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一種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，包括襯底、兩組下極板、測試機(jī)構(gòu)和置于襯底上的四個(gè)錨區(qū)；所述兩組下極板沉積于襯底上表面，兩組測試機(jī)構(gòu)為尺寸材料完全相同的兩組機(jī)構(gòu)，通過測試機(jī)構(gòu)的上極板覆蓋下極板形成四個(gè)電容，利用電容之間連接形成的橋式電容，其中兩個(gè)電容隨應(yīng)力大小會(huì)變化，另兩個(gè)始終固定不變，構(gòu)成檢測差分電容的電容橋，使應(yīng)力檢測更加方便、精確。與普通的光學(xué)方法相比，檢測無需大型設(shè)備，簡單易行。
【專利說明】—種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試領(lǐng)域，尤其是一種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]在MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems,微機(jī)電系統(tǒng))薄膜材料的制備過程中，上層材料與襯底一般不同，因此，不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，對(duì)微結(jié)構(gòu)或者器件的力學(xué)特性產(chǎn)生影響，輕則引起器件各種性能偏離設(shè)計(jì)值，重則導(dǎo)致器件完全失效。MEMS結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，與薄膜材料的制備方法、工藝條件以及襯底的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，從理論上分析和模擬計(jì)算應(yīng)力雖然有一定的指導(dǎo)意義，但也很困難。
[0003]實(shí)際中，更多地是采用測試方法獲取應(yīng)力情況。常用的測量方法有諧振頻率法、力口載變形法、旋轉(zhuǎn)指針法、X-射線衍射法、拉曼光譜法，這些方法往往需要借助于大型設(shè)備，設(shè)計(jì)一種簡單易行的應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，為應(yīng)力測試提供更多地選擇，成為了研究的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了客服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了結(jié)構(gòu)簡單，易于操作的一種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)本身構(gòu)建的差分電容的變化反映表面微機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
[0005]技術(shù)方案:一種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括襯底、兩組下極板、測試機(jī)構(gòu)和置于襯底上的四個(gè)錨區(qū)；
[0006]所述兩組下極板沉積于襯底上表面；每組為兩塊下極板，兩組下極板完全相同，兩塊下極板縱向排列；其中一組為下極板A和下極板B ;另一組為下極板C和下極板D ;下極板A與下極板C完全相同，下極板B與下極板D完全相同；相同的下極板橫向水平對(duì)齊；
[0007]所述兩組測試機(jī)構(gòu)為尺寸材料完全相同的兩組機(jī)構(gòu)，包括上極板、兩個(gè)直角梁；直角梁的兩個(gè)直角邊分別是橫直角邊和縱直角邊；所述上極板懸置在下極板A和下極板B上方；兩個(gè)橫直角邊連接上極板平行的兩側(cè)，通過縱直角邊分別固定在錨區(qū)A和錨區(qū)B側(cè)面；所述上極板和兩個(gè)直角梁位于同一平面，該平面與襯底所在平面平行；
[0008]另一組測試機(jī)構(gòu)放置位置為第一組測試機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，懸置在下極板C和下極板D上方，兩個(gè)縱直角邊分別固定在錨區(qū)C和錨區(qū)D側(cè)面；
[0009]下極板A與下極板C相連接，連接的導(dǎo)線上引出壓焊塊B;這兩塊下極板分別被兩塊上極板完全覆蓋；
[0010]下極板B與下極板D相連接，連接的導(dǎo)線上引出壓焊塊A ;這兩塊下極板分別有一部分延伸出兩塊上極板的覆蓋范圍，初始狀態(tài)下，這兩塊下極板被兩塊上極板遮蔽的面積相同；
