一种增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构的制作方法
【专利摘要】一种增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，包括衬底、沉积于衬底上表面的下极板、悬置在下极板上方的上极板以及置于衬底上的锚区；还有两个完全相同的辅助旋转结构；辅助旋转结构包括横梁、纵梁和两个辅助横梁；横梁的一端连接上极板，另一端连接纵梁；在应力作用下各个梁产生形变，使得电容值发生变化，测量电容值即可得到应力变化。旋转结构的设计加大了主纵梁的旋转幅度，显著增大测量电容的变化量，该测试结构简单，易于加工，对测试仪器无特殊要求，为残余应力的测试提供了一种很好地途径。
【专利说明】一种增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种表面微机械加工残余应力测试领域，尤其是一种增强型偏转电容 式表面微机械加工残余应力测试结构。
【背景技术】
[0002]MEMS 是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)的缩写。MEMS 把电子 技术与机械特性有机地结合了起来，通过悬浮结构的运动可以同时实现物理、化学、生物等 方面的功能。其中，表面娃微机械加工工艺易于与传统的CMOS工艺兼容,实现微机械器件 与CMOS电路的集成，因此应用较为广泛。表面硅微机械加工工艺，通过在硅片上连续沉积 功能层、结构层和牺牲层，再利用选择性腐蚀去除结构层下面的牺牲层而得到悬浮于衬底 表面附近的微结构。悬浮的微结构在电场、磁场等外力作用下可实现电、热、磁、机械之间的 转换，完成感知或执行等功能。表面微机械加工过程中由于薄膜淀积或后处理工艺不可避 免地会产生残余应力，过大的残余应力会造成可动结构破裂或彻底失去作用。
[0003]但是，典型的应力测试技术是用光学方法测定微结构因应力释放长度或弯曲的变 化，通常对光学设备的性能有较高要求，在表面微机械加工过程中不可避免地会产生残余 应力，过大的残余应力会造成薄膜结构破裂或变形。因此，必须重视残余应力的测试和分 析，并反馈之设计中，以保证设计和制造的MEMS器件具备良好的性能指标。如何在不增加 多少成本的情况下，完成残余应力的测试工作，成为了研究工作需要解决的问题。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了客服现有技术的不足，本发明提供了结构简单，易于操作的一种增 强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，以及时检测表面微机械加工过程中产 生的残余应力。
[0005]技术方案:一种增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在 于:包括衬底、两块下极板和上极板、两个辅助旋转结构和三个锚区；
[0006]下极板沉积于衬底上表面；两个锚区置于衬底上；上极板悬置在下极板上方；
[0007]两个辅助旋转结构分别是左辅助旋转结构和右辅助旋转结构，两个辅助旋转结构 完全相同；其中，左辅助旋转结构包括左横梁、左纵梁和两个辅助横梁；左横梁的右端连接 上极板左侧，左横梁的左端连接左纵梁，左横梁与左纵梁垂直；左纵梁的两侧分别连接一个 辅助横梁，连接左纵梁左侧的辅助横梁的另一端固定在锚区右侧，连接左纵梁右侧的辅助 横梁的另一端固定在锚区左侧；
[0008]右辅助旋转结构包括右横梁、右纵梁、和两个辅助横梁；右横梁的左端连接上极板 右侧，右横梁的右端连接右纵梁，所诉右横梁与右纵梁垂直；右纵梁的两侧分别连接一个辅 助横梁，连接右纵梁右侧的辅助横梁的另一端固定在锚区左侧，连接右纵梁左侧的辅助横 梁的另一端固定在锚区右侧；
[0009]左横梁和右横梁位于同一平面且不在同一水平线上；四个辅助横梁位于同一平面且不在同一水平线上；上极板与两个辅助结构位于同一平面，该平面与衬底平行；
