一種二級微位移放大結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及到一種功能薄膜應力測量結構，具體是一種可以精確測量薄膜內(nèi) 部殘余應力大小二級微位移放大結構。
【背景技術】
[0002] 功能薄膜越來越多的應用于微器件結構的制作，如在振動能量收集裝置中采用的 壓電薄膜、在太陽能電池板表面涂覆反射率較小氮化硅薄膜、在透明電極制備中所采用的 透明導電薄膜、在MEMS器件封裝過程中采用的介電薄膜等。由于功能薄膜具有力學性能 好、化學穩(wěn)定性高、制備方法簡單等優(yōu)點，已越來越多的應用于器件結構制備及器件防護 膜。
[0003] 功能薄膜在使用過程中最大的缺點是其內(nèi)部大的殘余應力，如氮化硅薄膜采用等 離子增強化學氣相沉積厚度超過1微米就會產(chǎn)生裂紋，薄膜內(nèi)部殘余應力可達到幾GPa。薄 膜中大的殘余應力往往導致所制備的薄膜出現(xiàn)裂紋、翹曲、剝落，直接導致器件制作失敗， 采用功能薄膜制備器件時，必須選用內(nèi)部殘余應力較小的薄膜來制備器件，才能獲得高的 器件制備成功率。因此，在器件制備前，有必要對所選用的薄膜中的殘余應力進行精確測 量。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 為了解決上述技術問題，本實用新型所提供了一種本實用新型涉及到一種功能薄 膜應力測量結構，具體是一種可以精確測量薄膜內(nèi)部殘余應力大小二級微位移放大結構。
[0005] 為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術方案是，一種二級微位移放大結構， 在薄膜上采用刻蝕技術制備，包括：
[0006] 兩對分別呈中心對稱設置的第一固定端和第二固定端，他們均由形成于基片上的 犧牲層和形成于犧牲層上的待測薄膜構成，
[0007] -對呈中心對稱設置的固定梁，兩固定梁的一端分別連接在兩第一固定端，
[0008] 一對呈中心對稱設置的旋轉(zhuǎn)梁，兩旋轉(zhuǎn)梁分別通過固定梁連接頸與兩固定梁的另 一端連接，兩旋轉(zhuǎn)梁的一端通過旋轉(zhuǎn)梁連接頸與第二固定端連接，
[0009] -個具有中心對稱結構的指針梁，其對稱中心兩側分別通過兩根中心對稱的指針 梁連接頸與兩根旋轉(zhuǎn)梁的另一端連接，
[0010] 一對呈中心對稱設置的刻度尺，其形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的待 測薄膜構成，其為配置與所述基片上的梳齒結構，兩刻度尺分別相對于指針梁的指針設置， 用于配合讀取所示指針梁的擺動值，
[0011] 薄膜下方的犧牲層去除后，薄膜內(nèi)部的殘余應力作用下，固定梁產(chǎn)生的伸縮位移 經(jīng)過旋轉(zhuǎn)梁的伸縮位移通過固定梁連接頸傳遞給旋轉(zhuǎn)梁，旋轉(zhuǎn)梁將位移進行一級放大，放 大后的位移然后經(jīng)指針梁連接頸傳遞給指針梁，在指針梁連接頸的作用下對位移二次放 大，二次放大后的位移轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樍旱淖笥覕[動，指針梁尖端擺動的值通過刻度尺上的刻 度讀出。
[0012] 進一步的，所述指針梁中心處設有指針梁彎角e，設置指針梁彎角e是為了防止指 針梁在旋轉(zhuǎn)過程中與旋轉(zhuǎn)梁發(fā)生碰撞。
[0013] 本實用新型通過采用上述技術方案，與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點：薄膜應力測 量結構在薄膜上采用刻蝕技術制備，在薄膜下方的犧牲層去除前，薄膜貼附在犧牲層上處 于平衡狀態(tài)，當犧牲層去除后，薄膜在內(nèi)部殘余應力的作用下發(fā)生形變，形變經(jīng)過二次位移 放大后可以很容易讀出發(fā)生形變量大小，由形變量的大小根據(jù)線彈性理論即可求接觸薄膜 內(nèi)部殘余應力的大小。本實用新型所設計的二級微位移放大結構具有結構簡單、位移放大 倍數(shù)高、應力測量精度高等優(yōu)點，非常適合測量功能薄膜內(nèi)部的殘余應力。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型實施例的示意圖。
