[发明专利]高分辨率微机电测微游标尺

说明书

技术领域

本发明提供了一种用于微机电结构移动量测量的高分辨率微机电测微游标尺结构。属于微机电系统（MEMS）测试技术领域。

背景技术

通常情况下，微机电器件（MEMS）中运动部件的移动量非常小，另一方面，MEMS材料经常存在残余应力，因残余应力释放产生结构的伸长或缩短，其实际产生的几何尺寸变化数值也非常小，另外，材料热膨胀所产生的微小几何尺寸变化也需要测量，这些数值非常小的变化量测量时需要高的分辨率。在线测量条件下如何能够精确、灵敏地实现测试目标，是一个实用性的技术问题。

微小量的测量方法多种多样，大多数需要借助特殊的仪器。比较理想的方法是进行在线测量，即不离开加工环境并采用通用设备进行测试。在线测试条件下，利用与正片同时加工的测试结构进行测量是一种重要的测试方法。但由于在线测试所采用的仪器主要是常规设备，分辨率有限，因此，利用测试结构本身的设计来实现高分辨率的测量就是一个关键技术问题。

本发明提供了一种用于测量微机电结构微小几何尺寸变化量和（或）移动量的高分辨率测微游标尺结构，利用电流产生热驱动方式移动测试探头，利用杠杆结构增强灵敏度，利用特殊的游标尺测量等效移动量。由杠杆的放大倍率设计可以有效且简单地提高测微分辨率。并且，该游标尺结构完全采用通常的MEMS材料和MEMS基本加工技术，与MEMS器件正片同步加工，采用简单的电流源和普通光学显微镜即可进行测量。

发明内容

本发明提供了一种用于测量微机电结构微小几何尺寸或间距变化的测微游标尺结构，该结构利用杠杆原理对游标实测移动量进行放大，有效地提高测微分辨率。该游标尺既可以测量MEMS运动部件的微小移动，也可以测量因材料残余应力释放所产生的几何尺寸或间距的变化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高分辨率微机电测微游标尺，该游标尺结构由一维移动测量游标尺、用于移动量放大的杠杆机构、相对型电热执行器以及及连接以上三部分的若干梁组成，其特征在于，所述的一维移动测量游标尺由左右两部分组成，其左半部分包括多个相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，旋转后的“T”型结构由水平矩形和与其垂直的竖直矩形构成；各个“T”型结构的水平矩形与直梁垂直连接，“T” 型结构的竖直矩形的两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线，所有“T” 型结构的尺寸完全相同，所有A基线在一条直线上，B基线在另一条直线上；

其中，所述的一维移动测量游标尺的右半部分由梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构构成，梳齿结构由锚区和垂直连接到锚区的若干齿构成，在齿上与“T” 型结构相邻的一边设计有“凸”型结构，所述“凸”型结构的个数等于齿的个数减1后乘以2，自下而上地任何两个上下相邻的“凸”型结构，上面的“凸”型结构比下面的“凸”型结构向右平移2△，所述“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中，最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线，C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距均等于[（“凸”型个数×2-1）×△]，其中所述△为游标的最小分辨单位；

所述的一维移动测量游标尺的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区与左半部分的直梁平行，右半部分的齿与左半部分“T”型结构的底部部分所对应的水平矩形平行；

所述杠杆机构由两个上下相对放置的杠杆组成，每个杠杆包括：固定在衬底上的锚区；直梁；连接锚区和直梁的细梁，细梁是杠杆的支点，该支点将直梁分割为长臂和短臂，设置在上面的杠杆，长臂在上，短臂在下，设置在下面的杠杆，长臂在下，短臂在上；

所述相对型电热执行器由上下两个横向运动电热执行器并通过两个水平直梁和竖直宽梁连接而成，横向运动电热执行器由锚区、细梁、连接梁、宽梁相互连接组成，在竖直直梁的水平中心线位置左侧有一组作为测微探针的直梁，该直梁由水平直梁和细直梁连接而成；

所述高分辨率微机电测微游标尺各组成部分的连接关系如下：相对型电热执行器中的两根水平直梁分别延伸连接到上下两个杠杆的短臂末端，在上下两个杠杆的长臂末端分别有一根水平短梁连接到一维移动测量游标尺的左半部分直梁；

整个结构除固定在衬底上的锚区外全部悬浮于衬底之上，共有7个锚区，分别是：位于一维移动测量游标尺右半部分的锚区；2个位于杠杆支点处的锚区；4个相对型电热执行器中的锚区。

所述A基线与最下边的“凸”型结构（102-10）的C3对准基线对齐，所述A基线与B基线的间距比C2、C4或C1、C3的间距大1△。