[0010]两块下极板分别位于上极板前后两端的下方；两块下极板的同一侧与上极板对齐，另一侧超出上极板的覆盖范围；两块下极板被上极板遮蔽的面积相同；下极板与上极板之间分别形成平板电容Cl和C2。应力作用下各个梁产生形变，使得电容值发生变化，测量电容值即可得到应力变化。
[0011 ] 下极板上涂覆有介质薄层，该介质薄层材料为氮化硅。下极板材料为掺杂多晶硅。两块下极板为两个完全相同的矩形。下极板和上极板的材料相同。
[0012]有益效果:本发明通过电容的相对变化来反映残余应力，主要特点在于采用了主、辅两极旋转结构的设计，以加大主纵梁的旋转幅度，显著增大测量电容的变化量，有利于提高测量精度。该测试结构简单，易于加工，对测试仪器无特殊要求，为残余应力的测试提供了一种很好地途径。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的结构示意图
[0014]图2为衬底顶面示意图
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0016]结合图1和图2所示，一种增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，包括衬底1、两块下极板2和上极板3、两个辅助旋转结构和三个锚区；
[0017]下极板2沉积于衬底I上表面；两个锚区7置于衬底I上；上极板3悬置在下极板2上方；
[0018]两个辅助旋转结构分别是左辅助旋转结构和右辅助旋转结构，两个辅助旋转结构完全相同；其中，左辅助旋转结构包括左横梁41、左纵梁51和两个辅助横梁6 ;左横梁41的右端连接上极板3左侧，左横梁41的右端连接左纵梁51，左横梁41与左纵梁51垂直；左纵梁51的两侧分别连接一个辅助横梁6，连接左纵梁左侧的辅助横梁的另一端固定在锚区71右侧，连接左纵梁右侧的辅助横梁的另一端固定在锚区73左侧；
[0019]右辅助旋转结构包括右横梁42、右纵梁52、和两个辅助横梁6 ;右横梁42的左端连接上极板3右侧，右横梁42的左端连接右纵梁52，所诉右横梁42与右纵梁52垂直；右纵梁52的两侧分别连接一个辅助横梁6，连接右纵梁右侧的辅助横梁的另一端固定在锚区72左侧，连接右纵梁左侧的辅助横梁的另一端固定在锚区73右侧；
[0020]左横梁41和右横梁42位于同一平面且不在同一水平线上；
[0021]四个辅助横梁6位于同一平面且不在同一水平线上；
[0022]上极板3与两个辅助结构位于同一平面，该平面与衬底I平行；
[0023]两块下极板2分别位于上极板3前后两端的下方；两块下极板2的同一侧与上极板3对齐，另一侧超出上极板3的覆盖范围；两块下极板2被上极板3遮蔽的面积相同；
[0024](为了方便辨别，分别标示图1中相对位于上方的下极板A为21，下方的下极板B为22)
[0025]下极板A21与上极板3之间形成平板电容Cl，下极板B22与上极板3之间形成平板电容C2。
[0026]下极板2上涂覆有介质薄层，该介质薄层材料为氮化硅。下极板2材料为掺杂多 晶硅。两块下极板2为两个完全相同的矩形。下极板2和上极板3的材料相同。
[0027]本发明的主要特点是采用主、辅两极旋转结构的设计，加大被测电容的变化量。虽 然，旋转结构中两侧横梁越靠近纵梁的中部，且纵梁越长，旋转幅度就越大，但一味加长纵 梁，结构释放后纵梁会向下弯曲与衬底粘附，失去残余应力测试功能。因此，通过旋转结构 间的级连连接方式可避免这种失效，在实际加工中易于实现。
[0028]上述增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力的测试结构，其增强偏转电容以 及测试残余应力的具体方法如下:
[0029]I)存在张应力时，结构层释放后，辅旋转结构中左横梁41和右横梁42发生收缩， 长度变短，所形成的力矩带动上极板3按逆时针方向水平旋转。同时，左右两个辅旋转结构 中的四个辅横梁6收缩，使左侧辅旋转结构中的左纵梁51按逆时针方向水平旋转，而右侧 辅旋转结构中的右纵梁52按顺时针方向水平旋转。两侧旋转方向相反的辅纵梁51和52， 通过左横梁41和右横梁42进一步带动上极板3按逆时针方向更大幅度地水平旋转。这时， 上极板3与下极板B22之间对应的面积基本不变，但与下极板A21之间对应的面积随着上 极板3旋转角度的增大而减小。因此，张应力使电容Cl小于电容C2，且两者之差越大，张应 力越大。
