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一種增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構的制作方法
【專利摘要】一種增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構，包括襯底、沉積于襯底上表面的下極板、懸置在下極板上方的上極板以及置于襯底上的錨區；還有兩個完全相同的輔助旋轉結構；輔助旋轉結構包括橫梁、縱梁和兩個輔助橫梁；橫梁的一端連接上極板，另一端連接縱梁；在應力作用下各個梁產生形變，使得電容值發生變化，測量電容值即可得到應力變化。旋轉結構的設計加大了主縱梁的旋轉幅度，顯著增大測量電容的變化量，該測試結構簡單，易于加工，對測試儀器無特殊要求，為殘余應力的測試提供了一種很好地途徑。
【專利說明】一種增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種表面微機械加工殘余應力測試領域，尤其是一種增強型偏轉電容 式表面微機械加工殘余應力測試結構。
【背景技術】
[0002]MEMS 是微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems)的縮寫。MEMS 把電子 技術與機械特性有機地結合了起來，通過懸浮結構的運動可以同時實現物理、化學、生物等 方面的功能。其中，表面娃微機械加工工藝易于與傳統的CMOS工藝兼容,實現微機械器件 與CMOS電路的集成，因此應用較為廣泛。表面硅微機械加工工藝，通過在硅片上連續沉積 功能層、結構層和犧牲層，再利用選擇性腐蝕去除結構層下面的犧牲層而得到懸浮于襯底 表面附近的微結構。懸浮的微結構在電場、磁場等外力作用下可實現電、熱、磁、機械之間的 轉換，完成感知或執行等功能。表面微機械加工過程中由于薄膜淀積或后處理工藝不可避 免地會產生殘余應力，過大的殘余應力會造成可動結構破裂或徹底失去作用。
[0003]但是，典型的應力測試技術是用光學方法測定微結構因應力釋放長度或彎曲的變 化，通常對光學設備的性能有較高要求，在表面微機械加工過程中不可避免地會產生殘余 應力，過大的殘余應力會造成薄膜結構破裂或變形。因此，必須重視殘余應力的測試和分 析，并反饋之設計中，以保證設計和制造的MEMS器件具備良好的性能指標。如何在不增加 多少成本的情況下，完成殘余應力的測試工作，成為了研究工作需要解決的問題。

【發明內容】

[0004]發明目的:為了客服現有技術的不足，本發明提供了結構簡單，易于操作的一種增 強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構，以及時檢測表面微機械加工過程中產 生的殘余應力。
[0005]技術方案:一種增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構，其特征在 于:包括襯底、兩塊下極板和上極板、兩個輔助旋轉結構和三個錨區；
[0006]下極板沉積于襯底上表面；兩個錨區置于襯底上；上極板懸置在下極板上方；
[0007]兩個輔助旋轉結構分別是左輔助旋轉結構和右輔助旋轉結構，兩個輔助旋轉結構 完全相同；其中，左輔助旋轉結構包括左橫梁、左縱梁和兩個輔助橫梁；左橫梁的右端連接 上極板左側，左橫梁的左端連接左縱梁，左橫梁與左縱梁垂直；左縱梁的兩側分別連接一個 輔助橫梁，連接左縱梁左側的輔助橫梁的另一端固定在錨區右側，連接左縱梁右側的輔助 橫梁的另一端固定在錨區左側；
[0008]右輔助旋轉結構包括右橫梁、右縱梁、和兩個輔助橫梁；右橫梁的左端連接上極板 右側，右橫梁的右端連接右縱梁，所訴右橫梁與右縱梁垂直；右縱梁的兩側分別連接一個輔 助橫梁，連接右縱梁右側的輔助橫梁的另一端固定在錨區左側，連接右縱梁左側的輔助橫 梁的另一端固定在錨區右側；
[0009]左橫梁和右橫梁位于同一平面且不在同一水平線上；四個輔助橫梁位于同一平面且不在同一水平線上；上極板與兩個輔助結構位于同一平面，該平面與襯底平行；
