一种静电式mems扭转梁疲劳强度的测试结构的制作方法
【专利摘要】一种静电式MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构，包括衬底、沉积于衬底上表面的四块下极板、水平悬置在衬底上方的两个“中”字结构，连接在衬底上的三个锚区；每个“中”字结构由一块矩形上极板和垂直连接在上极板两侧中部的两根窄梁构成；两个“中”字结构相互垂直、通过其中一根窄梁相连，这根窄粱也为被测粱，其余三根窄梁的另一端分别连接在各自锚区的侧面；四块下极板表面均涂有介质薄层，两两一组、并行排列，分别位于两块上极板的正下方，形成两个相互垂直的分立式双下电极平板电容，当分立式双下电极平板电容的上极板与其下方的两块下极板之间同时施加电压、交替施加电压，或只与一块下极板之间施加电压时，上极板分别呈现整体下移、两半边上下摆动、或一边下移而另一边上翘的三种状态。
【专利说明】一种静电式MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微机电系统(MEMS)微梁断裂强度的测试领域，尤其是一种静电扭转梁疲劳强度的测试结构。
【背景技术】
[0002]微纳材料的力学性能直接影响MEMS器件的性能和可靠性。因此，准确测量材料的力学参数是高性能MEMS器件的保障。断裂强度是重要力学参数之一，它与薄膜材料的淀积工艺、刻蚀工艺、微结构和几何形状有关，因此通过理论计算或软件模拟无法准确获知。实际中，更多地是采用实测方法来获取断裂强度的信息。断裂强度最常用的测量方法是通过测试结构的设计，对测试样品产生量程大、数值可变的加载力，通过直接测量样品被拉断时的力来确定样品的断裂强度。在实际应用中常用到扭转梁，当梁反复扭转后，必然会发生疲劳损伤，使梁的强度下降，因此提供一种简单有效的扭转梁疲劳强度的测试结构是必要的。
[0003]本发明利用两个分立式双下电极的平板电容结构实现了静电驱动下的一种大量程拉伸和周期性扭转载荷的加载。所设计的测试结构和测试方法简单易行，能够用于扭转梁疲劳强度的测试，具有很好的实用意义。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明提供了一种结构简单、易于操作的MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构，通过两个分立式双下电极平板电容结构的设计，实现对被测微梁的大量程拉伸和周期性扭转载荷的加载，以满足扭转梁疲劳强度的测试。
[0005]技术方案:本发明的一种静电式MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构包括衬底、沉积于衬底上表面的两组下极板即左下极板、右下极板、前下极板、后下极板，水平悬置于衬底上方的两个中字结构，连接在衬底上的三个锚区即第一锚区、第二锚区、第三锚区，整个结构关于纵向中轴线左右对称；
[0006]所述两组下极板沉积于衬底的上表面，一组为左右并行排列的两块分立的下极板即左下极板和右下极板，另一组为前后并行排列的两块分立的下极板即前下极板和后下极板；
[0007]所述中字结构的前中字结构由一块矩形上极板和垂直连接在第一上极板前后两侧中部的前窄梁和后窄梁构成；后中字结构与前中字结构尺寸、结构完全相同，相互垂直，通过其中一根后窄梁相连，前窄梁的前端接第一锚区，前窄梁的后端接前中字结构；左窄梁的一端接第二锚区，另一端接第二上极板，右窄梁的一端接第三锚区，另一端接第二上极板；
[0008]所述两个“中”字结构即前中字结构和后中字结构位于同一平面，通过三个锚区即第一锚区、第二锚区和第三锚区悬置在衬底上方，并使第一上极板和第二上极板分别位于两组分立的左下极板、右下极板、前下极板、后下极板的正上方，形成两个分立式双下电极平板电容Cl和C2。
[0009]所述左下极板、右下极板、前下极板和后下极板上均涂覆有介质薄层，该介质薄层材料为氧化硅。
[0010]所述左下极板、右下极板、前下极板和后下极板材料为掺杂多晶硅。
[0011]所述下极板和上极板的材料相同。
