专利名称：微机械系统中可动粱接触粘附的测量结构及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种微机械系统(文中简称MEMS)制造、性能及其可靠性测试的领域，具体来说，涉及一种微机械系统中可动粱接触粘附的测量结构及其测量方法。
背景技术：
MEMS器件中的可动结构在工作中常常会出现两表面相互接触后无法回复到原状的粘附现象。粘附与接触表面的形貌以及接触的几何尺寸直接相关，对于不同样品，表面粘附特性不同，因此，有必要建立一种方便而准确的表面接触粘附的分析方法。现有的接触粘附分析主要是借助于原子力显微镜和白光干涉仪，测量方法复杂，仪器成本昂贵。提供一种电学测量方法，直接获取有关粘附力的信息，显得更为简单和实用。
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题是，提供一种微机械系统中可动粱接触粘附的测量结构，该测量结构解决了一般条形电极所存在的表面高低起伏的问题，并且该测量结构获得的可动粱接触粘附信息准确可靠，同时，本发明还提供了该测量结构的测量方法，简单易行。技术方案为实现解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种微机械系统中可动粱接触粘附的测量结构，所述的测量结构包括衬底、十字梁、用于静电激励的下拉电极、用于粘附分离的拉动电极和衬底接触电极阵列；十字梁由横梁和与横梁垂直交叉连接的扭转支撑梁组成，扭转支撑梁通过锚区连接在衬底上；所述的衬底接触电极阵列采用离子注入的掺杂方式形成在衬底的顶面，衬底接触电极阵列包括至少三根相互平行布置的条形电极，相邻条形电极之间留有间隙，每根条形电极的一端连接一个压焊块；下拉电极、拉动电极、衬底接触电极阵列均连接在衬底上，衬底接触电极阵列和下拉电极位于横梁同一侧下方，且衬底接触电极阵列位于横梁端部的下方；拉动电极位于横梁另一侧下方。上述的微机械系统中可动粱接触粘附的测量结构的测量方法，该测量方法包括以下步骤步骤I)在十字梁和下拉电极之间施加直流电压，横粱的一端向下弯曲，与下方的衬底接触电极阵列相接触；步骤2)当横梁弯曲至与两条及两条以上条形电极相接触时，条形电极被接通，测量压焊块之间的电阻，判断十字梁与条形电极的接触情况；步骤3)逐步减小下拉电极上的电压，直至为零后，若横梁重新弹起，并离开衬底，则表明该十字梁未发生粘附，返回步骤1)，加大施加的直流电压；若十字梁无法弹起，则表明该十字梁发生粘附，进入步骤4)；步骤4)对于发生粘附的十字梁，在拉动电极上施加电压，横梁未发生粘附的一端向下运动，带动扭转支撑梁扭转，从而使横梁发生粘附的一端翘起，使粘附分离，根据施加在拉动电极上的电压，由拉动静电力推算得到一定接触长度下的粘附力。有益效果与现有技术相比，本发明的技术方案可以准确测量可动粱接触粘附力的信息，同时对测量仪器的精度要求低。现有技术中，MEMS可动梁的衬底接触电极多为光板式。本发明采用离子注入的掺杂方式形成相互间隔、并行排列的条形电极组成的衬底接触电极阵列。该衬底接触电极阵列相当于嵌至在衬底中，使衬底的顶面具有平整性。这解决了一般阵列式条形电极所存在的表面高低起伏的问题。同时，该衬底接触电极阵列又能提供接触长度的度量。整个测试过程采用电阻测量的方法，对测量仪器的要求低，并可方便的实现在线测试。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的衬底示意图。图中有衬底1、十字梁2、下拉电极3、拉动电极4、衬底接触电极阵列5、横梁21、扭转支撑梁22、锚区23— 24、压焊块51— 58。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。如图1和图2所示，本发明的一种微机械系统中可动粱接触粘附的测量结构，包括衬底1、十字梁2、用于静电激励的下拉电极3、用于粘附分离的拉动电极4和衬底接触电极阵列5。十字梁2由横梁21和与横梁21垂直交叉连接的扭转支撑梁22组成，扭转支撑梁22通过锚区23、24连接在衬底I上。衬底接触电极阵列5采用离子注入的掺杂方式形成在衬底I的顶面，衬底接触电极阵列5包括至少三根相互平行布置的条形电极。相邻条形电极之间留有间隙。每根条形电极的一端连接一个压焊块。下拉电极3、拉动电极4、衬底接触电极阵列5均连接在衬底I上。衬底接触电极阵列5和下拉电极3位于横梁21同一侧下方，且衬底接触电极阵列5位于横梁21端部的下方。拉动电极4位于横梁21另一侧下方。以图1为例，衬底接触电极阵列5中包含8个条形电极。8个条形电极的一个末端与压焊块51 — 58连接。当然，衬底接触电极阵列5可以包含其他数量的条形电极，例如6个、12个等等。在加工该测量结构时，可以作为陪片一同加工，无须专门制作，与传统MEMS梁的制作过程类似。制备上述结构的传感器时，衬底接触电极阵列5采用离子注入的掺杂方式形成相互间隔、并行排列的条形电极阵列，制作过程为选择P型硅作为衬底材料，按照设计的电极分布图形制作掩膜板，采用离子注入方式对P型硅衬底掺入η型杂质，其中η型杂质浓度高于原衬底的P型杂质浓度，由杂质补偿效应形成η型导电区域。完成条形阵列式衬底接触电极的制作。这样制作的条形电极阵列，每两条η型导电条之间为P型导电区，形成两个背靠背的Pn结，因此，正常情况下两根条形电极之间是不导通的。条形电极的宽度和间隔可根据测量精度和工艺精度确定，一般为O.几个Pm 几个ym均可。
