[发明专利]微机电双层薄膜单元离面弯曲曲率测试结构

说明书

技术领域

本发明提供了一种微机电双层薄膜单元离面弯曲曲率的测试结构，属于微机电系统（MEMS）材料参数测试技术领域。

背景技术

微机电器件的性能与材料参数有密切的关系，由于加工过程的影响，一些材料参数将产生变化，这些由加工工艺所导致的不确定因素，将使得器件设计与性能预测出现不确定和不稳定的情况。

在制造微机电器件结构中广泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微机械结构中，薄膜材料是结构材料的主体材料，通常采用化学气相沉积（CVD）方法或物理气相沉积（PVD）制造得到，例如氮化硅、多晶硅、二氧化硅、金属层等。这些薄膜材料在加工过程中将产生内应力即存在残余应力。残余应力分为压应力和张应力。当微机电结构被释放后，残余应力将导致结构出现初始变形或者产生对其他材料参数的影响，导致实际性能对设计性能的偏离。在多层结构中，由于叠加在一起的各薄膜层的应力大小不同，应力属性也不同，因此导致叠层薄膜出现离面弯曲。测量离面弯曲曲率的方法大部分依赖于专门的电子/光学测试设备，如薄膜应力分布测试仪。

本发明提出了一种微机电双层薄膜单元离面弯曲曲率的测试结构。利用两个相对放置的双层薄膜门型结构并配合测差游标，可以获得MEMS常用双层薄膜单元的离面弯曲曲率半径，并且可以推广到更多层薄膜材料情况，测量方法和参数提取的计算方法非常简单。

发明内容

多层结构，例如一个典型的MEMS叠层悬臂梁，由于叠加在一起的各薄膜层的应力大小与属性不同，因此，将导致悬臂梁的自由端上翘或下塌，即发生离面弯曲，直梁变成一段弧，梁的投影长度变短。如果能够测量到同样投影长度下弧长的变化，再根据设计的投影长度，即可计算得到曲率半径。由曲率半径可以计算得到应力差或应力梯度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提出了一种微机电双层薄膜单元离面弯曲曲率的测试结构，该测试结构由左右两个相对放置的双层薄膜门型结构和测差游标组成，其特征在于：

所述测差游标由左右两部分组成，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；

所述测差游标的右半部分由梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构构成，梳齿结构由直梁和垂直连接到直梁的若干齿构成，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，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△为游标的最小分辨单位；

最上边的“凸”型结构的C2对准基线是测差游标的水平中分线y，水平中分线y到测差游标左半部分直梁的左边界和到测差游标右半部分直梁右边界的距离相等；

所述双层薄膜门型结构由上下两层薄膜材料叠合而成，包括锚区和两根直梁，直梁的上层材料尺寸略窄于下层材料，两根直梁的形状与尺寸相同，两根直梁的一端与锚区连接，所述测差游标由下层材料制造，左边双层薄膜门型结构的直梁与测差游标左半部分的直梁连接，右边双层薄膜门型结构直梁与测差游标右半部分的直梁连接；

整个结构除固定在衬底上的锚区外全部悬浮于衬底之上，锚区由三层材料叠合而成，自衬底向上分别为底层支撑材料，下层薄膜材料，上层薄膜材料。

根据本发明的一个方面，所述测差游标的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的直梁与左半部分的直梁平行，右半部分的齿与左半部分“T”型结构的底部所对应的水平矩形平行。

根据本发明的一个方面，B基线与最上边的“凸”型结构的C2对准基线对齐，A基线与B基线的间距比C2、C4或C1、C3的间距大1△。