一种热驱冲击试验机及一种在线检测系统和在线检测方法与流程

本发明涉及微电子机械系统(MEMS)加工工艺领域，具体涉及一种新型片上强度检测的热驱冲击试验机，并以此提出了一种在线检测系统及在线检测方法。

背景技术：

微电子机械系统是微电子技术发展和应用的一个重要方向。如今，微电子机械系统的各类传感器已经广泛应用在民用、军用的方方面面，诸如压力计、加速度计和陀螺等，都在消费电子和高精端应用中成为了不可缺少的部件。由于自身测试物理量的特点，这类传感器在工作环境中往往会碰到冲击性载荷，此时传感器结构的冲击强度就显得十分重要。

传统的微电子机械系统传感器的冲击强度检测为落锤实验，这类实验方法需要传感器在制作工艺流程结束后进行裂片和封装，难以实现即时对器件的强度检测，从而极大地增加了整个设计流程和周期。同时该类传统的冲击检测方法具有很大破坏性，传感器芯片在经历过此类传统方法检测后将出现大面积结构破坏，无法找出结构中冲击最为薄弱的地方。不仅如此，受限于加载产生原理，传统的冲击检测方法很难获得高冲击峰值(大于100000g)和大冲击脉宽(s量级)的加载，而且在实际的军事应用环境下，此类严峻的冲击环境都十分常见。由上可知，传统的冲击检测方法具有明显的局限性。

而在线微结构力学检测试验机可以实现即时、直观的检测，同时通过合理设计，在线冲击试验机能够在微结构上轻易产生大的加速度及应力波，但是由于整个测试结构随片化，其尺寸仅仅为微米量级。而传统的检测方法中对样品上实际经历的检测，往往通过应力仪等外部精密设备，在上述试验机在线检测中，外部精密仪器的尺寸过于庞大，难以实现对接，而现阶段试验机在实现检测加载之后，样品实际经历往往通过其他显示器件或仿真建模进行侧面反馈，具有一定误差，而且并不直观。

技术实现要素：

为克服上述不足，本发明提出一种热驱冲击试验机及一种在线检测系统和在线检测方法，能够实现对样品的实时动态力学特性的检测，通过静电压阻公式实现对样品检测过程中应力波经历进行实时的反馈。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种热驱冲击试验机，包括：

一热驱加载机构，包括两个加载热驱执行器，通过一加载放大杠杆连接，该加载放大杠杆的中点处连接一加载锯齿扣，该加载锯齿扣含有多个一类锯齿；该中点处还通过一单梁连接一冲击质量块和一负载储能弹簧；

一热驱卸载机构，包括两个释放热驱执行器，通过一释放放大杠杆连接，该释放放大杠杆的中点处连接一释放锯齿扣，该释放锯齿扣含有一二类锯齿；

一锯齿锁，包括两个互相平行的横梁，该两个横梁的一端设有一对三类锯齿，该三类锯齿与所述一类锯齿抵近并配合；另一端设有一对四类锯齿，该四类锯齿与所述二类锯齿抵近并配合。

进一步地，每一所述加载热驱执行器和释放热驱执行器均包括两个固定锚点和连接该两个固定锚点的多个V形梁。

进一步地，所述加载放大杠杆和释放放大杠杆为V形。

进一步地，所述两个横梁靠近所述热驱卸载机构的一端各含有一固定锚点。

进一步地，所述负载储能弹簧包括一柔性长梁，该柔性长梁垂直于所述单梁，两端各含有一固定锚点。

一种在线检测系统，包括上述热驱冲击试验机和一压阻测试样品，该压阻测试样品位于该热驱冲击试验机的冲击质量块的前方，通过一电路与该热驱冲击试验机的负载储能弹簧的一固定锚点连接，该电路上接有一电源、一电流表和一保护电阻。

