專利名稱：一種微懸臂梁接觸力分布的測(cè)量結(jié)構(gòu)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)制造、性能及其可靠性測(cè)試的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一 種MEMS (微機(jī)械系統(tǒng))微懸臂梁在靜電驅(qū)動(dòng)下的接觸力分布的測(cè)量結(jié)構(gòu)及其方法。
背景技術(shù)：
微懸臂梁是許多MEMS器件的基本構(gòu)件。外加載荷下，微懸臂梁的自由端與襯底相 接觸的接觸力分布特點(diǎn)是人們分析器件接觸可靠性所關(guān)注的問題之一。例如，MEMS金屬接 觸式開關(guān)，接觸力的大小直接影響開關(guān)的性能參數(shù)和長(zhǎng)期使用的可靠性。同時(shí)，接觸力分布 也是分析微懸臂梁結(jié)構(gòu)粘附特性的重要依據(jù)。對(duì)于微懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于作用在下拉電極上 的力和接觸力并不相同，靜電下拉力的一部分用在梁的彎曲和錨區(qū)上，其余部分才作用在 接觸區(qū)域。因此，對(duì)于靜電驅(qū)動(dòng)的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，接觸力不僅與外加靜電力有關(guān)，而且與微 懸臂梁結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)也密切相關(guān)。對(duì)接觸力的估計(jì)，目前常用的辦法是應(yīng)用機(jī) 械或機(jī)電軟件包加以分析和預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確程度依賴于MEMS微懸臂梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù) 的取值。對(duì)于不同的加工工藝和加工條件，MEMS微懸臂梁的殘余應(yīng)力和應(yīng)力梯度不同，結(jié) 構(gòu)參數(shù)也會(huì)不同，情況較為復(fù)雜。因此，通過設(shè)計(jì)測(cè)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)，直接獲取接觸力的相 關(guān)信息，顯得更為方便和準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種微懸臂梁接觸力分 布的測(cè)量結(jié)構(gòu)及其方法，用于測(cè)量MEMS微懸臂梁結(jié)構(gòu)在靜電驅(qū)動(dòng)下其自由端與襯底間的 接觸力分布情況。該測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在線測(cè)量。技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種微懸臂梁接觸力分布的測(cè)量結(jié)構(gòu)，包括襯底和金屬或多晶硅懸臂粱，所述襯 底上設(shè)有懸臂梁錨區(qū)、與測(cè)量結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的用于靜電激勵(lì)的下拉電極和對(duì)應(yīng)于懸臂粱的襯 底接觸電極，所述懸臂粱通過懸臂梁錨區(qū)固定在襯底上方，所述襯底接觸電極由兩條以上 并行排列的窄條電極構(gòu)成，所述窄條電極的兩個(gè)末端分別連接有壓焊塊，所述窄條電極中 間斷開分成窄條電極對(duì)，各窄條電極之間無連接。本發(fā)明同時(shí)提供了一種基于本發(fā)明提供的微懸臂梁接觸力分布的測(cè)量結(jié)構(gòu)的測(cè) 量方法，所述測(cè)量方法如下1)在所述懸臂梁和下拉電極之間施加電壓，在下拉電極的靜電激勵(lì)下，懸臂梁的 自由端向下彎曲并和與之相應(yīng)的襯底接觸電極接觸，使得相應(yīng)的斷開的窄條電極對(duì)接通；2)依次測(cè)量各接通的窄條電極對(duì)的接觸電阻；3)根據(jù)測(cè)得的接觸電阻分析懸臂粱的接觸力分布，懸臂粱與襯底接觸電極間的接 觸力越大，其接觸就越緊密，則相應(yīng)的接觸電阻就越小。對(duì)下拉電極施加不同的下拉電壓下，依次測(cè)量各窄條電極對(duì)的接觸電阻，并進(jìn)行 比較，分析計(jì)算在不同下拉電壓下懸臂梁與襯底接觸電極相接觸時(shí)其接觸力在接觸區(qū)域的相對(duì)分布情況。有益效果本發(fā)明提供的一種微懸臂梁接觸力分布的測(cè)量結(jié)構(gòu)，基于MEMS加工技 術(shù)，制作工藝無特殊要求，與一般MEMS器件工藝兼容，測(cè)量方法簡(jiǎn)單易行，測(cè)量精度較高， 所施加和檢測(cè)的都是電學(xué)量，可以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，為靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS微懸臂梁結(jié)構(gòu)的接觸 力分布提供了一種實(shí)測(cè)途徑。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的襯底示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。