[0010]兩塊下極板分別位于上極板前后兩端的下方；兩塊下極板的同一側與上極板對齊，另一側超出上極板的覆蓋范圍；兩塊下極板被上極板遮蔽的面積相同；下極板與上極板之間分別形成平板電容Cl和C2。應力作用下各個梁產生形變，使得電容值發生變化，測量電容值即可得到應力變化。
[0011 ] 下極板上涂覆有介質薄層，該介質薄層材料為氮化硅。下極板材料為摻雜多晶硅。兩塊下極板為兩個完全相同的矩形。下極板和上極板的材料相同。
[0012]有益效果:本發明通過電容的相對變化來反映殘余應力，主要特點在于采用了主、輔兩極旋轉結構的設計，以加大主縱梁的旋轉幅度，顯著增大測量電容的變化量，有利于提高測量精度。該測試結構簡單，易于加工，對測試儀器無特殊要求，為殘余應力的測試提供了一種很好地途徑。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的結構示意圖
[0014]圖2為襯底頂面示意圖
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0016]結合圖1和圖2所示，一種增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構，包括襯底1、兩塊下極板2和上極板3、兩個輔助旋轉結構和三個錨區；
[0017]下極板2沉積于襯底I上表面；兩個錨區7置于襯底I上；上極板3懸置在下極板2上方；
[0018]兩個輔助旋轉結構分別是左輔助旋轉結構和右輔助旋轉結構，兩個輔助旋轉結構完全相同；其中，左輔助旋轉結構包括左橫梁41、左縱梁51和兩個輔助橫梁6 ;左橫梁41的右端連接上極板3左側，左橫梁41的右端連接左縱梁51，左橫梁41與左縱梁51垂直；左縱梁51的兩側分別連接一個輔助橫梁6，連接左縱梁左側的輔助橫梁的另一端固定在錨區71右側，連接左縱梁右側的輔助橫梁的另一端固定在錨區73左側；
[0019]右輔助旋轉結構包括右橫梁42、右縱梁52、和兩個輔助橫梁6 ;右橫梁42的左端連接上極板3右側，右橫梁42的左端連接右縱梁52，所訴右橫梁42與右縱梁52垂直；右縱梁52的兩側分別連接一個輔助橫梁6，連接右縱梁右側的輔助橫梁的另一端固定在錨區72左側，連接右縱梁左側的輔助橫梁的另一端固定在錨區73右側；
[0020]左橫梁41和右橫梁42位于同一平面且不在同一水平線上；
[0021]四個輔助橫梁6位于同一平面且不在同一水平線上；
[0022]上極板3與兩個輔助結構位于同一平面，該平面與襯底I平行；
[0023]兩塊下極板2分別位于上極板3前后兩端的下方；兩塊下極板2的同一側與上極板3對齊，另一側超出上極板3的覆蓋范圍；兩塊下極板2被上極板3遮蔽的面積相同；
[0024](為了方便辨別，分別標示圖1中相對位于上方的下極板A為21，下方的下極板B為22)
[0025]下極板A21與上極板3之間形成平板電容Cl，下極板B22與上極板3之間形成平板電容C2。
[0026]下極板2上涂覆有介質薄層，該介質薄層材料為氮化硅。下極板2材料為摻雜多 晶硅。兩塊下極板2為兩個完全相同的矩形。下極板2和上極板3的材料相同。
[0027]本發明的主要特點是采用主、輔兩極旋轉結構的設計，加大被測電容的變化量。雖 然，旋轉結構中兩側橫梁越靠近縱梁的中部，且縱梁越長，旋轉幅度就越大，但一味加長縱 梁，結構釋放后縱梁會向下彎曲與襯底粘附，失去殘余應力測試功能。因此，通過旋轉結構 間的級連連接方式可避免這種失效，在實際加工中易于實現。
[0028]上述增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力的測試結構，其增強偏轉電容以 及測試殘余應力的具體方法如下:
[0029]I)存在張應力時，結構層釋放后，輔旋轉結構中左橫梁41和右橫梁42發生收縮， 長度變短，所形成的力矩帶動上極板3按逆時針方向水平旋轉。同時，左右兩個輔旋轉結構 中的四個輔橫梁6收縮，使左側輔旋轉結構中的左縱梁51按逆時針方向水平旋轉，而右側 輔旋轉結構中的右縱梁52按順時針方向水平旋轉。兩側旋轉方向相反的輔縱梁51和52， 通過左橫梁41和右橫梁42進一步帶動上極板3按逆時針方向更大幅度地水平旋轉。這時， 上極板3與下極板B22之間對應的面積基本不變，但與下極板A21之間對應的面積隨著上 極板3旋轉角度的增大而減小。因此，張應力使電容Cl小于電容C2，且兩者之差越大，張應 力越大。
