金属薄膜材料杨氏模量测试结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明提供了一种金属薄膜材料杨氏模量的测试结构。属于微机电系统(MEMS)材料参数测试技术领域。
【背景技术】
[0002]微机电系统的性能与材料参数有密切的关系。由于加工过程的影响，一些材料参数将产生变化，这些由加工工艺所导致的不确定因素，将使得器件设计与性能预测出现不确定和不稳定的情况。材料参数测试目的就在于能够实时地测量由具体工艺制造的微机电器件材料参数，对工艺的稳定性进行监控，并将参数反馈给设计者，以便对设计进行修正。因此，不离开加工环境并采用通用设备进行的测试成为工艺监控的必要手段。材料力学性能的物理参数主要包括杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等。
[0003]MEMS薄膜材料力学参数的测量离不开作用力源，这些力源主要来源于外界的直接作用或测试结构自带。外界直接作用力是通过可控、可度量的专门设备提供，例如，原子力显微镜、纳米压痕仪等。测试结构自带的力源主要是MEMS结构产生的静电力和热膨胀力，静电力可以比较精确地计算，但力值相对较小，热膨胀力比较大，但很难计算具体的力值。
[0004]金属薄膜材料是微机电器件结构中广泛使用的薄膜材料之一，它不仅仅是作为电极、引线材料，还经常作为结构材料。当金属被作为结构材料使用时，它本身的力学特性就显得尤为重要。但是，由于金属通常作为最后一层即最上层材料，因此，如何制作成测试结构就受到一些限制。
[0005]理论和实验均表明，金属薄膜通常存在较大的残余应力，另一方面，材料的杨氏模量随着材料临近断裂时的数值会发生变化，因此，测试方法必须考虑这些的问题。本发明提出了一种金属薄膜材料杨氏模量的测试结构，本发明不仅可以测量金属薄膜材料的杨氏模量，还可以通过测试过程的控制进行残余应力、断裂强度等多个参量的测试。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单，
【发明内容】
[0006]技术问题:本发明的目的是提供一种金属薄膜材料杨氏模量测试结构，作为在线式金属杨氏模量的测试结构至少应该包括四部分:待拉伸金属构件；力源；拉伸量的测量单元；驱动力大小的测量单元。本发明采用热膨胀力作为力源对金属细条进行拉伸，通过测微游标测量拉伸量，采用已知材料参数的固支梁作为力值的测量计算单元。根据所施加力的大小以及拉伸的长度变化，以及结构的几何参数计算得到金属薄膜材料的杨氏模量。金属薄膜通常存在较大的残余应力，材料的杨氏模量随着材料临近断裂时的数值也会发生变化，该结构除了可以测量金属薄膜的杨氏模量外，通过对测试过程的控制还能同时测量金属存在的残余应力、断裂强度以及临近断裂时的杨氏模量。
[0007]技术方案:为实现上述目的，本发明的一种金属薄膜材料杨氏模量测试结构采用的技术方案是:
[0008]该测试结构由五部分组成:带测微游标的第一热膨胀力源；带测微游标的第二热膨胀力源；待拉伸金属构件；双端固支梁；加载驱动电流的第一锚区和加载驱动电流的第二锚区；其中，带测微游标的第一热膨胀力源、带测微游标的第二热膨胀力源和双端固支梁均采用已知杨氏模量和残余应力的多晶硅材料制作；
[0009]带测微游标的第一热膨胀力源、带测微游标的第二热膨胀力源、待拉伸金属构件、双端固支梁和加载驱动电流第一锚区、加载驱动电流第一锚区的连接关系如下:带测微游标的第一热膨胀力源的第一上水平长梁、第一下水平长梁的左端分别连接到加载驱动电流第一锚区、加载驱动电流第一锚区；带测微游标的第二热膨胀力源的第二上水平长梁、第二下水平长梁的右端分别连接到加载驱动电流第一锚区、加载驱动电流第一锚区；带测微游标的第一热膨胀力源中的第一竖直宽梁与待拉伸金属构件中的金属竖直宽梁叠合连接，带测微游标的第二热膨胀力源中第二水平运动的动齿左端垂直连接在双端固支梁中竖直长梁的中心位置；带测微游标的第一热膨胀力源、带测微游标的第二热膨胀力源、待拉伸金属构件的轴线重合并且通过双端固支梁的中心；