进一步地，所述压阻测试样品包括重复叠层的一整体硅样品和一样品上压阻条。

一种在线检测方法，采用上述在线检测系统，步骤包括：

1)对热驱加载机构进行上电，通过控制热驱电流大小驱动一类锯齿与三类锯齿扣合；

2)对热驱加载机构进行下电，恢复至室温并保持该在线检测系统稳定；

3)对热驱卸载机构进行上电，驱动二类锯齿作用于四类锯齿，以解除一类锯齿与三类锯齿的扣合状态，释放冲击质量块以冲击压阻测试样品；

4)观察该样品冲击情况，如样品未破坏，重复上述步骤并依次增大热驱电流，直至样品破坏，记录这次热驱电流值，根据该电流值获取样品强度。

进一步地，首次执行步骤1)时，驱动第一个一类锯齿与三类锯齿扣合。

进一步地，所述依次增大热驱电流是指，重复执行步骤1)时，通过增大热驱电流，驱动下一个一类锯齿与三类锯齿扣合。

本发明的有益效果是，本发明提供一种热驱冲击试验机，并设计了一种专门的压阻测试样品，并以此提出了一种在线检测系统和在线检测方法。通过对热驱加载机构上电，电能转化为热能，加载热驱执行器和加载放大杠杆受热变形，使得加载锯齿扣发生位移，与锯齿锁扣合，此时负载储能弹簧跟着发生形变；当下电并恢复至室温后，热驱加载机构由于锯齿扣与锯齿锁扣合而不能回复至原位，而负载储能弹簧因形变储存了弹性势能。当对热驱卸载机构上电发生热变形，释放锯齿扣发生位移与锯齿锁抵近，释放锯齿扣的二类锯齿将锯齿锁的四类锯齿顶开，导致一类锯齿与三类锯齿不能继续扣合，负载储能弹簧释放弹性势能，促使热驱加载机构复位，弹性势能转化为动能，这时冲击质量块迅速抵近并冲击压阻测试样品。由上可知，当越增大热驱电流时，热形变越大，产生的冲击力越大，当破坏掉样品时，样品强度与热驱电流有确定的量化关系，记录样品破坏瞬间电流值的大小，通过计算可得出样品强度。由以上可知，本发明无需复杂建模及外部精密仪器，可以实现实时读取电信号并获取应力波均值，更为直观地实现在线微结构的极限动态弯曲强度的检测。

该方法在具有功能器件的硅片上添加含有本检测系统的检测区域，经过标准的SOG(silicon on glass)工艺制作功能器件和检测系统，同时本检测系统获得和器件功能相同工艺条件下制作的压阻测试样品，在整体工艺进程结束后，通过本检测系统对该样品进行冲击强度检测，即时在线地获取功能器件的工艺相关力学特性参数。

附图说明

图1为实施例中的一种热驱冲击试验机结构示意图。

图中：1—压阻测试样品，2—负载储能弹簧，3—加载放大杠杆，4—加载热驱执行器，5—加载锯齿扣，6—锯齿锁，7—释放锯齿扣，8—释放热驱执行器，9—释放放大杠杆，10—冲击质量块，11—固定锚点。

图2为实施例中在线检测系统制作工艺流程。

图中：12—硅片；13—玻璃片；14—玻璃上金属走线；15—压阻测试样品区域；16—硅上金属电极。

图3为压阻测试样品示意图。

图中：17—整体硅样品，18—样品上压阻条。

图4为实施例中一种在线检测系统结构示意图。

图中：19—热驱冲击试验机，20—保护电阻，21—电流表，22—电源，23—压阻测试样品。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。熟悉本领域的技术人员可由以下实施例中所揭示的内容轻易地了解本发明的构造、优点与功效。

本发明提供一种热驱冲击试验机，如图1所示，包括一热驱加载机构，其包括两个加载热驱执行器4，通过一加载放大杠杆3连接，其中点处连接一加载锯齿扣5，该加载锯齿扣5含有多个一类锯齿；中点处还通过一单梁连接一冲击质量块10和一负载储能弹簧2；该负载储能弹簧2包括一柔性长梁，其两端各含有一固定锚点，该柔性长梁与所述单梁垂直。还包括一热驱卸载机构，其包括两个释放热驱执行器8，通过一释放放大杠杆9连接，其中点处连接一释放锯齿扣7，该释放锯齿扣7含有一二类锯齿。还包括一锯齿锁6，其包括两个互相平行的横梁，该两个横梁的一端设有一对三类锯齿，该三类锯齿与所述一类锯齿抵近并配合；另一端设有一对四类锯齿，该四类锯齿与所述二类锯齿抵近并配合。

本发明专门设计一种压阻测试样品，包括重复叠层的一整体硅样品17和一样品上压阻条18，其结构如图3所示。该压阻测试样品通过压阻的离子注入及退火形成压阻应变片测试通路。

本发明还提供一种在线检测系统，如图4所示，包括热驱冲击试验机19和压阻测试样品23，所述压阻测试样品23位于所述热驱冲击试验机19的冲击质量块的前方，通过一电路与所述热驱冲击试验机19的负载储能弹簧的一固定锚点连接，该电路上接有一电源22、一电流表21和一保护电阻20。