[0011]錨區(qū)B上通過導(dǎo)線引出壓焊塊C ;錨區(qū)D上通過導(dǎo)線引出壓焊塊D
[0012]下極板與上極板分別形成四個(gè)電容，CA、CB、Cc, CD。[0013]下極板上涂覆有介質(zhì)薄層，該介質(zhì)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(gè)完全相同的矩形。下極板和上極板的材料相同。
[0014]有益效果:利用電容法檢測應(yīng)力與普遍使用的光學(xué)法相比，檢測更方便、無需大型光學(xué)設(shè)備，通過結(jié)構(gòu)本身形成的四個(gè)電容，其中兩個(gè)電容隨應(yīng)力大小會(huì)變化，另兩個(gè)始終固定不變，構(gòu)成檢測差分電容的電容橋，使應(yīng)力檢測更加方便、精確。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明中襯底頂面示意圖。
[0017]圖3為電容電橋等效電路圖
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0019]結(jié)合圖1和圖2所示，一種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括襯底8、兩組下極板、測試機(jī)構(gòu)和置于襯底8上的四個(gè)錨區(qū)；
[0020]所述兩組下極板沉積于襯底8上表面；每組為兩塊下極板，兩組下極板完全相同，兩塊下極板縱向排列；其中一組為下極板All和下極板B12 ;另一組為下極板C13和下極板D14 ;下極板All與下極板C13完全相同，下極板B12與下極板D14完全相同；相同的下極板橫向水平對(duì)齊；
[0021]所述兩組測試機(jī)構(gòu)為尺寸材料完全相同的兩組機(jī)構(gòu)，包括上極板3、兩個(gè)直角梁4 ;直角梁4的兩個(gè)直角邊分別是橫直角邊41和縱直角邊42 ;所述上極板3懸置在下極板All和下極板B12上方；兩個(gè)橫直角邊41連接上極板3平行的兩側(cè)，通過縱直角邊42分別固定在錨區(qū)A51和錨區(qū)B52側(cè)面；所述上極板3和兩個(gè)直角梁4位于同一平面,該平面與襯底8所在平面平行；
[0022]另一組測試機(jī)構(gòu)放置位置為第一組測試機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，懸置在下極板C13和下極板D14上方，兩個(gè)縱直角邊42分別固定在錨區(qū)C53和錨區(qū)D54側(cè)面；
[0023]下極板All與下極板C13相連接，連接的導(dǎo)線上引出壓焊塊B62 ;這兩塊下極板分別被兩塊上極板3完全覆蓋；
[0024]下極板B12與下極板D14相連接，連接的導(dǎo)線上引出壓焊塊A61 ;這兩塊下極板分別有一部分延伸出兩塊上極板3的覆蓋范圍，初始狀態(tài)下，這兩塊下極板被兩塊上極板3遮蔽的面積相同；
[0025]錨區(qū)B上通過導(dǎo)線引出壓焊塊C63 ;錨區(qū)D上通過導(dǎo)線引出壓焊塊D64，形成電容橋結(jié)構(gòu)，等效不意圖如圖3所不。
[0026]這些引出壓焊塊的導(dǎo)線涂覆在襯底8表面。
[0027]下極板與上極板分別形成四個(gè)電容，CA、CB、C。、CD。
[0028]襯底8的材料科選擇單晶硅等常用材料，下極板上涂覆有介質(zhì)薄層，該介質(zhì)薄層材料為氮化硅，下極板材料為摻雜多晶硅。下極板和上極板3的材料相同。需要指出的是，以上材料的選擇不僅限于提到的優(yōu)選材料，也可選擇金屬工藝。此處下極板也可以選擇金屬材料，優(yōu)選金或鋁，因?yàn)樯舷聵O板材料相同，上極板若選擇摻雜的多晶硅，則下極板也選擇摻雜的多晶娃；若上極板選擇金屬材料，則下極板也選擇金屬材料。
[0029]圖1中的兩組測試機(jī)構(gòu)，在方法中描述圖1中左側(cè)的為左測試機(jī)構(gòu)，右邊的為右測試機(jī)構(gòu)。
[0030]上述基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其測試殘余應(yīng)力的具體方法如下:
[0031]I)在壓焊塊A61和壓焊塊B62之間外接交流電壓源，壓焊塊C63和壓焊塊D64之間外接交流電壓檢測裝置，形成橋式差分電容檢測電路。
[0032]2)若加工過程中存在張應(yīng)力，結(jié)構(gòu)層釋放后，兩組測試結(jié)構(gòu)中的直角梁4的兩個(gè)縱直角邊42會(huì)收縮，所形成的力矩將帶動(dòng)左測試結(jié)構(gòu)的上極板3向后平移，而右測試機(jī)構(gòu)的上極板3向前平移，致使下極板B12與左測試機(jī)構(gòu)的上極板3對(duì)應(yīng)的面積變小，而下極板D14與右測試機(jī)構(gòu)的上極板3對(duì)應(yīng)的面積變大，即Cb減小，Cd增大，形成差分電容，但Ca和Cc始終不變。這時(shí)，交流電壓檢測裝置兩端的電壓不等，圖3中端點(diǎn)63的交流電壓幅度更聞。