[0015] 圖2為固定梁連接頸的尺寸。
[0016] 圖3為旋轉(zhuǎn)梁連接頸的尺寸。
[0017] 圖4為指針梁連接頸的尺寸。
[0018] 圖5為一級位移放大倍數(shù)示意圖。
[0019] 圖6為二級位移放大倍數(shù)示意圖。
[0020] [符號說明]
[0021] 1、固定端，2、固定梁，3、固定梁連接頸，4、旋轉(zhuǎn)梁連接頸，5、刻度尺，6、刻度，7、指 針梁，8、指針梁連接頸，9、旋轉(zhuǎn)梁，wl、固定梁寬度，《2、旋轉(zhuǎn)梁寬度，《3、指針梁寬度，L1、固 定梁長度，L2、旋轉(zhuǎn)梁長度，L3、指針梁長度，al、固定梁連接頸寬度，a2、旋轉(zhuǎn)梁連接頸寬度， a3、指針梁連接頸寬度，bl、固定梁連接頸長度，b2、旋轉(zhuǎn)梁連接頸長度，b3、指針梁連接頸長 度，t、旋轉(zhuǎn)梁短距，h、指針梁短距，e、指針梁折彎角，xl、固定梁伸縮位移，x2、為旋轉(zhuǎn)梁連接 頸位移，x3、為指針梁尖端的偏轉(zhuǎn)量。
【具體實施方式】
[0022] 現(xiàn)結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進一步說明。
[0023] 作為一個具體的實施例，如圖1至圖4所示，本實用新型的一種二級微位移放大結 構，在薄膜上采用刻蝕技術制備，包括：
[0024] 兩對分別呈中心對稱設置的第一固定端1和第二固定端10,他們均由形成于基片 上的犧牲層和形成于犧牲層上的待測薄膜構成，第一固定端1和第二固定端10起到支撐 微位移放大結構及固定整個結構位置，在所設計的結構中共有4個起固定支撐作用的固定 端，其位置分別與固定梁2、旋轉(zhuǎn)梁9垂直。
[0025] 一對呈中心對稱設置的固定梁2,兩固定梁2的一端分別連接在兩第一固定端1， 兩固定梁2與第一固定端1呈90°垂直連接，
[0026] 一對呈中心對稱設置的旋轉(zhuǎn)梁9,兩旋轉(zhuǎn)梁9分別通過固定梁連接頸與兩固定梁2 的另一端呈90°垂直連接，兩旋轉(zhuǎn)梁9的一端通過旋轉(zhuǎn)梁連接頸4與第二固定端10呈90° 垂直連接，
[0027] -個具有中心對稱結構的指針梁7,其對稱中心兩側分別通過兩根中心對稱的指 針梁連接頸與兩根旋轉(zhuǎn)梁9的另一端連接。所述指針梁7對稱中心處設有指針梁彎角e，設 置指針梁彎角e是為了防止指針梁在旋轉(zhuǎn)過程中與旋轉(zhuǎn)梁發(fā)生碰撞。
[0028] -對呈中心對稱設置刻度尺5,其由形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的 待測薄膜構成，其為配置與所述基片上的梳齒結構，兩刻度尺分別相對于指針梁的指針設 置，用于配合讀取所示指針梁的擺動值，
[0029] 薄膜下方的犧牲層去除后，薄膜內(nèi)部的殘余應力作用下，固定梁產(chǎn)生的伸縮位移 經(jīng)過旋轉(zhuǎn)梁的伸縮位移通過固定梁連接頸傳遞給旋轉(zhuǎn)梁，旋轉(zhuǎn)梁將位移進行一級放大，放 大后的位移然后經(jīng)指針梁連接頸傳遞給指針梁，在指針梁連接頸的作用下對位移二次放 大，二次放大后的位移轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樍旱淖笥覕[動，指針梁尖端擺動的值通過刻度尺上的刻 度讀出，根據(jù)線彈性理論即可求解出薄膜中的殘余應力。
[0030] 連接關系：薄膜應力測量結構是在薄膜表面上采用ICP刻蝕技術制備，固定梁2 - 端與固定端1相連接，另一端通過固定梁連接頸3與旋轉(zhuǎn)梁9相連接，旋轉(zhuǎn)梁9 一端通過旋 轉(zhuǎn)梁連接頸4與固定端1相連接，另一端通過指針梁連接頸8與指針梁7相連接，刻度尺5 與指針梁7相對應的一側刻蝕出刻度6,指針梁7的尖端與刻度尺5的刻度6相對應，薄膜 應力測量結構呈現(xiàn)出中心對稱布置，增加結構的穩(wěn)定性。
[0031] 固定梁2直接與固定端1采用一體連接，增強了整個結構的穩(wěn)定性。由于在進行 位移傳遞過程中對位移進行了二級放大，在連接點部分形變較大，采用固定梁連接頸3、旋 轉(zhuǎn)梁連接頸4、指針梁連接頸8對結構進行連接減小了位移傳遞過程中的阻力，更好的將固 定梁2產(chǎn)生的位移經(jīng)放大后傳遞給指針梁。為了防止指針梁7在旋轉(zhuǎn)過程中與旋轉(zhuǎn)梁9發(fā) 生碰撞，將指針梁7設計成有指針梁折彎角e。整個結構設計成對稱形式，增加結構的穩(wěn)定 性。