[0030]2)存在压应力时，结构层释放后，辅旋转结构中左横梁41和右横梁42发生收缩， 长度变短，所形成的力矩带动上极板3按逆时针方向水平旋转。同时，辅旋转结构中的四个 辅助横梁6发生伸展，长度变长，与张应力情况恰好相反。因此，左侧辅旋转结构中的纵梁 51按顺时针方向水平旋转，而右侧辅旋转结构中的左纵梁52按逆时针方向水平旋转，进一 步带动上极板3按顺时针方向更大幅度地水平旋转。这时，上极板3与下极板A21之间对 应的面积基本不变，但与下极板B22之间对应的面积随着上极板3旋转角度的增大而减小。 因此，压应力使电容Cl大于电容C2，且差越大，压应力越大。
[0031]3)表面微机械加工未产生残余应力时，释放后结构层长度不变，各旋转结构不发 生变化，这时电容Cl等于电容C2。
[0032]因此，对于释放后的测试结构，通过分别测量上极板3与下极板之间的电容Cl和 C2，比较Cl与C2间的相对大小，即可方便地推测上极板3旋转的方向和角度大小，进而判 断出结构层的应力是张应力还是压应力，以及推测应力的大小。
[0033]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构,其特征在于:包括衬底(I)、两块下极板(2)和上极板(3)、两个辅助旋转结构和三个锚区； 所述下极板(2)沉积于衬底(I)上表面； 所述三个锚区(7 )置于衬底(I)上； 所述上极板(3)悬置在下极板(2)上方； 所述两个辅助旋转结构分别是左辅助旋转结构和右辅助旋转结构，两个辅助旋转结构完全相同；其中，左辅助旋转结构包括左横梁(41)、左纵梁(51)和两个辅助横梁(6);左横梁(41)的右端连接上极板(3)左侧，左横梁(41)的左端连接左纵梁(51)，所述左横梁(41)与左纵梁(51)垂直；左纵梁(51)的两侧分别连接一个辅助横梁(6)，连接左纵梁左侧的辅助横梁的另一端固定在锚区(71)右侧，连接左纵梁右侧的辅助横梁的另一端固定在锚区(73)左侧； 所述右辅助旋转结构包括右横梁(42)、右纵梁(52)、和两个辅助横梁(6);所述右横梁(42)的左端连接上极板(3)右侧，右横梁(42)的右端连接右纵梁(52)，所诉右横梁(42)与右纵梁(52)垂直；右纵梁(52)的两侧分别连接一个辅助横梁(6)，连接右纵梁右侧的辅助横梁的另一端固定在锚区(72)左侧，连接右纵梁左侧的辅助横梁的另一端固定在锚区(73)右侧； 所述左横梁(41)和右横梁(42)位于同一平面且不在同一水平线上； 所述四个辅助横梁(6)位于同一平面且不在同一水平线上；` 所述上极板(3 )与两个辅助结构位于同一平面，该平面与衬底(I)平行； 所述两块下极板(2)分别位于上极板(3)前后两端的下方；两块下极板(2)的同一侧与上极板(3)对齐，另一侧超出上极板(3)的覆盖范围；两块下极板(2)被上极板(3)遮蔽的面积相同； 所述下极板(2)与上极板(3)之间分别形成平板电容Cl和C2。
2.如权利要求1所述的一种增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于:所述下极板(2)上涂覆有介质薄层，该介质薄层材料为氮化硅。
3.如权利要求1所述的一种增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于:所述下极板(2)材料为掺杂多晶硅。
4.如权利要求1所述的一种增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于:所述两块下极板(2)为两个完全相同的矩形。
5.如权利要求1所述的一种增强型偏转电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于:所述下极板(2)和上极板(3)的材料相同。
【文档编号】G01L1/14GK103604534SQ201310611767
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】唐洁影, 王磊, 蒋明霞 申请人:东南大学