[0030]2)存在壓應力時，結構層釋放后，輔旋轉結構中左橫梁41和右橫梁42發生收縮， 長度變短，所形成的力矩帶動上極板3按逆時針方向水平旋轉。同時，輔旋轉結構中的四個 輔助橫梁6發生伸展，長度變長，與張應力情況恰好相反。因此，左側輔旋轉結構中的縱梁 51按順時針方向水平旋轉，而右側輔旋轉結構中的左縱梁52按逆時針方向水平旋轉，進一 步帶動上極板3按順時針方向更大幅度地水平旋轉。這時，上極板3與下極板A21之間對 應的面積基本不變，但與下極板B22之間對應的面積隨著上極板3旋轉角度的增大而減小。 因此，壓應力使電容Cl大于電容C2，且差越大，壓應力越大。
[0031]3)表面微機械加工未產生殘余應力時，釋放后結構層長度不變，各旋轉結構不發 生變化，這時電容Cl等于電容C2。
[0032]因此，對于釋放后的測試結構，通過分別測量上極板3與下極板之間的電容Cl和 C2，比較Cl與C2間的相對大小，即可方便地推測上極板3旋轉的方向和角度大小，進而判 斷出結構層的應力是張應力還是壓應力，以及推測應力的大小。
[0033]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構,其特征在于:包括襯底(I)、兩塊下極板(2)和上極板(3)、兩個輔助旋轉結構和三個錨區； 所述下極板(2)沉積于襯底(I)上表面； 所述三個錨區(7 )置于襯底(I)上； 所述上極板(3)懸置在下極板(2)上方； 所述兩個輔助旋轉結構分別是左輔助旋轉結構和右輔助旋轉結構，兩個輔助旋轉結構完全相同；其中，左輔助旋轉結構包括左橫梁(41)、左縱梁(51)和兩個輔助橫梁(6);左橫梁(41)的右端連接上極板(3)左側，左橫梁(41)的左端連接左縱梁(51)，所述左橫梁(41)與左縱梁(51)垂直；左縱梁(51)的兩側分別連接一個輔助橫梁(6)，連接左縱梁左側的輔助橫梁的另一端固定在錨區(71)右側，連接左縱梁右側的輔助橫梁的另一端固定在錨區(73)左側； 所述右輔助旋轉結構包括右橫梁(42)、右縱梁(52)、和兩個輔助橫梁(6);所述右橫梁(42)的左端連接上極板(3)右側，右橫梁(42)的右端連接右縱梁(52)，所訴右橫梁(42)與右縱梁(52)垂直；右縱梁(52)的兩側分別連接一個輔助橫梁(6)，連接右縱梁右側的輔助橫梁的另一端固定在錨區(72)左側，連接右縱梁左側的輔助橫梁的另一端固定在錨區(73)右側； 所述左橫梁(41)和右橫梁(42)位于同一平面且不在同一水平線上； 所述四個輔助橫梁(6)位于同一平面且不在同一水平線上；` 所述上極板(3 )與兩個輔助結構位于同一平面，該平面與襯底(I)平行； 所述兩塊下極板(2)分別位于上極板(3)前后兩端的下方；兩塊下極板(2)的同一側與上極板(3)對齊，另一側超出上極板(3)的覆蓋范圍；兩塊下極板(2)被上極板(3)遮蔽的面積相同； 所述下極板(2)與上極板(3)之間分別形成平板電容Cl和C2。
2.如權利要求1所述的一種增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構，其特征在于:所述下極板(2)上涂覆有介質薄層，該介質薄層材料為氮化硅。
3.如權利要求1所述的一種增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構，其特征在于:所述下極板(2)材料為摻雜多晶硅。
4.如權利要求1所述的一種增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構，其特征在于:所述兩塊下極板(2)為兩個完全相同的矩形。
5.如權利要求1所述的一種增強型偏轉電容式表面微機械加工殘余應力測試結構，其特征在于:所述下極板(2)和上極板(3)的材料相同。
【文檔編號】G01L1/14GK103604534SQ201310611767
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月27日 優先權日:2013年11月27日
【發明者】唐潔影, 王磊, 蔣明霞 申請人:東南大學