彈簧3和可動接觸電極4依次相連成一體、并通過支撐保持懸浮狀態(tài)；所述固定接觸電極5通過支撐也保持懸浮狀態(tài)；所述V型熱執(zhí)行器2、回字彈簧3、可動接觸電極4和固定接觸電極5均采用同一種導電材料由表面微加工工藝制成；
[0038]所述V型熱執(zhí)行器2通過施加電流受熱膨脹，驅(qū)使V型熱執(zhí)行器2、回字彈簧3和可動接觸電極4 一起向固定接觸電極5靠近，使可動接觸電極4和固定接觸電極5的相面對的側面接觸并產(chǎn)生接觸力，用于進行導電材料的接觸電阻和接觸力同步測量。
[0039]如圖1、圖2及圖3所示，所述V型熱執(zhí)行器2包括一根水平設置的執(zhí)行梁21，水平設置并與執(zhí)行梁21相交連接且成對設置的四對熱臂22，所述四對熱臂22于執(zhí)行梁21軸線方向等間隔分布；所述熱臂22包括熱臂一 221和熱臂二 222 ;所述熱臂一 221和熱臂二222與執(zhí)行梁21軸線的相交夾角呈銳角α、并以執(zhí)行梁21軸線為中心呈對稱分布、形成V型，所述V型相交底端朝向回字彈簧3 ;所述熱臂一 221和熱臂二 222的末端分別連接固設在絕緣襯底I水平上端面的錨區(qū)一 11和錨區(qū)二 12，從而獲得支撐保持懸浮狀態(tài)；所述錨區(qū)一11和錨區(qū)二 12的上端面分別設置有接地焊盤110和接電焊盤120。
[0040]如圖1所示，所述回字彈簧3包括相互平行的橫梁一 31和橫梁二 32，所述橫梁一31和橫梁二 32的兩端頭均通過豎梁33相連、形成閉合環(huán)20 ;所述刻度結構6設置在閉合環(huán)20中；所述刻度結構6包括分別與橫梁一 31和橫梁二 32相連的刻度尺一 61和刻度尺二62，所述刻度尺一 61與刻度尺二 62平行錯開、等高排列、末端零刻度初始對齊。
[0041]所述執(zhí)行梁21軸長一端超出熱臂22相交處即V型相交底端后、與回字彈簧3的橫梁一 31的中心垂直相連、另一端為自由端；所述