如圖1所示是一種微懸臂梁接觸力分布的測(cè)量結(jié)構(gòu)，該測(cè)量結(jié)構(gòu)由硅微機(jī)械加工 工藝實(shí)現(xiàn)，主要包括如圖2所示的襯底1和金屬懸臂粱3，所述襯底1上設(shè)有懸臂梁錨區(qū)2、 與測(cè)量結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的用于靜電激勵(lì)的下拉電極4和對(duì)應(yīng)于懸臂粱3的襯底接觸電極，所述 懸臂粱3通過懸臂梁錨區(qū)2固定在襯底1上方，所述襯底接觸電極由七條并行排列的窄條 電極構(gòu)成，所述窄條電極的兩個(gè)末端分別連接有壓焊塊，分別為壓焊塊50 56和壓焊塊 60 66，所述窄條電極中間斷開分成窄條電極對(duì)，各窄條電極之間以及壓焊塊之間均無連 接。所述懸臂梁3的長(zhǎng)X寬X厚為400 μ mX 150 μ mX 4 μ m，懸臂梁3與襯底1的間隙為 3 μ m,下拉電極4極寬度為150 μ m,這里金屬懸臂粱3、下拉電極4及窄條電極均采用金材 料。測(cè)量時(shí)，在下拉電極4的靜電激勵(lì)下，懸臂梁3的自由端向下彎曲并與襯底接觸電 極接觸，使相應(yīng)的斷開窄條電極接通，依次測(cè)量壓焊塊50與60、51與61、52與62、53與63、 54與64、55與65、56與66之間的接觸電壓，即可獲取相應(yīng)的接觸力分布信息。具體測(cè)量時(shí)的步驟如下1)在懸臂梁3與下拉電極4之間施加IOV直流電壓，在下拉電極4的靜電激勵(lì)下， 懸臂梁3的自由端向下彎曲，逐漸增加下拉電極4上的電壓，直至懸臂梁3的自由端與襯底 接觸電極接觸。2)依次測(cè)量各接通的窄條電極對(duì)的接觸電阻，即依次測(cè)量壓焊塊50與60、51與 61,52與62、53與63、54與64、55與65、56與66之間的接觸電阻。3)根據(jù)測(cè)量所得的接觸電阻值分析若窄條電極對(duì)的接觸電阻值大于ΜΩ量級(jí)， 則說明懸臂粱3未與相應(yīng)的窄條電極接觸；若窄條電極對(duì)的接觸電阻值在ΚΩ量級(jí)，則說明 懸臂梁3與相應(yīng)的窄條電極略有接觸；若窄條電極對(duì)的接觸電阻穩(wěn)定在Ω量級(jí)，則說明懸 臂梁3與相應(yīng)的窄條電極緊密接觸。對(duì)于不同材料，窄條電極對(duì)的接觸電阻所處的量級(jí)有 所不同。4)逐漸加大懸臂梁3與下拉電極4之間的電壓，并測(cè)量在不同下拉電壓下，各窄條 電極對(duì)的接觸電阻。各窄條電極對(duì)的接觸電阻值反映了對(duì)應(yīng)位置懸臂梁與襯底接觸的緊密程度，進(jìn)而反映了對(duì)應(yīng)位置接觸力的大小。因此，通過測(cè)量和比較整個(gè)電壓加載過程中各窄條電極對(duì)的接觸電阻大小，可得到各下拉電壓下懸臂梁與襯底接觸時(shí)，接觸力在接觸區(qū)域的相對(duì)分 布情況。 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(duì)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(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種微懸臂梁接觸力分布的測(cè)量結(jié)構(gòu)，其特征在于所述測(cè)量結(jié)構(gòu)包括襯底(1)和金屬或多晶硅懸臂粱(3)，所述襯底(1)上設(shè)有懸臂梁錨區(qū)(2)、與測(cè)量結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的用于靜電激勵(lì)的下拉電極(4)和對(duì)應(yīng)于懸臂粱(3)的襯底接觸電極，所述懸臂粱(3)通過懸臂梁錨區(qū)(2)固定在襯底(1)上方，所述襯底接觸電極由兩條以上并行排列的窄條電極構(gòu)成，所述窄條電極的兩個(gè)末端分別連接有壓焊塊，所述窄條電極中間斷開分成窄條電極對(duì)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的微懸臂梁接觸力分布的測(cè)量結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，其特征在于 所述測(cè)量方法如下1)在所述懸臂梁⑶和下拉電極⑷之間施加電壓，在靜電力作用下，懸臂梁⑶的自 由端向下彎曲并和與之相應(yīng)的襯底接觸電極接觸，使得相應(yīng)的斷開的窄條電極對(duì)接通；2)依次測(cè)量各接通的窄條電極對(duì)的接觸電阻；3)根據(jù)測(cè)得的接觸電阻分析懸臂粱(3)的接觸力分布，懸臂粱(3)與襯底接觸電極間 的接觸力越大，則相應(yīng)的接觸電阻就越小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微懸臂梁接觸力分布的測(cè)量結(jié)構(gòu)及其方法，所述測(cè)量結(jié)構(gòu)包括襯底和金屬或多晶硅懸臂粱，所述襯底上設(shè)有懸臂梁錨區(qū)、與測(cè)量結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的用于靜電激勵(lì)的下拉電極和對(duì)應(yīng)與懸臂粱的襯底接觸電極，所述懸臂粱通過懸臂梁錨區(qū)固定在襯底上方，所述襯底接觸電極由兩條以上并行排列的窄條電極構(gòu)成，所述窄條電極的兩個(gè)末端分別連接有壓焊塊，所述窄條電極中間斷開分成窄條電極對(duì)。測(cè)量時(shí)，在下拉電極的靜電激勵(lì)下，懸臂梁與襯底接觸電極接觸，使相應(yīng)的斷開的窄條電極對(duì)接通，懸臂梁與襯底電極間的接觸力越大，它們之間接觸的就越緊密，相應(yīng)的接觸電阻就越小。本發(fā)明提供的測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量方法容易并且能夠?qū)崿F(xiàn)在線測(cè)量。
文檔編號(hào)G01L1/18GK101839779SQ20101015338
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月21日
發(fā)明者唐潔影, 袁潔 申請(qǐng)人:東南大學(xué)