本发明还提供一种在线检测方法，基于上述在线检测系统，对压阻测试样品进行检测，其步骤包括：

1)对热驱加载机构进行上电，通过控制热驱电流大小控制热驱加载挠度；

2)利用加载热驱执行器和加载放大杠杆将加载锯齿扣驱动至第一次和锯齿锁扣合，即第一个一类锯齿与三类锯齿扣合，该第一个一类锯齿是指加载锯齿扣最靠近顶端的一一类锯齿；

3)对热驱加载机构进行下电处理；

4)待热驱加载机构恢复至室温且系统稳定后，对热驱卸载机构上电，利用释放锯齿扣打开锯齿锁，释放冲击质量块；

5)观察冲击质量块和压阻测试样品冲击后情况，若冲击完成后样品完好无损，则重复上述步骤，使得下一个一类锯齿与三类锯齿扣合，每重复一遍，增大一次热驱电流，以增大热驱加载挠度，直到样品被冲击破坏，记录此次电流表读数。利用破坏瞬间电流表读数反算压阻测试样品破坏时刻电阻，通过经典压阻公式电阻率＝k×应力，其中k为压阻系数，由具体硅片及掺杂决定，可以计算出破坏的极限应力，获取样品强度。

为此，本发明具体提供一较佳实施例，本实施例根据压阻测试样品设计试验机各个组成部分尺寸：本实例中压阻测试样品为长度40μm，宽度20μm的单齿结构。

试验机的冲击质量块取和压阻测试样品相似尺寸，即长度40μm，宽度30μm的单边圆弧状方体。由冲击质量块尺寸确定负载储能弹簧，对于一般冲击试验，冲击质量块要求冲击瞬间达到10m/s速度量级，结合动能公式、长梁弹性势能公式以及考虑自身器件和版图功能器件尺寸因素，柔性长梁尺寸给定为：长度2000μm，宽度15μm，厚度70μm，在加载挠度为50μm时，冲击质量块就可实现30m/s速度的冲击动能加载。

根据柔性长梁尺寸及最大加载挠度，同时考虑功能器件尺寸和版图大小因素，可以确定热驱加载机构的尺寸。本实例中加载热驱执行器的尺寸为：长度1000μm，宽度10μm，厚度70μm，v型角度5°，组数20组。加载放大杠杆尺寸为：长度2000μm，宽度10μm，厚度70μm，v型角度5°。加载热驱执行器在通过加载放大杠杆在500℃可达到最大150mN输出及最大240μm位移输出。

根据负载储能弹簧储能情况及锁扣力大小情况设计热驱卸载机构，本实例中释放热驱执行器尺寸为：长度1000μm，宽度10μm，厚度70μm，v型角度5°，组数10组。释放放大杠杆尺寸为：长度1000μm，宽度10μm，厚度70μm，v型角度5°。

根据自身检测需要设计锯齿锁和锯齿扣尺寸，本实施例中锯齿间隔为20μm。

图2为通过SOG标准体硅及压阻混合工艺制作功能器件、试验机和压阻测试样品的流程图，三者应在同一微单元内，通过同一光刻定义结构图形，通过同一次刻蚀释放可动结构。其步骤包括：

(a)定义锚点：第一次浅刻蚀，刻蚀深度为4-8μm；

(b)定义互连；

(c)对准键合；

(d)KOH减薄；

(e)压阻工艺制作压阻区域；

(f)硅上压焊金属溅射；

(g)深刻蚀释放结构：第一次深刻蚀，刻蚀深度为50-70μm。

步骤(a)至(g)对应于图2中的A至G图。这种制作工艺在微电子机械系统加工工艺领域属于常见技术，本发明不多做说明，本领域的普通技术人员应可理解。

基于上述设计的试验机和压阻测试样品，本实施例还提供一种如图4所示的在线检测系统，并通过上述的在线检测方法对该样品进行检测。本实例中保护电阻为5Ω，样品自然电阻为5Ω，压阻系数为53.7×10^-11m²/N，电源电压为5V，自然接触下电流为0.5A，检测破坏状态下电流为0.32A，可以算出总电阻变为将近15Ω，压阻阻值相对变化为1，则应力极限为1/压阻系数，故检测结果为样品破坏应力为2.5GPa，即为样品强度。

本发明另提供一较佳实施例，以进一步说明本发明提供的热驱冲击试验机、在线检测系统和在线检测方法，为便于叙述以及与上述实施例比较起见，本实施例的具体参数见如下表格。

表1

本发明通过实施例的方式揭露如上，本领域的普通技术人员可轻易地了解本发明的构造、优点与功效，在不背离本发明的构思和范围的情况下，可通过其他不同的具体实例加以施行或应用，也可以对各细节进行各种修改与变更，保护范围以权利要求书为准。