[0012]有益效果:利用两个分立式双下电极的平板电容结构，提供了一种静电驱动下的大量程加载方式，避免了一般热驱动方式带来的加载力不易确定的缺点，同时还具备周期性扭转载荷的加载功能，完成扭转梁的疲劳强度测试。该发明结构简单，易于加工且测试方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的结构示意图，
[0014]图2为衬底顶面的示意图。
[0015]图中包括:衬底1，左下极板201、右下极板202、前下极板203、后下极板204，前中字结构3、矩形上极板301、前窄梁302、后窄梁303，后中字结构4、左窄梁402、第二上极板401，右窄梁403，第一锚区501、第二锚区502、第三锚区503。平板电容Cl和C2。
【具体实施方式】
[0016]本发明的静电式MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构，包括衬底、沉积于衬底上表面的四块下极板、水平悬置在衬底上方的两个“中”字结构，连接在衬底上的三个锚区；每个“中”字结构由一块矩形上极板和垂直连接在上极板两侧中部的两根窄梁构成；两个“中”字结构相互垂直、通过其中一根窄梁相连，其余三根窄梁的另一端分别连接在各自锚区的侧面；四块下极板表面均涂有介质薄层，两两一组、并行排列，分别位于两块上极板的正下方，形成两个相互垂直的分立式双下电极平板电容，整个结构关于纵向中轴线左右对称。
[0017]当分立式双下电极平板电容的上极板与其下方的两块下极板之间同时施加电压、交替施加电压，或只与一块下极板之间施加电压时，上极板分别呈现整体下移、两半边上下摆动、或一边下移而另一边上翘的三种状态。由此可实现对微梁的拉伸或扭转作用，完成扭转梁疲劳强度的测试。
[0018]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0019]结合图1和图2所示，静电式MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构:包括衬底1、沉积于衬底I上表面的两组下极板即左下极板201、右下极板202、前下极板203、后下极板204，水平悬置于衬底I上方的两个“中”字结构即前中字结构3和后中字结构4，连接在衬底上的三个锚区即第一锚区501、第二锚区502、第三锚区503，整个结构关于纵向中轴线左右对称；
[0020]两组表面均涂有介质层的下极板，一组为左右并行排列的两块分立的左下极板201、右下极板202,另一组为前后并行排列的两块分立的前下极板203、后下极板204 ；
[0021]前中字结构3由一块矩形上极板301和分别垂直连接在上极板301两侧中部的两根窄梁即前窄梁302、后窄梁303构成；后中字结构4与前中字结构3尺寸、结构完全相同；
[0022]两个“中”字结构相互垂直、通过其中一根后窄梁303相连，其余三根窄梁即前窄梁302、左窄梁402、右窄梁403的另一端分别连接在各自锚区即第一锚区501、第二锚区502、第三锚区503的侧面；
[0023]两个“中”字结构位于同一平面，通过三个锚区第一锚区501、第二锚区502、第三锚区503悬置在衬底I上方，并使两个上极板即矩形上极板301和第二上极板401分别位于两组分立的左下极板201、右下极板202、前下极板203、后下极板204的正上方，形成两个分立式双下电极平板电容Cl和C2。
[0024]该测量结构的制备可采用常规的MEMS表面加工工艺，也可采用体加工工艺。这里以表面加工工艺为例，衬底I的材料可用单晶硅、牺牲层可用磷硅玻璃(PSG)、结构层(矩形上极板301和第二上极板401、前窄梁302、后窄梁303、左窄梁402、右窄梁403)可用掺杂的多晶硅，加工中常采用湿法腐蚀的方法去除牺牲层而释放出结构层。下极板2为掺杂多晶硅，且表面沉积一层薄介质层，可以是S12等常用材料。
[0025]被测窄梁扭转疲劳强度的测试方法如下
[0026]衬底1，左下极板201、右下极板202、前下极板203、后下极板204，前中字结构3、矩形上极板301、前窄梁302、后窄梁303，后中字结构4、左窄梁402、第二上极板401，右窄梁403，第一锚区501、第二锚区502、第三锚区503。平板电容Cl和C2。