[0010]所述待拉伸金属构件包括一个待拉伸金属构件锚区、一根金属水平细条、一个金属竖直宽梁；金属水平细条左端与待拉伸金属构件锚区相连形成固定端，金属水平细条右端与金属竖直宽梁垂直连接形成拉伸端；
[0011]所述双端固支梁由上锚区、竖直长梁、下锚区依次连接而成，竖直长梁的中部接第二水平运动的动齿；
[0012]所述加载驱动电流的锚区有两个分别是加载驱动电流第一锚区、加载驱动电流第一锚区，用于连接带测微游标的第一热膨胀力源和带测微游标的第二热膨胀力源并注入驱动电流。
[0013]所述带测微游标的第一热膨胀力源由一个门型的热膨胀驱动结构和一个测微游标连接而成；其中，门型的热膨胀驱动结构由第一上水平长梁、第一竖直宽梁和第一下水平长梁依次连接而成；第一上水平长梁和第一下水平长梁的右端垂直连接到第一竖直宽梁的上、下端；在第一竖直宽梁的中心向右沿门型的热膨胀驱动结构的轴线方向连接一个测微游标，测微游标由第一水平运动的动齿、第一下定齿、第一上定齿组成；其中，第一水平运动的动齿为上下两边均匀分布若干齿的结构，所有齿的宽度和齿的间距均相等，第一下定齿、第一上定齿为固定不动的单边齿结构，所有齿的宽度都和第一水平运动的动齿的齿相同，但齿间距比齿的宽度大I Λ，Λ是游标尺的分辨率；第一下定齿位于第一水平运动的动齿之下，齿边向上，第一上定齿位于第一水平运动的动齿之上，齿边向下；第一水平运动的动齿左边第一齿相对其下部的第一下定齿左边第一齿偏左IΛ，自左向右，第一水平运动的动齿左边第二齿相对其下部的第一下定齿左边第二齿偏左2 Λ，以此类推，第一水平运动的动齿左边第η个齿相对其下部的第一下定齿左边第η个齿偏左η Δ ;第一水平运动的动齿的齿相对其上部的第一上定齿的关系延续了下部关系，即当第一水平运动的动齿和第一下定齿的最大偏差为m Λ时，第一水平运动的动齿左边第一齿相对其上部的第一上定齿左边第一齿偏左(m+Ι) Λ。
[0014]所述带测微游标的第二热膨胀力源和带测微游标的第一热膨胀力源的结构与尺寸完全相同；带测微游标的第二热膨胀力源和带测微游标的第一热膨胀力源呈左右镜像关系；其中，门型的热膨胀驱动结构由第二上水平长梁、第二竖直宽梁和第二下水平长梁依次连接而成；第二上水平长梁和第二下水平长梁的左端垂直连接到第二竖直宽梁的上、下端，在第二竖直宽梁的中心向左沿门型的热膨胀驱动结构的轴线方向连接一个测微游标，测微游标由第二水平运动的动齿、第二下定齿、第二上定齿组成，其中，第二水平运动的动齿为上下两边均匀分布若干齿的结构，所有齿的宽度和齿的间距均相等；第二下定齿、第二上定齿为固定不动的单边齿结构，所有齿的宽度都和第二水平运动的动齿的齿相同，但齿间距比齿的宽度大I Λ，Λ是游标尺的分辨率，第二下定齿位于第二水平运动的动齿之下，齿边向上，第二上定齿位于第二水平运动的动齿之上，齿边向下，第二水平运动的动齿右边第一齿相对其下部的第二下定齿右边第一齿偏右IΛ，自右向左，第二水平运动的动齿右边第二齿相对其下部的第二下定齿右边第二齿偏右2 Λ，以此类推，第二水平运动的动齿右边第η个齿相对其下部的第二下定齿的右边第η个齿偏右η Δ ;第二水平运动的动齿的齿相对其上部的第二上定齿的关系延续了下部关系，即当第二水平运动的动齿和第二下定齿的最大偏差为m Λ时，第二水平运动的动齿右边第一齿相对其上部的第二上定齿右边第一齿偏右(m+Ι) Δ。
[0015]本发明的测试原理如下:通过两个加载驱动电流的锚区施加逐渐增加电流，由于电热效应，带测微游标的第一、二热膨胀力源的门型热膨胀驱动结构发生膨胀，由于第一、二热膨胀力源的门型结构完全相同，因此将产生完全相同的热膨胀力。第一热膨胀力源实现对金属细条的拉伸，并由测微游标测量拉伸量。第二热膨胀力源实现对双端固支梁的顶撑，使其产生向左的弯曲挠度，测微游标测量该挠度的数值，由双端固支梁的挠度和材料参数、几何尺寸可以计算得到该双端固支梁受力大小，该力大小与第一热膨胀力源拉伸金属细条所施加的力大小相同。由力、金属细条被拉伸的长度以及金属细条的几何尺寸即可计算得到金属薄膜材料的杨氏模量。如果金属材料存在残余应力，则可以通过锚区施加一个初值电流产生热膨胀力的初值，同时产生