[0032] 一級位移放大：在實際的器件制備過程中，薄膜由于與其下面的犧牲層的粘附作 用而處于平衡狀態(tài)，在底層的犧牲層去除之后，薄膜中的應力就會釋放出來，表現(xiàn)為薄膜的 伸縮形變，即固定梁2的伸縮形變。固定梁2通過固定梁連接頸3與旋轉(zhuǎn)梁9相連接，固定 梁連接頸3的長度al、寬度bl影響到固定梁2的形變位移傳遞給旋轉(zhuǎn)梁9,根據(jù)實驗及有 限元模型的優(yōu)化可以求解出最佳的長寬比或根據(jù)需要自行設定。由于旋轉(zhuǎn)梁9在應力測量 過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，為減小對應力測量的影響，旋轉(zhuǎn)梁9的一端采用旋轉(zhuǎn)梁連接頸4與固定端 1相連接，此時，固定梁2的伸縮位移轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)梁9的旋轉(zhuǎn)，根據(jù)杠桿原理，一級位移放大 的倍數(shù)可表示為下面的公式：
【主權項】
1. 一種二級微位移放大結構，其特征在于：在薄膜上采用刻蝕技術制備，包括： 兩對分別呈中心對稱設置的第一固定端和第二固定端，他們均由形成于基片上的犧牲 層和形成于犧牲層上的待測薄膜構成， 一對呈中心對稱設置的固定梁，兩固定梁的一端分別連接在兩第一固定端， 一對呈中心對稱設置的旋轉(zhuǎn)梁，兩旋轉(zhuǎn)梁分別通過固定梁連接頸與兩固定梁的另一端 連接，兩旋轉(zhuǎn)梁的一端通過旋轉(zhuǎn)梁連接頸與第二固定端連接， 一個具有中心對稱結構的指針梁，其對稱中心兩側分別通過兩根中心對稱的指針梁連 接頸與兩根旋轉(zhuǎn)梁的另一端連接， 一對呈中心對稱設置的刻度尺，其形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的待測薄 膜構成，其為配置與所述基片上的梳齒結構，兩刻度尺分別相對于指針梁的指針設置，用于 配合讀取所示指針梁的擺動值， 薄膜下方的犧牲層去除后，薄膜內(nèi)部的殘余應力作用下，固定梁產(chǎn)生的伸縮位移經(jīng)過 旋轉(zhuǎn)梁的伸縮位移通過固定梁連接頸傳遞給旋轉(zhuǎn)梁，旋轉(zhuǎn)梁將位移進行一級放大，放大后 的位移然后經(jīng)指針梁連接頸傳遞給指針梁，在指針梁連接頸的作用下對位移二次放大，二 次放大后的位移轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樍旱淖笥覕[動，指針梁尖端擺動的值通過刻度尺上的刻度讀 出。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種二級微位移放大結構，其特征在于：所述指針梁對稱中 心處設有指針梁彎角e。
【專利摘要】本實用新型涉及功能薄膜應力測量結構。本實用新型的一種二級微位移放大結構，包括：固定梁、旋轉(zhuǎn)梁、指針梁、刻度尺、固定梁連接頸、旋轉(zhuǎn)梁連接頸、指針梁連接頸和固定端。薄膜應力測量結構在薄膜上采用刻蝕技術制備，固定梁的一端連接在固定端，在薄膜下方的犧牲層去除之后，由于薄膜內(nèi)部的殘余應力作用，固定梁產(chǎn)生的伸縮位移通過固定梁連接頸傳遞給旋轉(zhuǎn)梁，旋轉(zhuǎn)梁將位移進行一級放大，放大后的位移然后經(jīng)指針梁連接頸傳遞給指針梁，在對稱布置的兩個指針梁連接頸的作用下對位移二次放大，二次放大后的位移轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樍旱淖笥覕[動，指針梁尖端擺動的值通過刻度尺上的刻度讀出。結構簡單、位移放大倍數(shù)高。
【IPC分類】G01L1-00
【公開號】CN204514510
【申請?zhí)枴緾N201520060445
【發(fā)明人】鄭建毅, 王俊清, 楊群峰, 林俊輝, 趙雪楠
【申請人】廈門大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年1月29日