[0033]3)若加工過程中存在壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)層釋放后，兩組測試結(jié)構(gòu)中的直角梁4的兩個(gè)縱直角邊42會(huì)伸展，所形成的力矩將帶動(dòng)左測試機(jī)構(gòu)的上極板3向前平移，而右測試機(jī)構(gòu)的上極板3向后平移。致使下極板B12與左測試機(jī)構(gòu)的上極板3對(duì)應(yīng)的面積變大，而下極板D14與右測試機(jī)構(gòu)的上極板3對(duì)應(yīng)的面積變小，也即Cb增大，Cd減小，形成差分電容，但匕和C。始終不變。這時(shí)，交流電壓檢測裝置兩端的電壓不等，圖3中端點(diǎn)64的交流電壓幅度更高。
[0034]4)若加工過程中未產(chǎn)生殘余應(yīng)力，那么在結(jié)構(gòu)層釋放后，兩組測試機(jī)構(gòu)中的上極板3的位置保持不變，也即四個(gè)CA、CB、Cc、CD大小相同，這時(shí)，圖3中交流電壓檢測裝置兩端點(diǎn)63和64的電壓幅度相等。
[0035]若測試結(jié)構(gòu)中上、下極板間的間距偏大，形成的電容較小時(shí)，還可以在上下極板間外加一直流偏置，使上極板3下拉至與下極板表面的介質(zhì)層接觸。
[0036]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括襯底(8)、兩組下極板、測試機(jī)構(gòu)和置于襯底(8)上的四個(gè)錨區(qū)； 所述兩組下極板沉積于襯底(8)上表面；每組為兩塊下極板，兩組下極板完全相同，兩塊下極板縱向排列；其中一組為下極板A (11)和下極板B (12);另一組為下極板C (13)和下極板D (14);下極板A (11)與下極板C (13)完全相同，下極板B (12)與下極板D (14)完全相同；相同的下極板橫向水平對(duì)齊； 所述兩組測試機(jī)構(gòu)為尺寸材料完全相同的兩組機(jī)構(gòu)，包括上極板(3)、兩個(gè)直角梁(4)；直角梁(4)的兩個(gè)直角邊分別是橫直角邊(41)和縱直角邊(42);所述上極板(3)懸置在下極板A (11)和下極板B (12)上方；兩個(gè)橫直角邊(41)連接上極板(3)平行的兩側(cè)，通過縱直角邊(42)分別固定在錨區(qū)A (51)和錨區(qū)B (52)側(cè)面；所述上極板(3)和兩個(gè)直角梁(4)位于同一平面，該平面與襯底(8 )所在平面平行； 另一組測試機(jī)構(gòu)放置位置為第一組測試機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，懸置在下極板C (13)和下極板D (14)上方，兩個(gè)縱直角邊(42)分別固定在錨區(qū)C (53)和錨區(qū)D (54)側(cè)面； 下極板A (11)與下極板C (13)相連接，連接的導(dǎo)線上引出壓焊塊B (62);這兩塊下極板分別被兩塊上極板(3)完全覆蓋； 下極板B (12)與下極板D (14)相連接，連接的導(dǎo)線上引出壓焊塊A (61);這兩塊下極板分別有一部分延伸出兩塊上極板(3)的覆蓋范圍，初始狀態(tài)下，這兩塊下極板被兩塊上極板(3)遮蔽的面積 相同； 錨區(qū)B上通過導(dǎo)線引出壓焊塊C (62);錨區(qū)D上通過導(dǎo)線引出壓焊塊D (64) 所述下極板與上極板分別形成四個(gè)電容，CA、CB、C。、CD。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板上涂覆有介質(zhì)薄層，該介質(zhì)薄層材料為氮化硅。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板材料為摻雜多晶硅。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于差分電容電橋的殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板和上極板(3)的材料相同。
【文檔編號(hào)】G01L1/14GK103604535SQ201310612238
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】唐潔影, 王磊, 蔣明霞 申請(qǐng)人:東南大學(xué)