[0027]在矩形上极板301与两块下极板即左下极板201、右下极板202之间交替施加电压，电压大小一般为几伏?几十伏，在静电力的作用下，矩形上极板301左右两侧周期性的上下摆动，前窄梁302、后窄梁303随之左右扭转。
[0028]2.经过一定循环周期，前窄梁302、后窄梁303因反复扭转而疲劳，强度下降，这时转为拉伸断裂的强度测试。
[0029]3.在矩形上极板301和两块下极板即左下极板201、右下极板202之间同时施加电压(电压大小一般为几伏?几十伏)，在静电力的作用下，上极板向下移动直至与下极板接触，记录此刻的电压V1。
[0030]4.在第二上极板401与后下极板204之间施加电压，上极板后半部受静电力的作用向衬底靠近，使得前半部分在扭转梁的带动下向上翘起。电压越大，上极板前部翘起越高，这时窄梁303受到的拉伸作用也越强。
[0031]5.逐渐增加第二上极板401与后下极板204之间的电压，同时监测矩形上极板301与第二上极板401之间的电阻。当电阻突然剧增时，表明被测窄梁发生断裂。
[0032]6.记录电阻突变时刻第二上极板401与后下极板204之间的电压大小V2。
[0033]通过电压Vl和V2可以计算出上极板的位移，进而确定上极板受到的拉伸力。在上述步骤3和步骤4的进行过程中，MEMS微梁的一端被下拉，另一端因扭转梁作用而上翘，两端共同作用的结果使拉伸量程较大。
[0034]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】
1.一种静电式MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构，其特征在于该测试结构包括衬底(1)、沉积于衬底(1)上表面的两组下极板即左下极板(201)、右下极板(202)、前下极板(203)、后下极板(204)，水平悬置于衬底(1)上方的两个中字结构，连接在衬底上的三个锚区即第一锚区(501)、第二锚区(502)、第三锚区(503)，整个结构关于纵向中轴线左右对称； 所述两组下极板沉积于衬底(1)的上表面，一组为左右并行排列的两块分立的下极板即左下极板(201)和右下极板(202)，另一组为前后并行排列的两块分立的下极板即前下极板(203)和后下极板(204)； 所述中字结构的前中字结构(3)由一块矩形上极板(301)和垂直连接在第一上极板(301)前后两侧中部的前窄梁(302)和后窄梁(303)构成；后中字结构(4)与前中字结构(3)尺寸、结构完全相同，相互垂直，通过其中一根后窄梁(303)相连，前窄梁(302)的前端接第一锚区(501)，前窄梁(302)的后端接前中字结构(3);左窄梁(402)的一端接第二锚区(502)，另一端接第二上极板(401)，右窄梁(403)的一端接第三锚区(503)，另一端接第二上极板(401)； 所述两个“中”字结构即前中字结构(3)和后中字结构(4)位于同一平面，通过三个锚区即第一锚区(501)、第二锚区(502)和第三锚区(503)悬置在衬底(1)上方，并使第一上极板(301)和第二上极板(401)分别位于两组分立的左下极板(201)、右下极板(202 )、前下极板(203)、后下极板(204)的正上方，形成两个分立式双下电极平板电容C1和C2。
2.如权利要求1所述的静电式MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构，其特征在于:所述左下极板(201)、右下极板(202)、前下极板(203)和后下极板(204)上均涂覆有介质薄层，该介质薄层材料为氧化硅。
3.如权利要求1所述的静电式MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构，其特征在于:所述左下极板(201)、右下极板(202)、前下极板(203)和后下极板(204)材料为掺杂多晶娃。
4.如权利要求1所述的静电式MEMS扭转梁疲劳强度的测试结构，其特征在于:所述下极板和上极板的材料相同。
【文档编号】G01N3/08GK104458456SQ201410767834
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】唐洁影, 王磊 申请人:东南大学