上述结构的传感器的具体测量步骤如下步骤I)在十字梁2和下拉电极3之间施加直流电压，在静电力作用下，十字粱2的横粱21的一端(如图1中的左端)向下弯曲。随下拉电压逐步增加，横梁21弯曲加大，并与下方的衬底接触电极阵列5相接触。电压越大，横梁21和衬底接触电极阵列5之间的接触长度越长。步骤2)当横梁21弯曲至与两条及两条以上条形电极相接触时，原本分离的条形电极被接通。测量压焊块51与52之间、压焊块51与53之间、压焊块51与54之间、……、压焊块51与58之间的电阻。根据电阻进行分析当电阻值小于100Ω量级，表明十字梁2已接触到相应的条形电极处；当电阻值大于ΜΩ量级，表明十字梁2未接触到相应的条形电极处。步骤3)对一定接触长度的十字梁，逐步减小下拉电极3上的电压，直至为零后，若横梁21重新弹起，并离开衬底，则表明该十字梁2未发生粘附，返回步骤I )，加大施加的直流电压；若十字梁2无法弹起，则表明该十字梁2发生粘附，进入步骤4)。 步骤4)对于发生粘附的十字梁2，在拉动电极4上施加电压，横梁21未发生粘附的一端(如图1中的右端)向下运动，带动扭转支撑梁22扭转，从而使横梁21发生粘附的一端(如图1中的左端)翘起，使粘附分离。根据施加在拉动电极4上的电压，由拉动静电力，可推算得到一定接触长度下的粘附力。为获取十字梁2不同接触长度下的粘附力，上述测量方法还包括步骤5):重复步骤I) 一步骤4)，并在步骤I)中，在十字梁2和下拉电极3之间施加不同的直流电压，使十字梁2与衬底接触电极阵列5的接触长度不同，获取不同接触长度下的粘附力。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
1.一种微机械系统中可动粱接触粘附的测量结构，其特征在于所述的测量结构包括衬底(I)、十字梁(2)、用于静电激励的下拉电极(3)、用于粘附分离的拉动电极(4)和衬底接触电极阵列(5);十字梁(2)由横梁(21)和与横梁(21)垂直交叉连接的扭转支撑梁(22)组成，扭转支撑梁(22)通过锚区(23、24)连接在衬底(I)上；所述的衬底接触电极阵列(5)采用离子注入的掺杂方式形成在衬底(I)的顶面，衬底接触电极阵列(5)包括至少三根相互平行布置的条形电极，相邻条形电极之间留有间隙，每根条形电极的一端连接一个压焊块； 下拉电极(3 )、拉动电极(4 )、衬底接触电极阵列(5 )均连接在衬底(I)上，衬底接触电极阵列(5)和下拉电极(3)位于横梁(21)同一侧下方，且衬底接触电极阵列(5)位于横梁(21)端部的下方；拉动电极(4)位于横梁(21)另一侧下方。
2.一种利用权利要求1所述的微机械系统中可动粱接触粘附的测量结构的测量方法，其特征在于该测量方法包括以下步骤 步骤I)在十字梁(2)和下拉电极(3)之间施加直流电压，横粱(21)的一端向下弯曲，与下方的衬底接触电极阵列(5)相接触； 步骤2)当横梁(21)弯曲至与两条及两条以上条形电极相接触时，条形电极被接通，测量压焊块之间的电阻，判断十字梁(2)与条形电极的接触情况； 步骤3)逐步减小下拉电极(3)上的电压，直至为零后，若横梁(21)重新弹起，并离开衬底，则表明该十字梁(2)未发生粘附，返回步骤1)，加大施加的直流电压；若十字梁(2)无法弹起，则表明该十字梁(2)发生粘附，进入步骤4)； 步骤4)对于发生粘附的十字梁(2)，在拉动电极(4)上施加电压，横梁(21)未发生粘附的一端向下运动，带动扭转支撑梁(22)扭转，从而使横梁(21)发生粘附的一端翘起，使粘附分离，根据施加在拉动电极(4)上的电压，由拉动静电力推算得到一定接触长度下的粘附力。
3.按照权利要求2所述的微机械系统中可动粱接触粘附的测量结构的测量方法，其特征在于还包括步骤5):重复步骤I) 一步骤4)，在十字梁(2)和下拉电极(3)之间施加不同的直流电压，使十字梁(2)与衬底接触电极阵列(5)的接触长度不同，获取不同接触长度下的粘附力。
全文摘要
本发明公开了一种微机械系统中可动粱接触粘附的测量结构，包括衬底、十字梁、下拉电极、拉动电极和衬底接触电极阵列；十字梁由横梁和扭转支撑梁组成，扭转支撑梁连接在衬底上；衬底接触电极阵列采用离子注入的掺杂方式形成在衬底的顶面，衬底接触电极阵列包括至少三根相互平行布置的条形电极，每根条形电极的一端连接一个压焊块；下拉电极、拉动电极、衬底接触电极阵列均连接在衬底上，衬底接触电极阵列和下拉电极位于横梁同一侧下方；拉动电极位于横梁另一侧下方。该测量结构解决了一般条形电极所存在的表面高低起伏的问题，并且获得的可动粱接触粘附信息准确。同时，本发明还公开了该测量结构的测量方法，该测量方法简单易行。
文档编号G01L1/00GK103017942SQ20121051698
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者唐洁影, 蒋明霞 申请人:东南大学