[发明专利]一种MEMS器件残余应力温度特性的测量方法

说明书

本发明公开了一种MEMS器件残余应力温度特性的测量方法，将MEMS器件的机械结构和双端固支音叉谐振器集成在同一个芯片上，利用双端固支音叉谐振器频率与其梁上的轴向应力具有相关性，通过测试不同温度下的双端固支音叉谐振器频率，得到不同温度下的残余应力，从而得到残余应力的温度特性。本发明测试方法简单，可实现MEMS工艺产生的残余应力温度特性的测量；可实现封装每道工艺所产生的残余应力温度特性的测量；残余应力温度特性测量过程中，不需要拆开封装结构，不会对MEMS器件造成损伤。

技术领域

本发明属于MEMS器件残余应力测试技术，特别是一种MEMS器件残余应力温度特性的测量方法。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)器件的机械结构(为敏感元件)在加工和封装过程中，会产生残余应力，残余应力包括了加工应力和封装应力。残余应力会影响MEMS器件输出信号，特别是残余应力有变化时，如残余应力随温度的变化或应力的蠕变都将会通过机械结构以电信号的形式反应到输出信号上，从而使MEMS器件的输出发生偏移，降低了MEMS器件性能。因此，残余应力控制以及残余应力的温度特性都是MEMS器件加工与封装必须考虑的因素之一。而在应力控制之前，首先要精确地进行残余应力温度特性(包括加工应力的温度特性和封装应力的温度特性。)的测量。

目前，MEMS器件残余应力测量通常采用光学设备测试芯片的翘曲度，如云纹干涉法(Moire Interference Method)、激光全息干涉法和激光散斑干涉法等，再根据翘曲度估算残余应力((1)马斌，任继文，张鸿海等.键合技术中键合胶残余应力检测的实验研究.机械科学与技术,2005,24(6):736-739.(2)邱宇,雷振坤,亢一澜等.微拉曼光谱技术及其在微结构残余应力检测中的应用，机械强度，2004，26(4):389-392。)。首先，该测试方法需要昂贵的光学设备；其次，通过该方法可以得到晶圆的整体应力水平，无法获悉局部的应力分布情况；第三，对晶圆进行划片得到单个MEMS芯片，由于MEMS芯片尺寸在毫米量级，与晶圆相比，MEMS芯片的弯曲挠度大大减小，此时采用光学方法进行残余应力的测量时存在较大的测量误差，甚至当弯曲挠度近似为零时，无法得到应力测量结果；第四，封装好的MEMS器件需要测量残余应力时，必须拆开封装结构，破坏了封装结构，且易造成MEMS结构损坏，从而影响残余应力的正确测量。残余应力温度特性的测量时，同样存在上述技术问题，而且需要的测试设备则更为复杂。

发明内容

针对现有技术缺陷，本发明目的在于提供一种方便、高灵敏度、高精度的MEMS器件残余应力温度特性的测量方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种MEMS器件残余应力温度特性的测量方法，步骤如下：

步骤一，将双端固支音叉谐振器和机械结构集成在一起形成MEMS芯片，在每个MEMS芯片内，至少四个双端固支音叉谐振器均匀布置在机械结构四周，且呈对称布置的两个双端固支音叉谐振器互相垂直布置；

步骤二，微机械加工工艺结束后，在晶圆上形成成百上千个MEMS芯片，将晶圆安装在温控探针台上，在晶圆上不同的区域选取多个MEMS芯片进行测试：首先通过扫描电子显微镜，测试所挑选MEMS芯片上的双端固支音叉谐振器的梁宽和梁长；然后利用探针及其引线与双端固支音叉谐振器的驱动电极、检测电极和测控电路相连，构成闭环测控回路，根据温控探针台可调节的温度范围设置试验温度范围，利用探针、测控电路和测频电路测试所述双端固支音叉谐振器在不同温度下的频率f_0,k,i(T)，将f_0,k,i(T)代入公式计算不同温度下的加工应力σ_0,k,i(T)，再采用最小二乘法进行加工应力σ_0,k,i(T)和温度T的多项式拟合，得到加工应力的温度函数：